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電動汽車子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢
2021-12-03 09:13:20· 來源：驅(qū)動視界
變速器對于電動汽車，變速器的形態(tài)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)變速箱大幅簡化。目前主流方案是采用固定速比平行軸減速器，速比一般為8-10之間。另外也有同軸行星排減速器——通
變速器
對于電動汽車，變速器的形態(tài)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)變速箱大幅簡化。
目前主流方案是采用固定速比平行軸減速器，速比一般為8-10之間。
另外也有同軸行星排減速器——通常用于中高端車型。
大多數(shù)減速器會配置駐車機(jī)構(gòu)，采用飛濺潤滑方案。
少量產(chǎn)品采用電子油泵+主動潤滑的方案。
未來趨勢是減速器深度集成到電驅(qū)動系統(tǒng)中，形成“三合一”系統(tǒng)。
此外，兩擋減速器或多擋減速器也有望進(jìn)一步應(yīng)用，這種趨勢發(fā)生的可能性主要得益于多擋減速器對整車電耗具有較明顯的貢獻(xiàn)，從整體成本考慮具備較好的性價(jià)比。
GKN的兩檔減速器已應(yīng)用于沃爾沃XC90、寶馬i8等中高端PHEV車型，舍弗勒的兩擋減速器已經(jīng)于2019年在國內(nèi)正式投產(chǎn)，應(yīng)用于長安CS75 PHEV和長城P8 PHEV。
從設(shè)計(jì)的角度，減速器的NVH也是工程師關(guān)注的重點(diǎn)。
對于插電式混動汽車，除了以上提到的平行軸減速器和行星排減速器，混動專用變速箱（DHT）也有望成為主流。
目前已有的解決方案包括豐田的THS系統(tǒng)，上汽的EDU系統(tǒng)，通用的Voltec系統(tǒng)，都是DHT的典型代表。
未來隨著電動汽車市場進(jìn)一步擴(kuò)大，DHT有望達(dá)到性價(jià)比的平衡點(diǎn)。
目前，單級或多擋減速器一般有專業(yè)的變速箱制造商開發(fā)和主機(jī)廠自主開發(fā)兩種模式。
主要的制造商包括國外品牌博格華納、邦奇、舍弗勒、吉凱恩、德納等，國內(nèi)包括株齒、青山、萬里揚(yáng)、上齒等。
多數(shù)OEM會選擇自主開發(fā)+外部配套兩種并行模式。
DHT則可能會由設(shè)計(jì)工程公司開發(fā)然后移交主機(jī)廠應(yīng)用，AVL和雷諾就曾采用這種合作模式。
另外，一些實(shí)力較強(qiáng)的變速箱制造商和OEM也會自行開發(fā)DHT系統(tǒng)。
車載電源
車載電源是新能源車內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的核心零部件，主要包含DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電機(jī)(On Board Charger, OBC)。
DC/DC轉(zhuǎn)換器
DC/DC 轉(zhuǎn)換器將能量從高壓電池包轉(zhuǎn)移至低壓蓄電池中，為汽車的空調(diào)、燈光、雨刷、防盜、音響、導(dǎo)航、電動轉(zhuǎn)向、安全氣囊、電子儀表、故障診斷系統(tǒng)等 12-48V 的低壓設(shè)備供電。
乘用車 DC/DC功率一般在 0.5-2kW 之間，商用車 DC/DC 功率一般在 1-3kW 之間。
隨著車載電子系統(tǒng)功率增大，配套 DC/DC 系統(tǒng)功率有望持續(xù)增大。
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，將傾向于用平面變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變壓器，并采用扁平立繞線圈技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更小的體積和更高的效率。
