电池、电机、电控，新能源汽车三电系统解读

白色风信子

传统的燃油车时代，最重要的三大件是发动机、底盘和变速箱。进入到纯电动时代，三电系统成为了衡量一款车是否具备硬核实力最重要的标准，它包括电池、电机和电控三个部分。而且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，下面就从特性、产业和布局3个角度展开聊聊”三电系统“
一、电池

“电池”绝对是“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。其中电池容量、能量密度是影响整车续航里程的主要因素。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（既我们所说到的弱电和强电在电动车上依旧如此）。
电芯由四大材料构成：正极材料、负极材料、隔膜、电解液。
现阶段新能源车上使用的基本为锂电池，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
电芯正极材料就是为锂电池提供锂离子，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中占比最高为 40%。
目前市面上的正极材料主要有五种：磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍钴锰三元材料。
这里要引入一个名词：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。
再回到电池的正极材料，前面三种一看就是各种化学元素，最后一种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。



常见正极材料性能及特性

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。



2019-2020年正极材料细分市场结构（按产量单位%）

  两个数据对比之后就能看到，三元材料电池胜在比能量密度较高、成本低，所以使用三元锂电的车型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、寿命长且价格比三元正极材料电池更低，缺点是比能量密度小、续航差和耐寒能力差。



特斯拉model3

  比较典型的例子就是特斯拉 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版续航里程468KM还要长。
  不过磷酸铁锂电池在安全性方面的优势也比较明显。无名火、无烟、针刺后热能释放低，任何时候安全一定是凌驾于任何之上。



3种动力电池针刺实验对比

  钴酸锂和锰酸锂，目前不常被用在新能源的动力电池上。钴酸锂因为热稳定性差，不太适合用作汽车动力电池，更常被用在数码 3C 领域，不过的早先的特斯拉Roadster曾用过。
  锰酸锂是比较传统的动力电池正极材料，能量密度、热稳定性、寿命等方面的表现都比较一般，现阶段大多在两轮车、低俗4轮车、特种电动车上使用。
2、负极材料
负极材料是锂电池在充放电过程中用来承载锂离子和电子的。
锂电池充电的过程，是锂化合物中的锂离子从正极穿过薄膜到达负极，薄膜相当于滤纸，只允许离子穿过，不允许电子穿过。电子只能经由外电路从正极抵达负极。



锂离子电池工作原理

   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。



人造石墨

  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。



中国负极材料产量全球占比

  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%。


    不过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”。



电池隔膜

  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。
    其中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。目前，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。



全球电解液市场份额

     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。
二、电机
1、电机类型
  电机主要由定子、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。
  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。
  上述的四大类中，直流电机已经被淘汰了（无法实现动能回收），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主要的电机类型。目前交流异步电机也逐渐被永磁同步电机替代，目前永磁同步电机的份额已经达到了 99%。仅有少数交流异步电机用在大型高速的电动汽车以及欧美车系里。



永磁同步电机



交流异步电机

  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”。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。
   在实际体验中呢，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。


   为了达到更高的效率现在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。
2、电机产业
目前，国内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 2021 年国内驱动电机市场格局来说，排名前五的装机企业中，除特斯拉之外均为国产。


   从上图数据开了看，电机企业主要以蔚来、比亚迪、特斯拉这样的整车企业及方正电机、上海电驱动等独立电机企业为主。



中国稀土产能与世界产能对比

  其中在上游零部件产业，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。众所周知，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，这是也是咱们国家驱动电机产业发展的一大优势。
不过在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。
三、电控系统
   按理说新能源汽车有了电池、有了驱动电机，不就能跑了？
   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且复杂，对电控系统的要求也更高更复杂。
    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。
   与第二点提到的驱动电机类似，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。


   整个产业链中，最关键的是上游的元器件供应，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），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%
  不过此模块的国产化并不是很理想，目前中国 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。


    现阶段国内IGBT做的比较好的企业有中车时代、比亚迪半导体和斯达半导体等、他们是目前少有的几个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。
  在电控部分总体来说，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。
<hr/>    新能源领域的“三电系统”彼此关系很密切特别是电机、电控常常被放在一起。所以未来三电系统这个概念会被模糊掉，也就是高度集成化。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。整体走向也会趋于高度整合、数字化和智能化，这既是新能源汽车发展的需求，也是最新科技与能源革命深度融合的趋势。
   最后想说的是”弯道超车“这个老生常谈的概念其实已经形成，早先在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，但仅仅十多年的时间，已经完全改头换面。2022年1-8月的新能源产量已经达到了397万辆，这个数据已经超过了2021年新能源销量综合，同比等同于2018到2021年新能源销量总和，单单说从这点来看的话，新能源汽车的增速确实进入了一个超高速的阶段。而且刚刚过去的八月份自主品牌的新能源渗透率高达35%，豪华品牌的渗透率高达24.1%，而主流的合资品牌的渗透率仅仅只有2.7%。所以有理由相信，我们过去坚持不懈的成果是有显著成效的，所以未来距离我们真正取得新能源汽车”全产业链的领先“不会遥远。

獨角獸

LZ是天才，坚定完毕

飞行的蒲公英

撸过