“科技深水区”是最新深度内容IT号,关注“科技深水区”,行业焦点,前沿技术,深入浅出,一网打尽

最近全国多地拉闸限电的事,让更多人的目光聚焦在“能源”问题上。

限电背后,主要还是煤炭这种传统能源周期性供给波动引起的,最终解决之道,也要靠优化能源结构。这更加让人期盼新能源、可持续能源的广泛应用。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

而令人欣慰的是,其实我们已经身处“能源革命”这个波澜壮阔新时代的大开端

田野乡间林立的风力发电机、漫山遍野的光伏电站、逐步攀升的地热能供暖制冷面积、还有街上越来越多的新能源汽车……

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

就像互联网萌芽时期只有少数人感知到一样,这样一个能源革命的新时代开端,也许大部分普通消费者还没有更深刻的体会,但我们的世界已经因为这些萌芽而悄然发生着改变。

距离我们普通消费者最近的,也许就是新能源汽车了。

说到新能源汽车,过去一年到现在它很火。

根据乘联会在 10 月 12 日公布的数据,今年 9 月,新能源乘用车批发销量达到 35.5 万辆,环比增长 14.7%,同比增长 184.4%。同时 1-9 月渗透率已提升至 11.6%。

在此背景下,越来越多的消费者把目光投向新能源车。而大家讨论的各种话题,其实大部分都和一个系统有关,那就是三电系统

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

三电系统是新能源车,或者说电动车的核心,它包括电池、电机和电控三个部分。无论从技术层面还是产业层面,三电系统都是新能源车区别于传统燃油车最关键的特征,无论是买车还是了解新能源车,都要从三电系统入手。

今天就为大家详细解释一下新能源汽车的“三电”有何玄机。

一、电池

电池,绝对是新能源车“三电系统”中大家最关注的,它很大程度决定了新能源车的续航能力。一般来讲,动力电池容量、能量密度是影响整车续航里程的主要因素,大家买车也主要看它。

而我们说的动力电池,特指为整车提供动力来源的高压电池,另外新能源车上通常还有几块低压电池。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 图自:宁德时代官网

动力电池中,电芯是最重要的,由四大材料构成:正极材料、负极材料、隔膜、电解液

目前新能源车上使用的基本都是锂电池,以前还有什么镍氢电池、铅酸电池,现在几乎被淘汰了。

1、正极材料

电芯四大材料的正极材料,就是为锂电池提供锂离子的,它关系到电池的能量密度、寿命、安全性等等,成本占整个动力电池的 40%,是最多的。

当前,市面上的正极材料主要有四种:磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂以及三元材料

如果大家关注新能源车,相信会经常听到这几个词。不过在介绍这几个材料前,还要说个技术名词:比能量。

前面我们说,电池的能量密度是影响续航的主要因素,而正负极材料的比能量,则是影响电池能量密度的主要因素。

比能量,就是单位质量的电极材料能释放的电能的大小(有时候比能量也被理解为能量密度)。正负极材料比能量越高,电池能量密度就越高,电池的续航也就越持久。

再回到电池的四种正极材料,前面三种一看就是各种化学元素,最后一种三元材料是啥?其实它是用三种不同化学元素配比做的材料,主要有为镍钴锰 NCM 和镍钴铝 NCA。

这四种正极材料各自的特性如下表所示:

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

这些电池材料目前应用情况怎样呢?从下面这张图能看出,三元正极材料和磷酸铁锂电池当下在国内处于主流地位,也是未来发展的趋势。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

三元材料电池胜在比能量高,成本低,采用这种电池的车一般在续航里程上比较有优势;而磷酸铁锂电池优势在于安全性高、寿命长,并且价格比三元正极材料电池更低,缺点是比能量小,续航差,耐寒能力差。

一个比较典型的例子是之前特斯拉 Medel 3,采用 53KWh 容量三元锂电池的进口版续航里程(480KM)比 55KWh 磷酸铁锂电池的国产班续航里程(468KM)还要长,充分说明三元锂电池在续航方面的优势。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

