中外電動汽車電池、電驅和電控關鍵技術對比分析研究
發布時間:
2024-01-31
1.車用驅動電機方面中外技術對比
電機驅動系統是新能源車輛行駛中的主要執行機構，驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。受益于國內巨大的市場容量，國內驅動電機產業得以飛速發展，且國內電動汽車匹配的驅動電機基本為本土生產，基本能滿足國內新能源汽車使用要求。
在驅動電機技術開發方面，如果我們把專利作為技術儲備，那么在過去的十年里，中國車用驅動電機的專利申請總量是世界第一，但是，其中最體現技術水平的發明專利占比僅僅50%，而國外發明專利占申請總量的90以上，從這個角度來看，我國的專利申請更看重“量”，而國外更重“質”。
在驅動電機功率密度方面，“十三五”國家規劃中，明確提出電機效率超過4KW/KG，國內很多企業的產品已經能夠達到此指標，但是相較國際先進產品，在體積、制造工藝等方面相差較多。
目前，我國新能源汽車所使用的電機多為永磁同步電機、交流異步電機以及其它電機。從電機類型市場結構來看，主要以永磁同步電機為主，2017年新能源汽車領域永磁同步電機裝機量達到68.51萬臺，占比超過78%；交流異步電機裝機量近19萬臺，占比21.4%。
在和國外電機對比功率密度的時候，有一點要注意的是，特斯拉model s用的是感應電機，感應電機和同步電機在功率密度上直接比較是不妥的，至少有兩點：一是交流電機沒有永磁體、用料少，這在一定程度上減輕了重量；另一方面交流電機可以自我勵磁，能夠建立比同步電機高的磁場強度。另外特斯拉的銅芯轉子專利技術也解決了很大的問題，這3點使得特斯拉的感應電機功率密度可以和國內的永磁同步電機媲美。
功率密度盡管能夠在一定程度上代表電機的性能，但是在有些場合卻并不適合，比如在一些要求低轉速的場合，就無法通過高轉速來提升功率密度，而轉速過高對電機來說又會帶來諸如風磨損損耗問題、軸承問題、NVH問題等。這時候就要用另一個指標表征電機的性能：轉矩密度。因為在很多時候，和重量及體積正相關的未必是功率，而是轉矩。
提高轉矩密度又有很多方法，像豐田prius、BMW等是通過提高磁阻轉矩比例的方法來獲得的。還有一種方法是從控制側出發，通過諧波注入的方式，把電機產生的諧波轉矩也利用起來。最后一條路就是提高單位體積內的磁場能量。
轉矩密度之所以成為一個發展方向，還因為另外一個因素的驅動，那就是發展越來越興旺的獨立驅動技術，也叫作分布式驅動。
在這種應用中，電機直接安裝在輪子邊上，帶了減速器叫輪邊電機，不帶減速器叫輪轂電機 ，輪轂電機直接驅動車輪，和車輪同步旋轉。車輪的轉速其實很低的，一般也就幾百轉，這種情況下，追求功率密度，也就只有轉矩密度這一條路可以選了。
但是轉矩密度也要分應用場合，乘用車多是高速電機，做成高轉矩密度就比較困難，而要求低速大扭矩的商用車就相對容易一些。目前國內驅動電機需要在磁路設計時重點加強轉子形狀和磁阻轉矩利用率的設計；如何大幅提高導熱面積又不影響磁路性能是設計的重點。
在感應電機和同步電機的選擇上，特斯拉的感應電機對比國內同步電機毫不遜色，但是為何model 3 選用同步電機了呢？這可能和幾個因素有關：首先是特斯拉已經進入中國，用同步電機有討好中國銣鐵硼材料行業的意味，第二是與中國相關公司簽署了協議，供應鏈無憂，第三是感應電機要想提高功率密度通常只有提高電流一條路，但副作用相當明顯，而永磁電機卻仍有進步和性能提升的空間。
在核心零部件方面，雖然中國稀土資源全世界最豐富，但銣鐵硼的提煉和加工的尖端技術卻掌握在日本和德國手中；在硅鋼片方面，我國能做到0.35mm，日本卻已經達到0.27mm，高性能硅鋼片還是依賴進口；高轉速軸承方面差距更大，高速電機軸承幾乎全部依賴進口，基本沒有用國產軸承的。
2.國內外電動汽車動力電池方面技術對比
目前國外動力電池從18600向21700方向發展已經是大勢所趨，根據特斯拉公布的數據，21700電池的能量密度在300wh/kg，比18600的250wh/kg提高20%；但是在成本方面，21700電池是170美元/kwh，而18600電池則是185/kwh，可以看出，相比18600電池，21700電池在能量密度提高20%的同時，成本下降了8%。
21700是什么意思？21是電池外徑，70是電池高度。
電池是不是越粗越長越好？理論上容量會同步提升，但是副作用同樣明顯：能量密度每提高10%，循環壽命降低20%，充放電倍率降低30-40%，同時電芯有20%左右的溫升，所以21700是綜合性能和經濟性平衡的結果。
另外從制造角度講，從18600轉產21700生產線基本通用，不會投入太高的設備和技改費用。
從電池單體容量來看，21700相比18600大幅提升35%，在單體電池數量上減少三分之一，并且電池PACK所需的金屬結構件和導電連接件也將同步減少，預計重量上能減輕10%，成本降低24%。
由松下生產的21700電池將在model 3上使用，國內乘用車還沒有使用21700的車型，但國內多家電池生產商已經布局21700的電池的生產，并且18600切換過來也不是太復雜。
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