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电动汽车难道只是组装电池和电机这么简单

2018/11/7 11:15:51 山东得普达电机股份有限公司 阅读 195
天时地利人和,中国电动汽车企业全部占尽,中国似乎已经成为了世界电动汽车产业的中心——

事实上,在德国,如果你的单位不提供充电桩,你可能就需要自己买一个充电桩放在家门口了。然而,我们总是在讨论为什么德国那么多优秀车企造却不出特斯拉,现在看原因并不难找。
慕尼黑工业大学Lienkamp教授在2014年出版了一本向社会免费开放的新书《Status of electrical mobility 2014》中说道:“虽说电动汽车有种种的缺陷,但我还从未见过一个已经拥有一辆电动汽车的驾驶员,重新投向传统汽车的怀抱。即使是一辆最普通的电动汽车带给你的驾驶的快乐,也是一辆汽油车无法比拟的。”这样的汽车,真的能够让车主不重新投回传统汽车的怀抱么?

众所周知,电动汽车的核心是电池。

一辆普通的电动汽车,在欧洲标准测试下,百公里能耗约为17kWh,即17度电。ThomasPesce博士研究了紧凑型车在最优配置下的能耗,不考虑成本的情况下,利用现有的可购买的技术,得到的百公里能耗最优结果为15kWh稍多。这就意味着,在短期试图通过优化汽车本身效率来降低能耗,即使不考虑所带来的额外成本,节能效果也是比较微小的。
拿特斯拉85kWh的电池组为例,标称行驶距离为500km,如果能耗经过多方努力降低为15kWh/100km,则行驶距离可以提升至560km。所以可以说,汽车的续航能力是和电池组的容量成正比的,且比例系数相对固定。那么从这个角度看,使用能量密度较高(单位重量的能量Wh/kg与单位体积的能量Wh/L都需要考虑)的电池,对提升电动汽车的性能就具有重要的意义,因为在电动汽车中,电池占据了很大一部分的总重量。



各种锂离子电池既是大家期望最深,也是现在采用最广泛的电池。汽车采用的锂电池主要有镍钴锰酸锂三元电池(NCM),镍钴铝酸锂电池(NCA)和有磷酸铁锂电池(LPF)。

1、镍钴锰酸锂三元电池NCM

因为较低的产热率,相对较好的稳定性,较长的寿命,以及150–220Wh/kg的能量密度,NCM电池被国外众多电动汽车采用。


2、NCA镍钴铝酸锂电池

特斯拉采用的即为此电池。能量密度很高,在200-260Wh/kg,并且有望很快达到300Wh/kg 。主要问题是,目前只有松下一家能够生产此电池,价格高企,且安全性在这三种锂电池中最差,需要高性能的散热与电池管理系统。



3、LPF磷酸铁锂电池最后来看国产电动汽车使用最多的LPF电池。这类电池最大的缺点就是能量密度很低,只能达到100-120Wh/kg。此外,LPF还具有较高的自放电率。这都是电动汽车制造者所不希望的。LPF在国内的广泛采用更像是国内厂商对昂贵的电池管理与散热系统的妥协——LPF电池具有非常高的稳定性和安全性,即使使用较差的电池管理系统,也能够保证稳定的运行和较长的电池寿命。这一特点带来的另一好处是,部分LPF电池具有极高的放电功率密度,可以提高汽车动力性能。此外,LPF电池的价格也比较低,因此适合国内电动汽车目前低端、低价的策略。但是是否要作为未来的电池技术大力发展,还需打个问号。


一款普通电动汽车的电池应该多大?是采用特斯拉数千个电池串并联的电池组还是采用比亚迪很少的几个大电池搭建出的电池组?这是一个尚在研究中的问题,目前并没有一个确切的答案。这里只介绍大电池和小电池构成电池组的各自特点。

当电池较小时,电池的总散热面积会比较大,可以通过合理的散热设计对整个电池组的温度进行有效的控制,防止高温加速减损电池的寿命。一般单体容量较小的电池功率、能量密度也会更高。最后,更重要的一点,一般来说,单体电池的能量越少,整车的安全性就更高。一个由大量小电池构成的电池组,即使一个单体出了问题,也不至于造成太大的问题。但是如果一个容量很大的电池内部出了问题,安全隐患则大得多。因此大电池需要更多的保护装置,这就进一步降低了大电池构成的电池组的能量密度。