磁芯方面選擇能滿足更高頻率下?lián)p耗更低的材料，如PQI、EQ等鐵氧體磁芯。
熱設(shè)計(jì)方面，一種是將產(chǎn)品繞組銅片延伸導(dǎo)熱，另一種是灌入導(dǎo)熱膠利用外殼進(jìn)行散熱。
DC/DC轉(zhuǎn)換器主要供應(yīng)商包括TDK、德爾福、聯(lián)合電子、博世、大陸、艾默生等，而國內(nèi)則主要有欣銳科技、康燦新能源、英威騰等。
車載充電機(jī)(OBC)
車載充電機(jī)負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為動力電池充電。
目前低速電動車和 A00 級微型電動車主要配套 1.5kW、2kW 充電機(jī)，A00 級以上乘用車多配套 3.3kW、6.6kW 充電機(jī)。
商用車的交流充電多數(shù)采用 380V 三相工業(yè)用電，功率在 10kW 以上。
根據(jù)高工電動車研究所（GGII）調(diào)研數(shù)據(jù)，2018年中國新能源汽車車載充電機(jī)需求量122.07萬套，同比增速達(dá)50.46%。
從其市場結(jié)構(gòu)來看，輸出功率大于5kW的充電機(jī)占據(jù)市場較大的份額，約為70%。
生產(chǎn)車載充電機(jī)的國外企業(yè)主要有科世達(dá)、艾默生、法雷奧、英飛凌、博世等企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)有欣銳科技、富特科技、英威騰、鐵城信息、南京中港電力、通合電子、得潤電子等。
欣銳科技液冷車載充電機(jī)
典型的OBC主要由功率電路（核心部件包括PFC和DC/DC）和控制電路組成（如下圖）。
其中，功率電路主要作用是將交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電；控制電路主要是實(shí)現(xiàn)與電池之間的通信，并根據(jù)需求來控制功率驅(qū)動電路輸出一定的電壓和電流。
二極管和開關(guān)管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。
隨著碳化硅功率器件的應(yīng)用，OBC的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到96%，功率密度可達(dá)1.2W/cc。
未來效率有望進(jìn)一步提升至98%。
車載充電機(jī)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
車載充電機(jī)具有多種功率等級，功率等級越高，充電時(shí)間就越短。
隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程提升，電池電量普遍大于60KWh，傳統(tǒng)的3.3kW和6.6kW車載充電機(jī)功率已不能滿足當(dāng)下電動汽車的慢充需求，未來車載充電機(jī)的發(fā)展趨勢之一是功率提升。
主要技術(shù)路線是從單相充電技術(shù)向三相充電技術(shù)發(fā)展。
國內(nèi)三相功率水平可達(dá)41kW，相比于7kW的單相功率水平存在相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。
表7美國、歐洲及中國交流充電額定電壓/電流表
對于OBC和DC/DC來說，高效化的共同趨勢包括：雙向傳輸技術(shù)以及系統(tǒng)化集成。
雙向DC/DC可用于制動能量的回收、輔助電池、電容的充放電，未來有望逐漸推廣。
雙向車載充電機(jī)從能源戰(zhàn)略的角度則是大勢所趨，既可以用電網(wǎng)對電動汽車充電，也可以通過電動汽車給外部接口放電，作為應(yīng)急或者V2G（Vehicle to Grid）電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)使用。
根據(jù)我國規(guī)劃，V2G的規(guī)?；痉哆\(yùn)行將從2020年開始，預(yù)計(jì)2026年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣。
