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新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!

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  最近,全国许多地方的停电让更多人关注到“能源”问题。

  停电的背后,主要是传统能源——煤炭的周期性供给波动造成的,最终的解决取决于能源结构的优化。这让人们期待新能源和可持续能源的广泛应用。

  令人欣慰的是,我们已经处于“能源革命”的宏伟新时代的开端。

  风力发电机在农村、光伏电站遍布山区、地热能供暖和制冷地区逐渐兴起,并且越来越多的新能源汽车走上街头。。。

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  就像互联网萌芽时期只有少数人感知到一样,在新一轮能源革命时代开始之际,大多数普通消费者可能并没有更深层次的体验,但我们的世界却因为这些萌芽而悄然改变。

  也许最接近我们普通消费者的是新能源汽车。

  说到新能源汽车,从去年开始就非常受欢迎。

  据协会10月12日发布的数据显示,今年9月,新能源乘用车批发销量达35.5万辆,环比增长14.7%,同比增长184.4%。同时,从1月到9月,渗透率增加到11.6%。

  在此背景下,越来越多的消费者将目光转向新能源汽车。事实上,讨论的话题大多与一个系统有关,即三大动力系统。

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  三电系统是新能源汽车或电动汽车的核心,它包括电池、电机和电控三部分。无论从技术层面还是工业层面,三电系统都是新能源汽车区别于传统燃油汽车的最关键特征。无论是买车还是了解新能源汽车,都要从三电系统入手。

  今天,123导航网将详细讲解新能源汽车“三权”之谜。

一、电池

  在新能源汽车的“三大动力系统”中,电池绝对是大家最关心的,它在很大程度上决定了新能源汽车的续航能力。一般来说,动力电池的容量和能量密度是影响整车续航里程的主要因素,人们买车时主要是看它。

  动力电池,是指为整车提供电源的高压电池。此外,新能源汽车上通常有几种低压电池。

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  ▲图片来自:当代安普瑞斯科技有限公司官网。

  在动力电池中,电芯是最重要的,它由四种材料组成:正极材料、负极材料、隔膜和电解液。

  目前,锂电池基本用于新能源汽车。以前使用的镍氢电池和铅酸电池现在几乎被淘汰了。

  1。阴极材料。

  电池四大材料的正极材料为锂电池提供锂离子,关系到电池的能量密度、寿命和安全性。成本占整个动力电池的40%,是最多的。

  目前市场上的正极材料有四种:磷酸亚铁锂、锰酸锂、钴酸锂和三元材料。

  如果人们关注新能源汽车,我相信他们会经常听到这些话。不过,在介绍这些材料之前,123导航网还应该说一个技术术语:比能。

  前面我们说过,电池的能量密度是影响电池寿命的主要因素,而正负极材料的比能量是影响电池能量密度的主要因素。

  比能是每单位质量的电极材料可以释放的电能的量(有时比能也被理解为能量密度)。正负极材料的比能量越高,电池的能量密度越高,电池寿命越长。

  回到电池的四种正极材料,前三种是各种化学元素,最后一种三元材料是什么?事实上,它是由三种不同的化学元素组成的,包括镍钴锰NCM和镍钴铝NCA。

  这四种阴极材料的特性如下表所示:

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  这些电池材料目前的应用情况如何?从下图可以看出,三元正极材料和磷酸铁锂电池目前在国内处于主流地位,也是未来的发展趋势。

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  三元电池优于高比能量和低成本。使用这种电池的汽车一般在续航里程上有优势。但磷酸铁锂电池比三元正极材料电池具有安全性高、使用寿命长、价格较低的优点,但存在比能量小、电池寿命差、耐寒性差等缺点。

  特斯拉Medel 3就是一个典型的例子。容量为53KWh (480KM)的进口版三元锂电池比容量为55KWh (468KM)的国产版磷酸铁锂电池更长,充分展现了三元锂电池在续航方面的优势。