不过磷酸铁锂电池在安全性方面的优势也比较明显。在比亚迪官方曾展示的电池针刺实验中,三元锂电池在被刺穿后,电池剧烈燃烧,而普通的磷酸铁锂电池被刺穿后表面有烟无明火,温度只有 200℃-400℃。极端情况下,电池能够不燃烧、爆炸,这很关键。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

而比亚迪旗下的刀片电池表现就更好了,被刺穿后几乎没什么明显反应,无烟无明火,表面温度只有 30℃-60℃。

刀片电池是磷酸铁锂电池技术进化的一个“表现”,与之类似的还有宁德时代的“CTP”电池,两者孰优且不说,但他们都有一个共同的努力方向,就是提升磷酸铁锂电池组的能量密度,从而改善续航。

两者思路差不多。过去,我们要把电池做成模组,然后放在一起组成电池包,这些模组很占空间。

就像有些零食外面一个大包装,里面还有很多小包装,最后能吃到嘴里的没多少。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

提升密度的方法就是把模组减少,甚至去掉。宁德时代“CTP”电池的方法是把电池做大,模组做少,模组本身占的空间小了,能量密度就能提升。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

刀片电池则是直接去掉模组,把电池做成刀片一样薄薄的,然后横向叠放,让这些电池既能发电,也能支撑电池组整体架构(模组原来起到支撑架构的作用)。因为模组没了,里面全是电池,密度自然也就上去了,续航也能得到改善。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

为什么不允许电子穿过呢?因为如果电子直接穿过薄膜从正极抵达负极,就会形成短路,那电池岂不原地爆炸?

最后,锂离子和电子殊途同归,在负极相聚,形成电能的存储。

放电的时候反过来,锂离子从负极穿过薄膜回到正极,而电子还是要走外电路,经过外电路的时候形成了电流,就等于放电了。锂离子和电子最后重新在正极相聚。

在这两个过程中,负极材料起到了对电能存储和释放的作用

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类材料,石墨化碳材料有天然石墨和人造石墨之别,人造石墨因在比能量、循环寿命、倍率等方面有综合优势,所以是现在的主流选择。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 人造石墨,图自江西紫宸官网

除了人造石墨,还有一种具有很高的未来前景的负极材料,就是硅碳负极材料。

硅碳负极材料有一个很显著的优势,是比容量。人造石墨理论最大比容量 370mAh/g,硅碳负极材料的比容量理论上最大可达到 950mAh/g,这对电池的续航能力很有帮助。

目前特斯拉已经在 Model 3 中用上了一部分硅碳负极材,这种材料的广泛应用还需要一段时间,大家可以期待未来电动车中采用这种负极材料。

产业链方面,当前全球负极材料的产能基本集中在中国,2018 年我们的市占率已经达到了 73.4%。全球排名前五的企业里只有一家日立化成是来自日本,其余都是中国企业。而在国内,生产负极材料的龙头企业则以指贝特瑞、杉杉股份和紫宸科技三大龙头为代表。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

但是,虽然产能集中在国内,但负极材料生产环节里我们仍然有弱势之处,比如其重要原材料之一的针状焦就主要依赖进口,特别是高端针状焦的自主化还需要时间。

3、隔膜和电解液

隔膜是前面我们讲锂电池充放电原理中让锂离子来回穿梭、阻挡电子和其他粒子的那层“滤纸”。

隔膜按制作工艺可分为干法隔膜和湿法隔膜。干法隔膜多用于磷酸铁锂电池,湿法隔膜多用于三元锂电池。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 隔膜,图自上海恩捷官网

同时,湿法工艺技术一般用在高端隔膜产品上,湿法隔膜的整体性能越要明显高于干法隔膜,是未来的主要趋势。而当前,我国在湿法隔膜技术上已经拥有很好的突破,国产替代正在进行中。

至于电解液,在电池中起到在正负极之间传导锂离子的作用,相当于离子传输的载体。在动力电池的四大材料中,电解液的国内产业发展是最成熟的。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

