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電動汽車難道只是組裝電池和電機這么簡單

2018/11/7 11:15:51 山東得普達電機股份有限公司 閱讀 195
天時地利人和,中國電動汽車企業全部占盡,中國似乎已經成為了世界電動汽車產業的中心——

事實上,在德國,如果你的單位不提供充電樁,你可能就需要自己買一個充電樁放在家門口了。然而,我們總是在討論為什么德國那么多優秀車企造卻不出特斯拉,現在看原因并不難找。
慕尼黑工業大學Lienkamp教授在2014年出版了一本向社會免費開放的新書《Status of electrical mobility 2014》中說道:“雖說電動汽車有種種的缺陷,但我還從未見過一個已經擁有一輛電動汽車的駕駛員,重新投向傳統汽車的懷抱。即使是一輛最普通的電動汽車帶給你的駕駛的快樂,也是一輛汽油車無法比擬的。”這樣的汽車,真的能夠讓車主不重新投回傳統汽車的懷抱么?

眾所周知,電動汽車的核心是電池。

一輛普通的電動汽車,在歐洲標準測試下,百公里能耗約為17kWh,即17度電。ThomasPesce博士研究了緊湊型車在最優配置下的能耗,不考慮成本的情況下,利用現有的可購買的技術,得到的百公里能耗最優結果為15kWh稍多。這就意味著,在短期試圖通過優化汽車本身效率來降低能耗,即使不考慮所帶來的額外成本,節能效果也是比較微小的。
拿特斯拉85kWh的電池組為例,標稱行駛距離為500km,如果能耗經過多方努力降低為15kWh/100km,則行駛距離可以提升至560km。所以可以說,汽車的續航能力是和電池組的容量成正比的,且比例系數相對固定。那么從這個角度看,使用能量密度較高(單位重量的能量Wh/kg與單位體積的能量Wh/L都需要考慮)的電池,對提升電動汽車的性能就具有重要的意義,因為在電動汽車中,電池占據了很大一部分的總重量。



各種鋰離子電池既是大家期望最深,也是現在采用最廣泛的電池。汽車采用的鋰電池主要有鎳鈷錳酸鋰三元電池(NCM),鎳鈷鋁酸鋰電池(NCA)和有磷酸鐵鋰電池(LPF)。

1、鎳鈷錳酸鋰三元電池NCM

因為較低的產熱率,相對較好的穩定性,較長的壽命,以及150–220Wh/kg的能量密度,NCM電池被國外眾多電動汽車采用。


2、NCA鎳鈷鋁酸鋰電池

特斯拉采用的即為此電池。能量密度很高,在200-260Wh/kg,并且有望很快達到300Wh/kg 。主要問題是,目前只有松下一家能夠生產此電池,價格高企,且安全性在這三種鋰電池中最差,需要高性能的散熱與電池管理系統。



3、LPF磷酸鐵鋰電池最后來看國產電動汽車使用最多的LPF電池。這類電池最大的缺點就是能量密度很低,只能達到100-120Wh/kg。此外,LPF還具有較高的自放電率。這都是電動汽車制造者所不希望的。LPF在國內的廣泛采用更像是國內廠商對昂貴的電池管理與散熱系統的妥協——LPF電池具有非常高的穩定性和安全性,即使使用較差的電池管理系統,也能夠保證穩定的運行和較長的電池壽命。這一特點帶來的另一好處是,部分LPF電池具有極高的放電功率密度,可以提高汽車動力性能。此外,LPF電池的價格也比較低,因此適合國內電動汽車目前低端、低價的策略。但是是否要作為未來的電池技術大力發展,還需打個問號。


一款普通電動汽車的電池應該多大?是采用特斯拉數千個電池串并聯的電池組還是采用比亞迪很少的幾個大電池搭建出的電池組?這是一個尚在研究中的問題,目前并沒有一個確切的答案。這里只介紹大電池和小電池構成電池組的各自特點。

當電池較小時,電池的總散熱面積會比較大,可以通過合理的散熱設計對整個電池組的溫度進行有效的控制,防止高溫加速減損電池的壽命。一般單體容量較小的電池功率、能量密度也會更高。最后,更重要的一點,一般來說,單體電池的能量越少,整車的安全性就更高。一個由大量小電池構成的電池組,即使一個單體出了問題,也不至于造成太大的問題。但是如果一個容量很大的電池內部出了問題,安全隱患則大得多。因此大電池需要更多的保護裝置,這就進一步降低了大電池構成的電池組的能量密度。

