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淺談新能源汽車三電系統

傳統的燃油車時代,汽車最重要的三大件分別是發動機、底盤和變速箱。進入新能源汽車時代,隨著內燃機和變速箱的逐漸消弭,燃油車時代的三大件已經不能評估汽車的核心,取而代之的是“三電系統”,即電池、電機和電控三個部分。“三電”技術既是核心技術,也是基礎技術,不管是從技術方面還是產業鏈方面,三電系統都是新能源車區別於傳統燃油車最關鍵的特征,下面就簡單聊聊新能源汽車三電系統。

一、電池系統

三電系統中的“電池”特指為整車提供動力來源的高壓電池,也稱動力電池,它主要用於接受和存儲由外置充電裝置和制動能量回收裝置提供的電能,並通過高壓配電系統為驅動電機、電動空調壓縮機、PTC加熱器等高壓用電設備提供電能。電池是三電系統中最受關註的,它是新能源車的續航能力的重要決定因素,其中電池容量、能量密度是影響整車續航裡程的主要因素。另外,新能源汽車上一般還有幾塊低壓電池,也稱為低壓電池或弱電,它主要給車輛附件(如大燈、風扇、電動車窗等)供電,確保系統的穩定運行。

新能源汽車動力電池有兩種,三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。下面簡單闡述下兩種電池的優劣勢:①在續航能力方面,三元鋰電池優於磷酸鐵鋰電池,主要原因是三元鋰電池能量密度能達到240WH/kg,幾乎是磷酸鐵鋰電池140WH/kg的1.7倍。②在抗低溫能力方面,三元鋰電池也優於磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池低溫使用下限值為-30℃,磷酸鐵鋰電池低溫下限值-20℃,同時在相同低溫條件下,三元鋰電池冬季衰減不到15%,而磷酸鐵鋰電池衰減高達30%以上。

③在安全性方面,磷酸鐵鋰電池略優於三元鋰電池,因為磷酸鐵鋰電池熱失控溫度在500℃以上,三元鋰電池則低於300℃,相比之下磷酸鐵鋰電池自燃風險較低; ④在使用壽命方面,磷酸鐵鋰電池略優於三元鋰電池,因為磷酸鐵鋰電池充放電循環次數大於3500次後才會開始衰減,使用壽命長達十年左右,但三元鋰電池充放電循環次數則僅為2000次,其使用壽命僅為6年; ⑤在制造成本方面,磷酸鐵鋰電池成本低於三元鋰電池,因為磷酸鐵鋰電池沒有貴重金屬,因而生產成本較低,而三元鋰電池則因為采用鈷金屬,隨著鈷金屬價格的飆升,三元鋰電池的制造成本直線上升。

二、電驅系統

電驅系統即將電池提供的電能轉化成機械能,從而給車輛提供驅動力。電驅系統由電機、逆變器和傳動機構三部分組成。新能源汽車的電機有正轉和反轉之分,正轉可以提供驅動力確保車輛正常驅動,反轉即為倒車,也可以通過電機反轉的方式提供制動力,從而反向給電池充電。因此,為瞭降低成本,同時優化車輛空間佈置,國內外電動車的傳動機構都是單機減速,即去掉離合器和變速箱。電機主要由定子、轉子、機殼、連接器、旋轉變壓器等組成,其中定子和轉子是電機最重要的部分。電機按整體技術方向可分為四大類:直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。其中直流電機因為無法實現能量回收已經被淘汰,開關磁阻電機也因為噪聲大等原因也較少的應用在新能源汽車上。目前,交流異步電機和永磁同步電機是主要的電機類型,兩種電機各項指標基本相當,但交流異步電機的控制難度較大,因此逐漸被永磁同步電機替代。逆變器就是把直流電轉變為交流電的裝置,若一臺電動汽車的逆變器能支持較高電壓,則相應的電壓充電流較大,功率較大,這意味著同樣電流進行充電,充電功率可以等比例放大,即充電時間會縮短。若提高逆變器的支持電壓,則相應的充電時逆變器產生的熱量會變多,那麼就需要解決逆變器中IGBT模塊的散熱問題,這是提高充電效率的關鍵問題。

三、電控系統

電控系統就是對電池和電驅的控制系統,其核心組件包括逆變器、驅動器、電源、控制器、保護模塊、散熱系統、信號檢測模塊等等。一方面,電控系統可以使車輛按照設計開發的意願在高效且安全的范圍內運轉;另一方面,當車輛出現異常被電控系統監測到,電控單元會及時上報預警,保障駕駛員和乘客的安全。新能源汽車電機+電控系統作為傳統發動機+變速箱功能的替代,其性能直接決定瞭電動汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標。此外,電控系統需要應對一些較為復雜的工況,如滿足頻繁的起停和加減速、爬坡時(低速)要求高轉矩、高速行駛時要求低轉矩、有超大變速范圍;混合動力汽車還需要處理發動機啟動、發電機發電、制動能量回饋等特殊功能。與燃油車一樣,電控系統相當於汽車的大腦,對整個車輛的運行和動力輸出進行合理的控制,相比之下,新能源汽車電氣系統變化更為復雜,對電控系統的要求也更高一些。

電動汽車驅動對三電系統在負載要求、技術性能和工作環境上有特殊要求: ①動力電池要有更高的能量密度,實現輕量化、低成本,適應有限的車內空間, ②驅動電機同時具備高速寬調速和低速大扭矩,以提供高啟動速度、爬坡性能和高速加速性能,同時要具有能量回饋能力,降低整車能耗; ③電控系統要有高控制精度、高動態響應速率,並同時提供高安全性和可靠性。

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