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  但是磷酸铁锂电池在安全性上有明显的优势。在比亚迪官方的电池针刺实验中,三元锂电池被刺穿后燃烧剧烈,而普通磷酸铁锂电池被刺穿后表面有烟无明火,温度只有200℃-400℃。在极端情况下,电池不能燃烧或爆炸至关重要。

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  然而,比亚迪的刀片电池表现更好。被刺穿后几乎没有明显反应,没有烟雾,没有明火,表面温度只有30℃-60℃。

  Blade是磷酸铁锂电池技术演进的一个“表现”,和当代安普瑞斯科技有限公司的CTP电池类似,比其他的要好,但是它们都有一个共同的方向,那就是提高磷酸铁锂电池的能量密度,从而提高电池寿命。

  这两种想法相似。以前我们是把电池做成模块,然后放在一起组成电池组。这些模块占空。

  就像有些零食外面有大包装,里面有很多小包装一样,最后能吃的零食并不多。

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  增加密度的方法是减少甚至消除模块。当代安普瑞斯科技有限公司“CTP”电池的方法是将电池做得更大,模块做得更少,让模块本身占用更少空,这样可以提高能量密度。

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  刀片电池直接从模块中取出,将电池做得像刀片一样薄,然后水平堆叠,这样这些电池不仅可以发电,还可以支撑电池组的整体结构(模块原本起到支撑结构的作用)。因为模块没了,又充满了电池,密度自然会上去,电池寿命也会提高。

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  为什么不允许电子通过?因为如果电子从正极直接穿过薄膜到达负极,就会形成短路,所以电池不会原地爆炸?

  最后,锂离子和电子同路,在负极相遇,形成电能的储存。

  当放电时,锂离子反过来通过薄膜从负极返回正极,而电子仍然必须通过外部电路。当通过外部电路时,会形成电流,相当于放电。锂离子和电子最终在正极再次相遇。

  在这两个过程中,负极材料起着储存和释放电能的作用。

  目前,新能源汽车动力电池最主流的负极材料是人造石墨。人造石墨属于石墨化碳材料,石墨化碳材料不同于天然石墨和人造石墨。人造石墨在比能量、循环寿命、倍率等方面具有综合优势,是现在的主流选择。

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  ▲人造石墨,图片来自官网,江西陈子。

  除了人造石墨之外,还有一种极具未来前景的阳极材料,即硅碳阳极材料。

  硅碳负极材料有一个显著的优势,那就是比容量。人造石墨的理论最大比容量为370mAh/g,硅碳负极材料的理论最大比容量可达950mAh/g,对电池续航能力很有帮助。

  目前特斯拉已经在Model 3中使用了一些硅碳负极材料。这种材料的广泛应用还需要一段时间。你可以期待在未来的电动汽车中使用这种负极材料。

  产业链方面,目前全球正极材料产能基本集中在中国,2018年我们的市场份额已经达到73.4%。世界前五大企业中,只有一家日立化学公司来自日本,其余都是中国企业。在中国,生产负极材料的龙头企业以出卖、杉杉、陈子科技为代表。

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  然而,虽然产能集中在中国,但我们在负极材料的生产方面仍然存在弱点。比如针状焦,其重要原料之一,主要依赖进口,尤其是高端针状焦的自主化需要时间。