但是,采用特斯拉的方案,劣勢也是明顯的。數千個電池,需要極其復雜的電池管理系統,帶來的額外成本也不可小覷。在大眾E-Golf上采用的BMS(電池管理系統),一個子模塊能夠管理12個電池,價格是17美元。按照特斯拉采用的電池數量估算,即使自主研發的BMS成本較低,特斯拉投入在BMS上的成本也在5000美元以上,占整車成本的5%以上。由此看來,并不能一味的說大電池不好。在BMS價格尚未明顯降低的情況下,應該根據汽車的定位來決定電池組的大小。

電機作為電動汽車中另一項核心技術,常常成為討論的核心,尤其是特斯拉那臺西瓜大小卻有著跑車性能的電機,更是讓人瞠目結舌(Model S的電機峰值功率能夠達到300kW以上,最大轉矩600Nm,峰值功率已經接近高速動車組單臺電機的功率)。有德國汽車業內研究者的評價如下:

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.)

特斯拉使用的都是傳統的零件,鋁制車身、異步電機、傳統的汽車結構、剎車系統和筆記本電腦電池等等。

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.

特斯拉唯一的天才發明,在于他們對電池的處理上。他們使用了特殊的電池連接線,和能夠直接無線聯網而不需要返廠更新軟件的BMS。

其實特斯拉的高功率密度異步電機也并沒有太新奇。在特斯拉最早的Roadster車型上,采用的就是臺灣富田電機的產品,參數和Model S公布的參數并沒有太大差距。在目前的研究中,國內外學者均有低成本高功率電機的設計方案,可以迅速拿來投入生產。所以在看待這個領域時,要避免神話特斯拉——特斯拉的電機確實足夠好,但并沒有好到讓別人都造不出來。

在眾多的電機類型里,通常用于電動汽車的主要有異步電機(也稱感應電機)、外勵磁同步電機、永磁同步電機和混合型同步電機。前三種電機的相信對電動汽車有所了解的人,都會有一些基本的概念,異步電機成本低可靠性高,永磁同步電機功率密度和效率高,體積小但是價格高昂,高速段控制復雜。

混合型同步電機大家可能聽說較少,但最近,許多歐洲的電機供應商開始提供這樣的電機,功率密度和效率非常高,過載能力強,但是控制難度并不大,非常適合電動汽車。

這款電機也并無特殊之處,和永磁同步電機相比,轉子上除了永磁體以外,還增加了類似于傳統同步電機的勵磁繞組。這樣的電機,既擁有了永磁體帶來的高功率密度,又可以通過勵磁繞組根據需求調節磁場,可以較為容易的在各個速度段進行控制。典型的如瑞士BRUSA公司生產的HSM1系列電機,其中HSM1-10.18.22特性曲線如下圖,最大功率220kW,最大轉矩460Nm,但其體積僅為24L(直徑30厘米,長34厘米),重約76kg。功率密度和轉矩密度與特斯拉的產品基本相當。當然,價格也不菲,這一臺電機配上變頻器,售價在11000歐元左右。
對于電動汽車的需求,電機技術積累已經足夠成熟。目前缺乏的只是專為電動汽車設計的電機,而不是制造這樣電機的技術。相信隨著市場的逐漸成熟和發展,高功率密度的電機會越來越普及,售價也會越來越親民。

對于電動汽車的需求,目前只是缺乏專為電動汽車設計的電機,。相信隨著市場的逐漸成熟和發展,高功率密度的電機會越來越普及,售價也會越來越親民。

    電動汽車的研究需要回歸本質。電動汽車的本質是安全的、人們用得起的交通工具而已,而不是一個移動的科技實驗室,并不一定要采用最先進、最時髦的科技。歸根結底,還是應該按照地區的需求,接地氣的進行規劃設計。

    特斯拉的出現,已經向人們表明,未來一定是屬于電動汽車的。而未來的電動汽車是什么樣子的,未來的中國能夠在電動汽車產業中占有怎樣的地位,還都是未知數。這也正是產業工作的魅力所在:和自然科學不同,即使是社會科學規律所昭示的必然結果,也需要人們經過艱苦的探索和努力才能實現!

(作者:慕尼黑工業大學攻讀電動汽車工程博士)
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