新能源汽車三電系統(tǒng)(電池、電機、電控)你了解多少？

2020年，中國的 汽車 保有量超過2.75億輛，超越美國成為世界上規(guī)模最大的 汽車 保有國。

與此同時，在國家政策大力支持、制造技術逐漸成熟、居民購買力不斷提高等利好因素的共同作用下，我國新能源車保有量也大幅提升，成為全球最大的新能源車市場。

新能源 汽車 區(qū)別于傳統(tǒng)車最核心的技術是“三電”系統(tǒng)，主要是指電機、電池、電控。

和燃油發(fā)動機的 汽車 相比，純電動 汽車 使用電動機代替了燃油車的柴油/汽油發(fā)動機；以電池組代替了燃油，為電動機提供動力；其中還有一個最主要的部件就是電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成，管理電池組和控制電池的能量輸出以及調節(jié)電動機的轉速等，是連接新能源電池和電機的重要中間載體。

電池：制約新能源 汽車 發(fā)展的關鍵因素

電池技術是新能源 汽車 的核心技術，是制約新能源 汽車 發(fā)展的關鍵因素。

新能源 汽車 電池主要分類: 從全球新能源 汽車 的發(fā)展來看，新能源 汽車 動力來源主要有蓄電池、燃料電池以及超級電容器三類。

其中超級電容器由于儲電容量低的缺陷，無法持續(xù)供電，大多以輔助動力源的形式出現(xiàn)。

蓄電池

蓄電池是純電動 汽車 驅動系統(tǒng)的唯一動力源，主要有鋰離子電池、鎳鎘電池和鎳氫電池等。其中鋰離子電池以其獨特的物理和電化學性能，目前正處于高速發(fā)展階段。

燃料電池

燃料電池是一種電化學裝置，將燃料具有的化學能直接變?yōu)殡娔?，類似于一個“發(fā)電廠"。

燃料電池為一次電池，能量轉化效率高、使用壽命較長、能連續(xù)大功率供電，但使用成本高。

由于其續(xù)航能力與燃油 汽車 相當，新能源 汽車 電池技術的開發(fā)中具有較強競爭力。

天眼查APP專業(yè)版數(shù)據(jù)顯示，目前我國有超過20萬家經(jīng)營范圍含“新能源 汽車 、電動 汽車 、插電式混合動力 汽車 、燃料電池 汽車 ”，且狀態(tài)為在業(yè)、存續(xù)、遷入、遷出的新能源 汽車 相關企業(yè)。

其中88%的相關企業(yè)為有限責任公司，近3成的相關企業(yè)注冊資本在1000萬以上。

從行業(yè)分布上看，53%的新能源 汽車 相關企業(yè)分布在批發(fā)和零售業(yè)，另有15%的相關企業(yè)分布在科學研究和技術服務業(yè)，10%分布在租賃和商務服務業(yè)。

從地域分布上看，廣東省的新能源 汽車 相關企業(yè)數(shù)量最多，超過2.5萬家。其次為山東省和江蘇省，兩省分別有超過1.9萬家和1.8萬家相關企業(yè)。

此外，河南省、湖南省以及浙江省的現(xiàn)有新能源 汽車 相關企業(yè)也均超過1萬家。

新能源 汽車 電池發(fā)展情況:

由于各種動力電池自身的性能、涉及的材料以及開發(fā)成本等差異，形成了不同的使用前景。

在上述主要的新能源 汽車 電池類別中，目前技術最成熟的是鎳氫電池，但商業(yè)化最成功的是鋰離子電池，并已經(jīng)成為新能源 汽車 電池主流，燃料電池目前為各大車企研發(fā)目標。

當前，鋰離子電池已經(jīng)成為所有新能源 汽車 電池中增長速度最快的一類。從2012 年至今，鋰離子電池行業(yè)一直呈現(xiàn)快速增長趨勢，并將加快取代傳統(tǒng)電池。