二、电机

1、电机类型

电机指的是新能源车的驱动电机,也就是电动机。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。

新能源车电动机的原理有点复杂,这里不便展开,它主要由定子、转子、机壳、连接器、旋转变压器等组成,其中定子和转子是最重要的。

新能源车的驱动电机按整体技术来划分有四大类:直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机

当然,按照细节技术去划分还可以分成更多的类别,比如按照驱动方式划分可分为集中式电机和轮毂式电机,这里就不多展开了。

上面的四大类中,直流电机已经被淘汰了,开关磁阻电机因为噪声大等原因在电动车上也非常少见了。

交流异步电机和永磁同步电机是目前新能源车主要的电机类型。而且,交流异步电机现在其实也比较少见了,主要被用在大型高速的电动汽车以及欧美车系里。

所以我们作为消费者,永磁同步电机是最常见到的。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

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

刚才我们说电动机的关键部件是定子、转子。如果用一句话说明电动机的原理,就是:定子利用通电后产生的旋转磁场让转子跑起来

交流异步电机和永磁同步电机的区别在于转子。交流异步电机的转子上是导线,需要在电磁感应原理的作用下才能追着定子旋转磁场跑,并且永远追不上旋转磁场的转速,所以叫“异步”。

嗯,怎么说呢,爱上一个永远追不到手的女孩,就是这种感觉

而永磁同步电机的转子上嵌入的是永磁体,不需要什么电磁感应之类的步骤。当定子的旋转磁场产生时,永磁体也会跟着同步旋转。这时转子和定子磁场的转速一样。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 图自:头豹研究院

刚才那是爱上永远追不到的女孩,这次就是夫妻双双,同心同力了。哪一种更美好不用多说了吧。

在实际使用中,永磁同步电机整体性能确实要更好一些,它拥有很高的效率,但成本也比较高。而交流异步电机效率相对较低,不过成本也低,同时有一个优点,就是耐用性好。

还有一种叫扁线绕组电机,它是针对定子绕组来说的,传统的绕组线圈为多根细圆线,而扁线绕组将这些线变成了扁平的矩形导线,这样可以提高能量密度,提高发热效率,同时提升功率。

扁线绕组电机工艺比较复杂,目前应用不太多,但是驱动电机的未来趋势。目前市面上有如丰田在 2015 年发现的第四代普锐斯、荣威 Ei5 等车型采用了该技术的电机。

2、电机产业

目前,中国新能源驱动电机的生产企业有 30 多家,而能为整车企业批量供货的大概有 15 家左右。

在过去十多年的发展积累下,我国在新能源汽车驱动电机方面的发展已经取得了长足的进步,虽然在产业链部分环节仍然落后于国际顶尖的水平,但整体上已经能够实现领跑,核心技术能自主可控。

可以说,我国在驱动电机产业的发展前景还是比较值得期待的。以 2020 年国内驱动电机市场格局来说,排名前五的装机企业中,只有特斯拉来自国外。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

按照市场前十的情况来看,电机企业主要以整车企业、第三方独立电机企业以及整车和三方企业合资的电机企业这三种为主。

从产业上中下游来看,驱动电机产业上游包括原材料和零部件供应,最重要的要数永磁体和轴承及轴承盖;产业中游可划分为电机制造商,下游则主要为主机厂。

上游零部件,最主要的原材料为汝铁硼永磁体,这是第三代稀土永磁材料。中国拥有全世界最多的稀土资源储量,储量占世界的 36.7%,产量占 80.5%,同时系统加工和提炼技术也是国际领先水平。这是我国驱动电机产业发展的一大优势。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 图自:头豹研究院

而轴承和轴承盖方面,目前我国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的轴承,我国在这方面产品研发尚不完善。相比国际领先企业如瑞典斯凯孚、日本 NSK 等,在性能、耐用性、材质等方面差距仍然比较大

再说中游的电机制造,目前我国本土的制造商在核心技术和制造工艺方面都有不错的表现,能够自主开发满足各类新能源汽车所需的电机产品;至于下游,中国在新造车势力的影响下涌现出众多新能源汽车主机企业,并且中国是全球最大的新能源汽车市场,这一点也是重要优势。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

