【干货】汽车技术帖 No.1——新能源汽车主要技术特征

行业近况
预计到 2020 年中国的汽车平均燃油限值将达到百公里 5L,相对 目前将下降 30%以上,新能源汽车特别是纯电动汽车的推广将是 现实的解决方案。我们中金汽车团队未来将定期推出新能源汽车 技术介绍性文章,以更好的跟踪了解这一新兴产业。

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目前我国将插电式混合动力汽车(PHEV,含 EREV)、纯电动汽 车(EV)和燃料电池汽车(FCEV)归为新能源汽车,分别对应 过渡、中期和长期的汽车节能环保技术路线;将普通的混合动力 汽车(HEV)认定为节能型汽车。

混合动力汽车拥有至少两种动力源,目前多半采用传统的内燃机 和电动机作为动力源,一般不依赖外部充电电源。按照混合程度 的不同又分为微混、中混和全混三种类型,不同的混合类型节油 效果不同,所需的电池容量和电压也不同。按照动力系统的联结 方式,混合动力系统分为串联、并联和混联三种方式。

插电混汽车相对普通混合动力系统,可以外部充电,电池容量更 大,在纯电行驶模式下可以行驶 50 公里以上,电池电量耗尽后再 以混合动力模式行驶。插电混是并联式或者混联式混合动力型式, 保留了较多的传统机械部件,结构上更复杂;而串联式的增程式 汽车因其更简单的结构和更高效的性能,开始受到更多整车厂商 的关注。

纯电动汽车以车载电源为动力,电机作为驱动系统,省去了油箱、 发动机、变速器、冷却系统和排气系统,动力系统的布臵大大简 化,而且能量转换效率更高,同时相对传统汽车对环境的影响更 小,成为各国中期的汽车节能环保技术,但目前面临着电池成本 高、续航里程短、充电时间长等问题。燃料电池因为其能够有效 避免续航里程短和充电时间长的问题,长期来看有望取代锂电池 纯电动汽车。

中国从“十五”确定了电动汽车三纵三横的基本技术体系,目前 主推纯电动公交车和小型电动车,在家用轿车市场推进插电式混 合的应用。新能源汽车的核心技术是电池、电机和电控,电池性 能与成本、电池管理系统和电机关键零部件成为制约中国纯电动 汽车推广的瓶颈。
风险 技术路线的不确定性。  

一、节能与新能源汽车是降低油耗和碳排放的主要途径
基于国家能源战略和环保要求,汽车节能减排已经成为了全球推行的战略,各国政府纷 纷出台了符合各自国家战略的燃油限值和碳排放指标,到 2020 年中国的汽车平均燃油 限值将达到百公里 5L,相对目前将下降 30%以上。


为降低能源消耗和减少 CO2 排放,各国政府纷纷推出鼓励或强制推广节能与新能源汽 车政策。从目前各国发展的情况来看,混合动力、电动和燃油电池汽车成为三条主要的 技术路线,分别对应过渡、中期和长期的汽车节能环保技术路线。

二、节能与新能源汽车的动力系统区别
目前我国将插电式混合动力汽车(PHEV,含 EREV)、纯电动汽车(EV)和燃料电池 汽车(FCEV)归为新能源汽车;将普通的混合动力汽车(HEV)认定为节能型汽车。 这些车型均需要动力蓄电池,但是能量来源和动力装臵的布臵有所不同。

混合动力汽车拥有至少两种动力源,使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力 的车辆,目前实际中多半采用传统的内燃机和电动机作为动力源。使用的电动力系统中 包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。


插电式混合动力汽车(PHEV,含 EREV)在广义上仍是混合动力汽车的一种,但普通 混合动力车的电池容量较小,不能外部充电,不能用纯电模式较长距离行驶,仅在起/ 停、加/减速的时候供应/回收能量;插电式混合动力车的电池容量相对比较大,可以外 部充电,可以用纯电模式行驶,电池电量耗尽后再以混合动力模式行驶。

电动汽车(Electric Vehicles,简称 EV)完全由可充电电池提供动力源的汽车。但受限 于目前动力电池的价格高、寿命短、重量大、充电时间长等缺点尚未完全大规模应用。

燃料电池汽车(Fuel cell vehicles),是电动汽车的一种,其核心部件燃料电池让氢气和 氧气通过化学反应而不是燃烧方式,直接变成电能。燃料电池化学反应除了电能外的副 产品主要产生水,因此燃料电池汽车被称为绿色的新型环保汽车。  

目前中国中央政府对新能源汽车的购买给予大量的补贴,以降低消费者的首次购买成 本,推动新能源汽车的普及。尽管 2014 年的新能源汽车补贴相对 2013 年下降了 5%左 右,但是整体来看补贴力度依然很大。预计未来随着新能源汽车的渗透率逐步提升,政 府补贴还会进一步降低直至完全退出。