隨著科學技術的進步， 汽車 產業(yè)將不斷升級，鋰離子電池將保持持續(xù)增長速度，并且成本將會呈下降態(tài)勢。

純電力驅動 汽車 已經(jīng)成為新能源 汽車 發(fā)展的重要趨勢，大眾集團計劃 2025 年前提供超過 30 款電動 汽車 。

近幾年來，隨著新能源 汽車 電池相關基礎技術的成熟化，不斷突破技術難點，燃料電池技術也取得了重大進展。

電機： 汽車 核心驅動部件

新能源 汽車 電機主要是由定子、轉子和機械結構三大部分組成。定子和轉子是其中的核心，主要原理是轉子繞組通過切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流，并形成電磁轉矩而使電動機旋轉。

目前，應用于新能源 汽車 的驅動電機主要包括直流電機、交流電機和開關磁阻電機三類，其中在目前乘用車、商用車領域應用較為廣泛的電機包括直流（無刷）電機、交流感應（異步）電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等。

其他特殊類型的驅動電機包括輪轂/輪邊電機、混合勵磁電機、多相電機、雙機械端口能量變換器（ Dmp-EVT），目前市場化應用較少，是否能夠大規(guī)模推廣需要更長時間的車型驗證。

1）交流異步電機，也稱為感應電機（Induction Motor），在定子繞組中輸入三相交流電，定子繞組中的勵磁電流在定子鐵芯中產生旋轉磁場， 此時轉子繞組中有感應電流通過并推動轉子作旋轉運動。

當轉子帶有機械負載時，轉子電流增加，由于電磁感應作用，定子繞組中的勵磁電流也增加。

交流異步電機控制器采用脈寬調制（ PWM） 方式實現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換，采用變頻器實現(xiàn)電機調速，采用矢量控制或直接轉矩控制實現(xiàn)轉矩控制的快速響應，滿足負載變化特性的要求。

交流異步電機的優(yōu)點在于結構簡單，定子轉子無直接接觸，運行可靠性強，轉速高，維護成本低。

不足之處在于能耗高，轉子發(fā)熱快，高速工況下需要額外冷卻系統(tǒng)；功率因數(shù)低，需要大容量的變頻器，造價較高，調速性較差。

目前，交流異步電機主要用于空間要求較低、且速度性能要求不高的電動客車、物流車、商用車等車型中。

2）永磁電機（Permanent Magnetic Motor） 包括永磁同步電機（正弦波）和永磁無刷直流電機（方波）兩大類，其轉子均由永磁材料制成， 定子采用三相繞組，輸入調制方波產生旋轉磁場帶動永磁轉子轉動。

永磁同步電機的優(yōu)點在于其較大的轉矩和驅動效率，具有高功率密度和寬調速范圍，且沒有勵磁損耗和散熱問題，電機結構簡單，體積比同功率的異步電機小 15%以上；其缺點在于高速運行時控制復雜，永磁體退磁問題目前難以解決， 電機造價較高。

目前，永磁同步電機主要應用于體積小，且速度、操控性能要求較高的電動乘用車領域，部分中小型客車亦開始嘗試使用永磁電機作為驅動源。永磁無刷直流電機則一般在小功率電動 汽車 、低速電動車領域應用較為廣泛。

3）開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor）的定子和轉子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，利用沖片上的齒槽構成雙凸極結構， 定子產生扭曲磁場，利用“磁阻最小原理”驅動轉子運動。

開關磁阻電機結構和控制簡單、出力大，可靠性高，成本低，起動制動性能好，運行效率高，但電機噪聲高，但轉矩脈動嚴重，非線性嚴重，在電動 汽車 驅動中有利有弊，目前電動 汽車 應用較少。