三、电控系统

如果简化看,新能源汽车有了电池、有了驱动电机,就能跑了。但是怎么跑,怎么变速,什么时候刹车,如何爬坡等等一切情况,还需要有个系统来控制,这就是电控系统。

新能源汽车电控系统,就是控制汽车驱动电机的装置,它就相当于新能源汽车的大脑,对整个车辆的运行和动力输出进行合理的控制。

和传统的燃油车相比,新能源汽车电气系统变化巨大,对电控系统的要求也更高更复杂。

新能源车的电控系统核心组件包括逆变器、驱动器、电源、控制器、保护模块、散热系统、信号检测模块等等,但最核心的部件有三个:逆变器、驱动器和控制器。

和驱动电机类似,电控系统产业链也分上中下游,上游主要是各种电子元器件供应商,中游主要是系统集成和制造商,下游则是新能源汽车主机厂,也就是我们常见的各种汽车品牌。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

整个产业链中,最关键的是上游的元器件供应,这里重点要说的是电控系统“三大件”中逆变器的核心模块:IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

这种小小的功率半导体器件,可以说是电控系统的关键了,成本可以占到整个电控系统的 40-50%。而这样重要的元器件,目前我们的自主化情况如何呢?

答案不是很理想,根据 2019 年的数据,中国 IGBT 市场供应商主要由三菱、英飞凌、富士、赛米控等国外巨头占据,大约 90% 的产品需要依赖进口,并且全球前五名的合计份额可达到 74%。特别是在高端大功率 IGBT 产品上,英飞凌、瑞士 ABB 等国外领先企业拥有绝对的优势。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

不过,就我国目前来说,在国家政策的引导和国内企业的努力下,IGBT 行业发展已经取得了长足进步,国产化的前景并非不明朗,也有一些企业具有相当的实力。

例如中国中车时代就是国内唯一全面掌握 IGBT 芯片研发、模块封装、测试和应用的企业,并且在高电压等级的 IGBT 产品上也拥有很强的实力,目前在高铁、轨交牵引变流器上已经实现了国产替代。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

除了中车时代,国内还有比亚迪半导体在 IGBT 方面也拥有强大的实力,他们是我国目前最大、且唯一能自给自足的车规级 IGBT 供应商,在技术方面,他们的 IGBT 产品在部分性能上已经可与国际大厂媲美,当然整体上和顶尖企业的差距还是有的。另外目前他们的产品主要还是自供,未来有望加大对外供应量,这对于我国突破 IGBT 卡脖子的风险显然具有提振作用。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

此外还有斯达半导体,在 IGBT 芯片方面也取得了一定的突破,目前已经能量产国际标准的第六代芯片 FS-Trench,并且在今年上半年,他们的车规级 IGBT 模块便合计配套超过 20 万辆新能源汽车。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

▲ 图自:斯达半导体官网

新能源汽车电控系统产业的中游和下游,就没有太多风险了,我国的自主化程度也相对较高。其中,产业中游主要是电控系统的制造集成,这部分主要由比亚迪、北汽新能源等整车厂和上海电驱动等第三方集成商构成,其中整车制造厂已经占据了 50% 的市场份额。

总体来说,我国新能源汽车电控系统产业虽然在部分方面和国际领先的企业巨头仍有差距,但并不是追赶无望,相信随着国产替代浪潮的推进,我们能逐渐赶超,真正实现自给自足。

四、未来

看了上面的介绍,相信大家也能发现,新能源车的“三电”彼此关系很密切,特别是电机和电控,常常被放在一起说。

而事实上,“集成化”正是他们未来发展的一个核心趋势。

集成化,简单的说就是把新能源汽车三电系统乃至以外的核心零部件整合到一块,例如电机和电控系统的开关器件、电路、控制器、传感器、电源等集成到标准的模块中,形成一个多合一的系统模块,从而提升汽车电气系统的运行效率和传统效率,还能降低重量,节省空间和成本,优势很多。

大家想想,特别是以后汽车越来越智能,车里的传感器、处理器器件肯定越来越多,集成化是必然要走的路。

在集成化方面,目前产业中如英威腾、吉泰科、汇川技术等领先的电控系统供应商已经取得了一定的成果,并且已有二合一、多合一电控系统产品在应用。

更让人振奋的是,在这个趋势下,我们还看到了华为的身影。2019 年,华为就成立了智能汽车解决方案 BU,虽然不自己造车,但已经为很多汽车企业提供了技术支持和产品解决方案。