但是,采用特斯拉的方案,劣势也是明显的。数千个电池,需要极其复杂的电池管理系统,带来的额外成本也不可小觑。在大众E-Golf上采用的BMS(电池管理系统),一个子模块能够管理12个电池,价格是17美元。按照特斯拉采用的电池数量估算,即使自主研发的BMS成本较低,特斯拉投入在BMS上的成本也在5000美元以上,占整车成本的5%以上。由此看来,并不能一味的说大电池不好。在BMS价格尚未明显降低的情况下,应该根据汽车的定位来决定电池组的大小。

电机作为电动汽车中另一项核心技术,常常成为讨论的核心,尤其是特斯拉那台西瓜大小却有着跑车性能的电机,更是让人瞠目结舌(Model S的电机峰值功率能够达到300kW以上,最大转矩600Nm,峰值功率已经接近高速动车组单台电机的功率)。有德国汽车业内研究者的评价如下:

Tesla uses almost nothing except conventional components (aluminum body,

asynchronous motor for propulsion, conventional chassis technology with air

suspension, ESP and a conventional brake system with electrical vacuum pump,laptop cells etc.)

特斯拉使用的都是传统的零件,铝制车身、异步电机、传统的汽车结构、刹车系统和笔记本电脑电池等等。

The only genuine innovation lies in the technology linking up the battery

cells, which uses bonding wires that Tesla has patented, as well as battery

management system that can be flashed "over the air", meaning that the

vehicle no longer needs to drive to a workshop to receive software updates.

特斯拉唯一的天才发明,在于他们对电池的处理上。他们使用了特殊的电池连接线,和能够直接无线联网而不需要返厂更新软件的BMS。

其实特斯拉的高功率密度异步电机也并没有太新奇。在特斯拉最早的Roadster车型上,采用的就是台湾富田电机的产品,参数和Model S公布的参数并没有太大差距。在目前的研究中,国内外学者均有低成本高功率电机的设计方案,可以迅速拿来投入生产。所以在看待这个领域时,要避免神话特斯拉——特斯拉的电机确实足够好,但并没有好到让别人都造不出来。

在众多的电机类型里,通常用于电动汽车的主要有异步电机(也称感应电机)、外励磁同步电机、永磁同步电机和混合型同步电机。前三种电机的相信对电动汽车有所了解的人,都会有一些基本的概念,异步电机成本低可靠性高,永磁同步电机功率密度和效率高,体积小但是价格高昂,高速段控制复杂。

混合型同步电机大家可能听说较少,但最近,许多欧洲的电机供应商开始提供这样的电机,功率密度和效率非常高,过载能力强,但是控制难度并不大,非常适合电动汽车。

这款电机也并无特殊之处,和永磁同步电机相比,转子上除了永磁体以外,还增加了类似于传统同步电机的励磁绕组。这样的电机,既拥有了永磁体带来的高功率密度,又可以通过励磁绕组根据需求调节磁场,可以较为容易的在各个速度段进行控制。典型的如瑞士BRUSA公司生产的HSM1系列电机,其中HSM1-10.18.22特性曲线如下图,最大功率220kW,最大转矩460Nm,但其体积仅为24L(直径30厘米,长34厘米),重约76kg。功率密度和转矩密度与特斯拉的产品基本相当。当然,价格也不菲,这一台电机配上变频器,售价在11000欧元左右。
对于电动汽车的需求,电机技术积累已经足够成熟。目前缺乏的只是专为电动汽车设计的电机,而不是制造这样电机的技术。相信随着市场的逐渐成熟和发展,高功率密度的电机会越来越普及,售价也会越来越亲民。

对于电动汽车的需求,目前只是缺乏专为电动汽车设计的电机,。相信随着市场的逐渐成熟和发展,高功率密度的电机会越来越普及,售价也会越来越亲民。

    电动汽车的研究需要回归本质。电动汽车的本质是安全的、人们用得起的交通工具而已,而不是一个移动的科技实验室,并不一定要采用最先进、最时髦的科技。归根结底,还是应该按照地区的需求,接地气的进行规划设计。

    特斯拉的出现,已经向人们表明,未来一定是属于电动汽车的。而未来的电动汽车是什么样子的,未来的中国能够在电动汽车产业中占有怎样的地位,还都是未知数。这也正是产业工作的魅力所在:和自然科学不同,即使是社会科学规律所昭示的必然结果,也需要人们经过艰苦的探索和努力才能实现!

(作者:慕尼黑工业大学攻读电动汽车工程博士)