以目前中国市场最热的新能源车型之一的比亚迪秦为例,该车型的市场售价在 18-20 万 元左右。消费者购买该款插电式混合动力除了享受中央政府的 3.3 万元的补贴之外,地 方政府大多会按照 1:1 的比例再次给予相应的补贴,车主获得补贴相当于汽车售价的 30%以上。此外车主还享有车辆购臵税的减免,总体享有的补贴和税收优惠在 8-9 万元 左右。消费者实际需要支付的金额在 10 万左右,基本与一辆普通的合资品牌经济型轿 车售价无异
如果在上海等车牌管制的区域,还可以免费获得价值 7-8 万的车牌使用权,消费者购买 新能源汽车的动力更是大大增强,使得比亚迪的秦在上海市场供不应求。   

三、混合动力汽车(HEV)主要技术特征
普通的混合动力汽车(HEV)一般是指油电混合汽车,这种混合动力汽车一般不依赖外 部充电电源,目前这种汽车在中国划分为节能汽车。按照混合程度的不同又分为微混、 中混和全混三种类型,不同的混合类型节油效果不同,所需的电池容量和电压也不同, 如下表所示:


混合汽车根据混合动力驱动的联结方式,混合动力系统主要分为以下三类:

一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电,产 生的电能通过控制单元传到电池,再由电池传输给电机转化为动能,最后通过变速机构 来驱动汽车。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节,从而保证 车辆正常工作。


二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统:传统的内燃机系统和 电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作,也可以各自单独工作驱动汽车。这种系 统适用于多种不同的行驶工况,尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单,成本低。 本田的 Accord 和 Civic 采用的是并联式联结方式。


三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统 各有一套机械变速机构,两套机构或通过齿轮系,或采用行星轮式结构结合在一起,从 而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比,混联式动力 系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统 复杂,成本高。丰田的 Prius 采用的就是混联方式。


四、新能源汽车主要技术特征
目前我国将插电式混合动力汽车(PHEV,含 EREV)、纯电动汽车(EV)和燃料电池 汽车(FCEV)归为新能源汽车,其技术路线也各有特点。

插电式混合动力汽车(PHEV)的技术特征

相对于普通的混合动力汽车,除了起停,制动能量回收外,插电混最重要突破是可以在 纯电行驶模式下行驶较长的行程,一般在 50 公里以上。
不同于传统汽油动力与电驱动结合的混合动力,插电式混合动力驱动原理、驱动单元都 与电动车无异,但这类车上装备有一台为电池充电的发动机。在日常使用过程中,只要 单次使用不超过电池可提供的续航里程(一般 50 公里),它就可以做到零排放和零油耗, 在日常中可以当作一台纯电动汽车使用,而发动机的存在又可以解决消费者的里程焦 虑。



而相对于纯电动汽车,插电式混合动力汽车电池容量较小,在目前电池成本费用高昂的 情况下,插电式混合动力可以以相对纯电动较低的价格进入家庭,尤其是在受国内政府 的重视后又有了相应的补贴,价格优势更加明显。

插电混的典型代表是比亚迪秦,该车装备了 13 kWh 的电池,理论上可以纯电行驶 70 公里,而一台 1.5T 的汽油机又解决了消费者对长途行驶的需求。

增程式混合动力汽车(EREV)的技术特征

目前在插电式混合动力汽车之外,又有一种增程式混合动力汽车开始受到市场关注;增 程式电动车顾名思义就是在车辆上追加了增程器,以进一步提升纯电动汽车的续航里 程,避免频繁地停车充电和用户的旅程焦虑。

增程式混合动力与插电式混合动力汽车的工作模式非常类似,两者都可以由动力电池单 独输入能量以行驶在纯电动模式下,且当动力电池容量接近设定的下限后都转由另外一 种动力源继续提供车辆所需的能量。

但从驱动角度分看,增程式电动车不论工作在纯电动模式还是增程模式下,其车轮始终 仅由电机独立驱动,而插电式混合动力汽车如果工作在混合动力模式下,发动机会与电 机一起(经动力耦合后)参与到驱动车轮的行列。  


从混合系统选型看,增程式电动车是串联式混合动力型式,而插电式混合动力汽车是并 联式或者混联式混合动力型式。此外增程式在没有追加增程器之前是纯电动汽车,增程 器的部署基本不影响原有车辆的动力系统结构。而插电式混合动力汽车由于前身是混合 动力汽车,保留了较多的传统机械部件,结构上更复杂一些,成本也略高。

增程式车型的典型代表是宝马 I3 和通用的 Volt,在增加了一台 0.65L 两缸发动机之后, 宝马 I3 的综合续航里程可以达到 300 公里以上。

增程式因其动力电池以及驱动系统在设计之初就匹配较好以达到既定的性能指标(如最 高速度、最大爬坡度等),增程器(发动机与发电机的组合)的存在与否不影响整车的 设计性能。而插电式混合动力汽车因为发动机也参与驱动的缘故,对电池与驱动系统的 匹配要求就不会很高。