  3、隔膜和电解液。

  隔膜是锂电池充放电原理中,让锂离子来回穿梭,阻挡电子等颗粒的那层“滤纸”。

  隔膜按制造工艺可分为干隔膜和湿隔膜。干式隔膜多用于磷酸铁锂电池,而湿式隔膜多用于三元锂电池。

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  ▲隔膜,图片来自上海恩杰官网。

  同时,高端隔膜产品普遍采用湿法工艺技术,湿法隔膜整体性能明显高于干法隔膜,是未来的主要趋势。目前,我国在湿隔膜技术方面取得了较好的突破,国产替代正在进行中。

  至于电解液,它在电池的正负极之间起到传导锂离子的作用,相当于离子传输的载体。在动力电池的四大材料中,国内电解液的产业化发展最为成熟。

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二、电机

  1。电机类型。

  电机是指新能源汽车的驱动电机,即电动机。它相当于传统燃油车的发动机,将电池的电能转化为机械能,是车辆动力的直接来源。

  新能源汽车电机原理有点复杂,这里不方便展开。它主要由定子、转子、外壳、连接器和旋转变压器组成,其中定子和转子是最重要的。

  根据整体技术,新能源汽车的驱动电机可分为四类:DC电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

  当然,根据详细的技术,IT可以分为更多的类别。比如按照驱动方式可以分为集中电机和轮毂电机,所以这里123导航网不多。

  以上四大类中,DC电机已经被淘汰,开关磁阻电机因为噪音等原因在电动汽车中非常少见。

  异步电机和永磁同步电机是目前新能源汽车的主要电机类型。而且现在交流异步电机其实比较少见,主要应用于大型高速电动车和欧美车。

  因此,作为消费者,永磁同步电机是最常见的一种。

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  根据工信部的数据,截至2019年6月,永磁同步电机在中国国内驱动电机市场的份额已经达到99%。

  刚才我们说电机的关键部件是定子和转子。如果用一句话解释电机的原理,那就是:定子利用通电后产生的旋转磁场使转子运转。

  交流异步电机和永磁同步电机的区别在于转子。异步电动机的转子是导体,需要电磁感应原理的作用才能在定子的旋转磁场后运行,永远赶不上旋转磁场的转速,所以被称为“异步”。

  嗯,怎么说呢?就像爱上了一个永远追不上的女孩。

  但是永磁同步电机的转子中嵌入了永磁体,不需要电磁感应等任何步骤。当定子产生旋转磁场时,永磁体将同步旋转。此时,转子和定子磁场以相同的速度旋转。

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  ▲图片来自:头堡研究院。

  就在刚才,我爱上了一个永远追不上的女孩。这一次,我结婚了,一起工作。不用说,哪个更好。

  在实际使用中,永磁同步电机的整体性能确实更好,效率高但成本高。然而,交流异步电机的效率相对较低,但成本也较低。同时具有耐久性好的优点。

  还有一种扁线绕组电机,是针对定子绕组的。传统的绕组线圈是多根细圆导线,扁线绕组将这些导线变成扁矩形导线,可以同时提高能量密度、发热效率和功率。

  扁线缠绕电机工艺复杂,目前应用不广泛,但驱动电机的未来趋势。目前丰田在2015年发现的第四代普锐斯、荣威Ei5等车型都采用了这种技术的电机。

  2。汽车工业。

  目前国内新能源驱动电机的生产厂家有30多家,其中约15家可以批量供应车辆。

  在过去的十年里,中国在新能源汽车驱动电机的发展方面取得了巨大的进步。虽然在产业链的某些环节还落后于国际顶尖水平,但总体上已经能够领跑,核心技术可以自主掌控。

  可以说,中国驱动电机行业的发展前景值得期待。按照2020年国内驱动电机市场格局,装机前五的企业中,只有特斯拉来自国外。

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  从前十大市场情况来看,汽车企业主要是整车企业、第三方独立汽车企业和整车与三方企业联合成立的汽车企业。

  从行业的中下游来看,驱动电机行业的上游包括原材料和零部件的供应,最重要的是永磁体、轴承和轴承盖;行业中游可分为电机制造商,下游主要是主机厂。

  上游零部件的主要原材料是Ru-Fe-B永磁体,是第三代稀土永磁材料。中国拥有世界上最大的稀土资源储量,占世界储量的36.7%,产量的80.5%。同时,系统的加工精制技术也处于国际领先水平。这是中国驱动电机行业发展的一大优势。

