中外电动汽车电池、电驱和电控关键技术对比分析研究
发布时间:
2024-01-31
1.车用驱动电机方面中外技术对比
电机驱动系统是新能源车辆行驶中的主要执行机构，驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。受益于国内巨大的市场容量，国内驱动电机产业得以飞速发展，且国内电动汽车匹配的驱动电机基本为本土生产，基本能满足国内新能源汽车使用要求。
在驱动电机技术开发方面，如果我们把专利作为技术储备，那么在过去的十年里，中国车用驱动电机的专利申请总量是世界第一，但是，其中最体现技术水平的发明专利占比仅仅50%，而国外发明专利占申请总量的90以上，从这个角度来看，我国的专利申请更看重“量”，而国外更重“质”。
在驱动电机功率密度方面，“十三五”国家规划中，明确提出电机效率超过4KW/KG，国内很多企业的产品已经能够达到此指标，但是相较国际先进产品，在体积、制造工艺等方面相差较多。
目前，我国新能源汽车所使用的电机多为永磁同步电机、交流异步电机以及其它电机。从电机类型市场结构来看，主要以永磁同步电机为主，2017年新能源汽车领域永磁同步电机装机量达到68.51万台，占比超过78%；交流异步电机装机量近19万台，占比21.4%。
在和国外电机对比功率密度的时候，有一点要注意的是，特斯拉model s用的是感应电机，感应电机和同步电机在功率密度上直接比较是不妥的，至少有两点：一是交流电机没有永磁体、用料少，这在一定程度上减轻了重量；另一方面交流电机可以自我励磁，能够建立比同步电机高的磁场强度。另外特斯拉的铜芯转子专利技术也解决了很大的问题，这3点使得特斯拉的感应电机功率密度可以和国内的永磁同步电机媲美。
功率密度尽管能够在一定程度上代表电机的性能，但是在有些场合却并不适合，比如在一些要求低转速的场合，就无法通过高转速来提升功率密度，而转速过高对电机来说又会带来诸如风磨损损耗问题、轴承问题、NVH问题等。这时候就要用另一个指标表征电机的性能：转矩密度。因为在很多时候，和重量及体积正相关的未必是功率，而是转矩。
提高转矩密度又有很多方法，像丰田prius、BMW等是通过提高磁阻转矩比例的方法来获得的。还有一种方法是从控制侧出发，通过谐波注入的方式，把电机产生的谐波转矩也利用起来。最后一条路就是提高单位体积内的磁场能量。
转矩密度之所以成为一个发展方向，还因为另外一个因素的驱动，那就是发展越来越兴旺的独立驱动技术，也叫作分布式驱动。
在这种应用中，电机直接安装在轮子边上，带了减速器叫轮边电机，不带减速器叫轮毂电机 ，轮毂电机直接驱动车轮，和车轮同步旋转。车轮的转速其实很低的，一般也就几百转，这种情况下，追求功率密度，也就只有转矩密度这一条路可以选了。
但是转矩密度也要分应用场合，乘用车多是高速电机，做成高转矩密度就比较困难，而要求低速大扭矩的商用车就相对容易一些。目前国内驱动电机需要在磁路设计时重点加强转子形状和磁阻转矩利用率的设计；如何大幅提高导热面积又不影响磁路性能是设计的重点。
在感应电机和同步电机的选择上，特斯拉的感应电机对比国内同步电机毫不逊色，但是为何model 3 选用同步电机了呢？这可能和几个因素有关：首先是特斯拉已经进入中国，用同步电机有讨好中国铷铁硼材料行业的意味，第二是与中国相关公司签署了协议，供应链无忧，第三是感应电机要想提高功率密度通常只有提高电流一条路，但副作用相当明显，而永磁电机却仍有进步和性能提升的空间。
在核心零部件方面，虽然中国稀土资源全世界最丰富，但铷铁硼的提炼和加工的尖端技术却掌握在日本和德国手中；在硅钢片方面，我国能做到0.35mm，日本却已经达到0.27mm，高性能硅钢片还是依赖进口；高转速轴承方面差距更大，高速电机轴承几乎全部依赖进口，基本没有用国产轴承的。
2.国内外电动汽车动力电池方面技术对比
目前国外动力电池从18600向21700方向发展已经是大势所趋，根据特斯拉公布的数据，21700电池的能量密度在300wh/kg，比18600的250wh/kg提高20%；但是在成本方面，21700电池是170美元/kwh，而18600电池则是185/kwh，可以看出，相比18600电池，21700电池在能量密度提高20%的同时，成本下降了8%。
21700是什么意思？21是电池外径，70是电池高度。
电池是不是越粗越长越好？理论上容量会同步提升，但是副作用同样明显：能量密度每提高10%，循环寿命降低20%，充放电倍率降低30-40%，同时电芯有20%左右的温升，所以21700是综合性能和经济性平衡的结果。
另外从制造角度讲，从18600转产21700生产线基本通用，不会投入太高的设备和技改费用。
从电池单体容量来看，21700相比18600大幅提升35%，在单体电池数量上减少三分之一，并且电池PACK所需的金属结构件和导电连接件也将同步减少，预计重量上能减轻10%，成本降低24%。
由松下生产的21700电池将在model 3上使用，国内乘用车还没有使用21700的车型，但国内多家电池生产商已经布局21700的电池的生产，并且18600切换过来也不是太复杂。
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