纯电动汽车(EV)的技术特征

纯电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各 项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小,其前景被广泛看好。

此外纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统,动力系统的布臵大 大简化,而且相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统,电动机和控制器的成本更低, 且纯电动车能量转换效率更高。

在使用过程中,除了没有二氧化碳的排放之外,其成本也是相对传统内燃机大大降低的, 但是因为目前电池价格的居高不下等因素,纯电动汽车尚没有大规模的进入到普通消费 者的家庭。  

纯电动汽车典型的代表是 Tesla Model S 和日产 Leaf。其中 Tesla Model S 主打豪华路线, 售价超过 7 万美金,竞争车型也多是保时捷等豪华超跑品牌,其 85 KWh 可以为达到 502 km 的续航里程,彻底解决了消费者的续航里程焦虑,其良好的动力性和超酷的外 形设计让其一经推出,就在美国受到消费者特别是高端用户的疯狂追捧。

日产 Leaf 走的经济型路线,搭载的 24 KWh 的电池可以保证 161 公里的续航里程,解 决大部分消费者的日常使用,而不到 3 万美金的售价也在大部分普通消费者的承担范围 内,目前 Leaf 是单一品牌销量最大的纯电动汽车。

燃料电池汽车(FCEV)的技术特征

丰田汽车日前发布了其燃料电池汽车 Mirai,有望在明年开始正式销售,成为首款批量 化生产的燃料电池乘用车。

燃料电池汽车将作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中,与大气中的氧发生化学反应, 产生出电能发动电动机,由电动机带动汽车。相比传统汽/柴油车以及以纯电动汽车为 代表的其他新能源车型,燃料电池汽车完全做到了零排放、零污染,同时不会让消费者 感受到任何的里程焦虑。完成单次氢燃料补给仅需约数分钟,远远快于纯电动汽车的充 电时间。

燃料电池汽车是广义上是电动汽车的一种,在动力系统布臵上,也需要蓄电池、电机以 及电控系统等纯电动汽车的关键零部件。由于其可以真正做到零排放、零污染,成为了 各国政府认可的在长期替代目前传统汽车理想车型。

五、节能与新能源汽车三大核心系统

中国从“十五”开始了电动汽车重大课题专项,确定了电动汽车三纵三横的基本技术体 系,燃油电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车,以及电池、电机、电控。并在“十二 五”提出了纯电驱动的转型战略,继续坚持三纵三横。“十二五”以来,中国在纯电驱 动的技术战略转型的指导下,车型开发方面,重点推广大中型城市纯电动客车和小型电 动车;以及逐步在家用轿车推广插电式混合动力汽车。


不论是混合动力汽车、纯电动汽车还是燃料电池汽车,核心技术在于电池、电机和电控 技术,而在整车成本构成中,电池价值量最大,电池的性能与价格构成新能源汽车大规 模应用的最主要的制约因素。

电池系统:电池作为新能源汽车特别是纯电动汽车能源提供装臵,也是最为核心的部件。 目前电池的能量密度、循环寿命、技术成熟度以及成本等关键性指标成为制约电动汽车 大规模产业化的因素,电池在整个纯电动汽车中的成本占比达到 30%以上。

经过多重因素平衡,锂电池开始成为主流的新能源汽车用动力电池。

电池管理系统:由于新能源汽车电池必须具有大功率,如果锂电池的单体容量过大,容 易产生高温,诱发不安全因素,所以对于汽车用的电池必须通过串并联的方式形成电池 组。如 Tesla Model S 的电池系统采用了松下的近 7000 颗 18650 电池,而作为管理这一 庞大电池组的 BMS 已经成为 Tesla 的核心技术之一。

而在电池组工作中,单个电池的生产不一致性和使用环境的细微差别,会造成电池寿命 的差别,进而对整个电池组的寿命和性能产生不利影响。为减小这些不利因素,新能源 汽车会采用 BMS 实时监控、自动均衡、智能充放电的电池,起到保障电池安全、延长 电池寿命、并估算剩余电量等重要功能。电池管理系统成为新能源汽车的核心技术之一。

电机系统:电机作为电动汽车的动力输出装臵,需要具有高效率、高适应性和轻量化的 特征,以保证整车的性能。

目前新能源汽车开始采用永磁电机作为主流的动力输出系统,永磁电机的优点在于结构 简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样 等显著优点,这些优点正是新能源汽车所需要的。

除了转子和定子外,永磁电机的核心零部件是硅钢、磁钢、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管,用以控制电机电路开关)、电容器、接插件和轴承等, 特别是 IGBT 目前已经成为我国永磁电机大规模工业化应用需要迫切攻克的难题。  



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