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  ▲图片来自:头堡研究院。

  至于轴承和轴承盖,目前国内的相关产品有一定的竞争力,但还是针对新能源汽车驱动电机专用轴承。我国在这方面的产品研发还不完善。与SKF瑞典、NSK日本等国际领先企业相比,在性能、耐久性、材料等方面仍有较大差距。

  先说中游的电机制造。目前国内本土厂商在核心技术和制造工艺方面表现良好,能够自主研发满足各种新能源汽车需求的电机产品。至于下游,在造车新势力的影响下,国内涌现出不少新能源汽车主机企业,而中国是全球最大的新能源汽车市场,这也是一个重要的优势。

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三、电控系统

  如果简化,新能源汽车可以用电池和驱动电机运行。但是怎么跑,怎么变速,什么时候刹车,怎么爬山等等,都需要一个系统来控制,这就是电控系统。

  新能源汽车电控系统是控制汽车驱动电机的装置,相当于新能源汽车的大脑,合理控制整车的运行和动力输出。

  与传统燃油车相比,新能源汽车的电气系统发生了很大的变化,对电控系统的要求更高、更复杂。

  新能源汽车电控系统的核心部件包括逆变器、驱动器、电源、控制器、保护模块、散热系统、信号检测模块等,但核心部件有三个:逆变器、驱动器和控制器。

  与驱动电机类似,电控系统的产业链也分为上、中、下游。上游主要是各种电子元器件的供应商,中游主要是系统集成和厂商,下游是新能源汽车主机厂,都是我们常见的汽车品牌。

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  在整个产业链中,最关键的是上游零部件的供应。这里,123导航网重点介绍电控系统“三大件”中逆变器的核心模块:IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

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  这种小功率半导体器件可以说是电控系统的关键,其成本可以占到整个电控系统的40-50%。目前这么重要的部件自主性怎么样?

  答案不是很令人满意。根据2019年的数据,中国IGBT市场的供应商主要由三菱、英飞凌、富士、半导体等国外巨头占据,约90%的产品需要进口,全球前五的总份额可达74%。特别是在高端、大功率的IGBT产品上,英飞凌、瑞士ABB等国外领先企业具有绝对优势。

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  然而,就中国而言,在国家政策的引导和国内企业的努力下,IGBT工业的发展取得了长足的进步。国产化前景不确定,部分企业实力可观。

  比如,CRRC时报是国内唯一一家全面掌握IGBT芯片研发、模块封装、测试和应用的企业,在IGBT高压等级产品中也有较强实力。目前已实现高铁、轨到轨牵引变流器国产化替代。

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  除了CRRC时代,比亚迪半导体在中国IGBT也有很强的实力。他们是目前中国最大也是唯一自给自足的IGBT供应商。在技术方面,他们的IGBT产品在某些性能上已经可以与国际制造商相媲美。当然,他们和顶级企业整体还是有差距的。目前他们的产品以自供为主,未来有望增加外部供应,这明显助推了中国突破IGBT卡脖子的风险。

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  此外,斯达半导体在IGBT芯片方面也取得了一些突破。目前已经能够量产国际标准的第六代芯片FS-Trench。今年上半年,其IGBT模块的整车规格水平将匹配20多万辆新能源汽车。

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  ▲图片来自:斯达半导体官网。

  新能源汽车电控系统行业中下游风险不大,我国自主化程度相对较高。其中,行业中游主要是电控系统的制造集成,主要由比亚迪、BAIC新能源等整车厂商和上海电驱等第三方集成商组成,其中整车厂商占据了50%的市场份额。

  总的来说,虽然我国新能源汽车电控系统行业在某些方面与国际领先企业巨头还有差距,但追赶也不是没有希望。相信随着国内替代浪潮的推进,我们能够逐步追赶,真正实现自给自足。