现在打开华为智能电动的官网,可以看到目前华为的主要解决方案包括多合一电驱动系统、三合一电驱动系统、端云电池管理系统、电机控制器、车载充电器和直流快充模块等多种产品。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

其中,华为 DriveONE 多合一电驱动系统和三合一电驱动系统,就是顺应新能源车集成化大趋势的产品解决方案。以多合一电驱动系统为例,它集成了 MCU、电机、减速器、DCDC、OBC、PDU、BCU 七大部件,实现了机械部件和功率部件的深度融合。另一方面,把智能化带入到电驱动系统中,实现端云协同与控制归一。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

而他们的 DriveONE 三合一电驱动系统,则集成了电机控制器(MCU)、电机和减速器,同样可以为新能源车带来高密高效的长续航驾乘体验。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

而根据的了解,目前华为的相关解决方案和产品已经应用在如赛力斯 SF5、上汽大通 MAXUS EUNIQ5 等车型中,此外像 ARCFOX αT、广汽 Aion LX/Aion 等也使用了华为 OBC 产品,ARCFOX 极狐还与华为有更深入的合作。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

华为在新能源汽车领域主要是围绕智能驾驶、智能座舱、智能网联、智能电动和智能车云这几大方向,相信凭借他们在软件控制算法方面的优势,能够在电控系统以及集成化的方向上作出更好的成果。

最后值得一提的是新能源三电系统在电机方面还有一个不可忽视的趋势,就是轮毂 (gǔ) 毂驱动。

轮毂式电机我们前面提到过,它是未来重要的发展趋势,所谓轮毂式驱动,简单说就是在车轮的轮毂里面安装电机,将传输的转矩直接传导到车轮,这样可以为车身内省却离合器、变速器等众多传动部件,提升传动效率的同时,还能释放汽车的空间。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

总体来说,未来新能源汽车的“三电系统”总体会走向整合、数字化、智能化,这既是新能源车发展的需求,也是先进科技与能源革命深度融合的趋势使然。

结语

2021 年,新能源车购置补贴标准在 2020 年基础之上又退坡 20%,但根据开源证券的数据显示,今年 1-8 月新能源乘用车零售销量为 147.9 万辆,同比增加了 202.1%,基本上并没有收到补贴退坡的影响,这似乎说明,以市场为主导的风向正在取代过去补贴主导的市场,新能源汽车新时代正在到来。

在此背景下,再看我国新能源汽车背后“三电系统”产业链的发展状况,无疑更加让我们对本土新能源汽车产业的未来发展充满期待。

科技深水区:新能源车的核心即“三电”?一文搞懂!-风君子博客

其实在 2010 年前后,我国在新能源汽车三电系统方面的发展还比较落后,但十多年的时间,在国家政策的指引和核心企业的努力下,已经迎头赶上。目前虽然仍有不足,但相信,正如我们过去坚持不懈取得的成果一样,未来,距离我们真正取得新能源汽车产业的领先,相信并不会遥远。

参考

  • 招商银行研究院,209-02-22,《新能源汽车之动力电池四大材料:技术、产能、份额三大主线挖掘优质标的》

  • 头豹研究院,2020-03,《2020 年中国新能源汽车电控系统行业概览》

  • 东方证券,2021-06-01 ,《新能源驱动电机:老赛道孕育新确定性,聚焦电机或大有可为》

  • 东方证券,2020-03-20,《动力电池系列报告(3):为何电池环节注定赢家通吃?》

  • 头豹研究院,2020-02,《2020 年中国新能源汽车驱动电机行业概览》

  • 旺材电机及其控制,2018-07-14,《干货 | 新能源汽车三电系统详解,图文并茂,拿走不谢…》

  • 搜狐汽车,2020-03-30,《比亚迪刀片电池详解 技术顺势而为/行业乘势而上》

  • 特友料,2021-06-26,《最全整理!特斯拉 Model3 历代车型配置对比》