4）直流電機（DC Motor）通過在定子主磁極上繞制勵磁線圈并通以直流電以產生磁場，轉子電樞繞組也通以直流電，通電繞組置于磁場中輸出電磁轉矩拖動負載運行。

直流電機控制器一般采用晶閘管脈寬調制方式（ PWM），控制性能好，調速平滑度高，控制簡單，技術成熟，且成本較低。

直流電機的缺點是需要獨立的電刷和換向器，導致速度提升受限；電刷易損耗，維護成本較高。

直流電機多用于早期的電動 汽車 驅動系統(tǒng)，目前新研制的車型已經(jīng)基本不再采用。

純電池的大腦：電控系統(tǒng)介紹

電控系統(tǒng)是純電動 汽車 的大腦，其由各個子系統(tǒng)構成，每一個子系統(tǒng)一般由傳感器，信號處理電路，電控單元，控制策略，執(zhí)行機構，自診斷電路和指示燈組成。

純電動 汽車 的電控系統(tǒng)主要包括整車控制系統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，各技術分支的功能不是簡單的疊加，而是綜合各個分支功能來控制 汽車 。電子控制技術是純電動 汽車 發(fā)展的核心技術。

電控系統(tǒng)的主要功能包括：

1)接收來自駕駛員的操作命令，并向各個控制部件發(fā)送控制指令，使 汽車 按照駕駛員的預期行駛。

2)電控系統(tǒng)對關鍵信息的模擬量狀態(tài)通過傳感器進行采集并輸入到相關控制部件的信號通道。

3)接收到的各個部件的信息發(fā)送到電池管理系統(tǒng)，提供各個部件當前能量的信息狀態(tài)。

4)對系統(tǒng)故障可判斷和存儲，實時檢測系統(tǒng)信息，記錄電動 汽車 運行過程中出現(xiàn)的故障。

5)對 汽車 具有保護功能，在突發(fā)或者緊急情況下可自動復位電動機。

在 汽車 電控系統(tǒng)中，整車控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術，對整車的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。

BMS 提供電池出現(xiàn)的問題及狀況，MCU 提供電池電能的利用與收回信息，VCU 主要是整理合并以上收到的信息，針對電池充放電的電壓、電流、功率等指數(shù)進行分析處置后，及時鑒別電池的安全邏輯，并將形成的相關指令傳送至電池管理系統(tǒng)中，通過該系統(tǒng)來執(zhí)行相關的充放電行為。

整車控制系統(tǒng)（VCU ）

VCU 是實現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源 汽車 配備、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。

VCU 通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測車輛狀態(tài)（車速、溫度等）信息，由 VCU 判斷處理后，向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運行狀態(tài)控制指令，同時控制車載附件電力系統(tǒng)的工作模式；VCU 具有整車系統(tǒng)故障診斷保護與存儲功能。

電機控制器（MCU）

電機控制器（MCU）通過接收 VCU 的車輛行駛控制指令，控制電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。

實現(xiàn)把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。

車用 MCU 在 汽車 中的應用呈現(xiàn)出多樣性，從簡單的車燈控制到復雜的發(fā)動機控制、 汽車 遠程通信實現(xiàn)，高、中、低端 MCU 在 汽車 中都可以發(fā)揮作用。

不同 汽車 電子系統(tǒng)對 MCU 的要求是不同的，也就決定了車用 MCU 的多樣性。

電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)（BMS）作為保護動力鋰離子電池使用安全的控制系統(tǒng)，時刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車輛的使用安全提供保障。

電動 汽車 動力電池是由幾千個小電芯組成的，電池包的組成主要包括電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和 BMS。

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，縮寫 BMS）是對電池進行管理的系統(tǒng)，主要負責監(jiān)測和管理整個電池組的政策工作：

主要功能包括估測電流的電荷狀態(tài)、檢測電池的使用狀態(tài)、管控電池的循環(huán)壽命、在充電過程中對電池進行熱管理、啟停鋰電池冷卻系統(tǒng)，同時也管理單體電池間的均衡，防止單體電池過充過放產生的危險。

注：本文內容主要摘自天風證券，中外行業(yè)研究整理推送