四、未来

  看完上面123导航网的介绍,相信大家也能发现,新能源汽车的“三大动力”是息息相关的,尤其是电机和电控这两个经常放在一起的部分。

  事实上,“融合”是他们未来发展的一个核心趋势。

  集成,简单来说就是将新能源汽车的三大电气系统乃至外部的核心部件集成为一体,例如将电机和电控系统的开关器件、电路、控制器、传感器和电源集成到标准模块中,形成一体化的系统模块,从而提高汽车电气系统的运行效率和传统效率,减轻重量,节省空空间和成本,具有很多优势。

  想想看,尤其是未来汽车越来越智能化。汽车中的传感器和处理器肯定越来越多,集成是必然的方式。

  在集成方面,英飞凌、吉泰克、汇川科技等行业领先的电控系统供应商已经取得了一定的成果,二合一、多合一的电控系统产品已经得到应用。

  更令人兴奋的是,在这种趋势下,我们也看到了华为。2019年,华为成立智能汽车解决方案BU。虽然没有自己造车,但为很多汽车公司提供了技术支持和产品解决方案。

  现在,打开华为智能电气官网,可以看到华为的主要解决方案包括多合一电驱系统、三合一电驱系统、终端云电池管理系统、电机控制器、车载充电器和DC快充模块等。

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  其中,华为DriveONE一体机电驱动系统和三合一电驱动系统是顺应新能源汽车一体化大趋势的产品解决方案。以多合一电驱动系统为例,集成了MCU、电机、减速器、DCDC、OBC、PDU、BCU七大部件,实现了机械部件与动力部件的深度集成。另一方面,将智能带入电驱动系统,统一端云协调和控制。

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  而他们的DriveONE三合一电驱动系统集成了电机控制器(MCU)、电机和减速器,也能为新能源汽车带来高密度、高效率的长续航驾驶体验。

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  据123导航网了解,华为相关解决方案和产品已应用于SAIC大通的siris SF5、MAXUS EUNIQ5等机型。此外,华为OBC产品如ARCFOX αT、广汽Aion LX/Aion等。也都已经使用,并且ARCFOX极狐已经与华为进一步合作。

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  华为在新能源汽车领域主要聚焦智能驾驶、智能座舱、智能网联、智能电力、智能车云。相信凭借其在软件控制算法方面的优势,能够在电控系统和集成化方向取得更好的成绩。

  最后,值得一提的是,新能源三电系统的电机,也就是轮毂驱动(gǔ)。

  正如我们前面提到的,轮式电机是未来的一个重要发展趋势。所谓轮式驱动,简单来说就是在轮毂内安装一个电机,将传递的扭矩直接传递给车轮,可以省去车身内的离合器、变速器等很多传动部件,提高传动效率,释放汽车的空空间。

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  总的来说,未来新能源汽车的“三大动力系统”将是集成化、数字化、智能化,这既是新能源汽车发展的需求,也是先进技术与能源革命深度融合的趋势。

结语

  2021年新能源汽车购置补贴标准在2020年基础上下降20%。但开源证券数据显示,今年1-8月新能源乘用车零售销量为147.9万辆,同比增长202.1%,基本没有受到补贴下降的影响。这似乎表明,市场化趋势正在取代过去以补贴为主的市场,新能源汽车的新时代即将到来。

  在这样的背景下,看着中国新能源汽车背后“三电系统”产业链的发展,无疑会让我们对本土新能源汽车产业的未来发展充满期待。

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  事实上,2010年前后,我国在新能源汽车三大动力系统上的发展还比较落后,但在十几年的时间里,在国家政策的引导和核心企业的努力下,已经迎头赶上。虽然目前还存在一些不足,但123导航网认为,就像我们过去坚持不懈取得的成绩一样,未来要真正在新能源汽车行业走在前列,离我们已经不远了。

(文章来源:IT之家)

文章来源:IT之家

标签: #传统#供给#全国#周期性#地方#新能源车#核心#煤炭#背后#能源