類似的雙向充電技術(shù)還有V2V(Vehicle to Vehicle)，V2L(Vehicle to Load)。
系統(tǒng)化集成方向主要有兩種，一是車載三合一（OBC+DCDC+PDU），從物理結(jié)構(gòu)和電氣線路上深度集成，比亞迪、匯川、欣銳科技都有類似的集成方案。
另一種是OBC或DC/DC與電機(jī)電控集成，如第一代雷諾ZOE的43kW自適應(yīng)快充系統(tǒng)（變色龍）就是由大陸集團(tuán)提供的電機(jī)和OBC進(jìn)行集成。
熱管理
電動汽車熱管理主要包括電池?zé)峁芾?、電機(jī)電控?zé)峁芾硪约翱照{(diào)熱管理。
電池?zé)峁芾?/span>
動力電池最佳工作溫度范圍約 20-30℃，低溫時(shí)電池容量較低，充放電性能差；高溫時(shí)電池循環(huán)壽命會縮短，過高溫度工作甚至?xí)霈F(xiàn)爆炸等安全問題。
因此電池?zé)峁芾硎菍﹄妱悠囆始鞍踩缘闹匾Ｕ稀?/span>
電池冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質(zhì)可以分為風(fēng)冷、液冷和相變材料（PCM）冷卻。
目前應(yīng)用較多的是風(fēng)冷（如軒逸EV、三菱i-MiEV、北汽EC）和液冷（通用Volt、特斯拉Model3、榮威eRX5）。
液冷冷卻液一般為50%水和50%乙二醇混合物，通過鋁合金冷卻板和特定形狀的管路（如特斯拉的蛇形、奧迪eTron的口琴形）進(jìn)行循環(huán)。
未來隨著電池容量進(jìn)一步擴(kuò)大主動液冷將成為主流方案，PCM 因?yàn)樯刑幯邪l(fā)階段而尚未市場化。
電池加熱目前仍然以PTC加熱為主，威馬最近推出了柴油加熱系統(tǒng)，用一個(gè)小型柴油機(jī)輔助電池升溫到0℃以上。
電機(jī)電控?zé)峁芾?/span>
驅(qū)動電機(jī)冷卻方案主要包括風(fēng)冷、液冷、油冷以及灌封膠。
電控相關(guān)功率件的冷卻主要為風(fēng)冷或液冷。
采用風(fēng)冷的驅(qū)動電機(jī)和控制器均只能適用于較小功率，并不具備主流應(yīng)用潛力。
現(xiàn)階段電機(jī)和控制器仍然普遍使用液冷方案，冷卻效果和穩(wěn)定性相比風(fēng)冷都更勝一籌。
設(shè)計(jì)上主要考慮冷卻線路的布局（如水套冷卻、空心軸轉(zhuǎn)子冷卻等），電子水泵、控制閥的選型。
未來趨勢主要包括IGBT雙面水冷技術(shù)（釬焊工藝）以及電機(jī)電控集成冷卻技術(shù)（水道直連）。
油冷電機(jī)較早應(yīng)用于日系混動汽車，現(xiàn)在也逐漸應(yīng)用于插電式混動汽車和純電動汽車，如三菱PHEV、通用Volt、特斯拉Model3、廣汽Aion系列，這種方案可以直接帶走定子繞組的熱量，因此冷卻效果較好，但技術(shù)要求較高。
另外，耐高溫的環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅灌封膠在實(shí)現(xiàn)電機(jī)封裝的同時(shí)也可以起到導(dǎo)熱散熱的作用。
空調(diào)熱管理
電動汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)中，由于沒有發(fā)動機(jī)，壓縮機(jī)需要靠電力驅(qū)動，目前廣泛采用集成了驅(qū)動電機(jī)與控制器的渦旋式電動壓縮機(jī)，容積效率高，成本低。
未來增強(qiáng)壓力是渦旋壓縮機(jī)的主要發(fā)展方向。
電動汽車空調(diào)制熱相對更值得關(guān)注。
由于缺少了發(fā)動機(jī)作為熱源，電動汽車通常采用PTC熱敏電阻為座艙進(jìn)行制熱。
雖然這種方案升溫較快且自動恒溫，技術(shù)較為成熟，但缺點(diǎn)在于耗電量較大，尤其是寒冷環(huán)境下PTC加熱時(shí)可能造成電動汽車25%以上的續(xù)航能力下降。
因此熱泵空調(diào)技術(shù)逐漸成為替代方案，其在0℃左右的環(huán)境溫度下較PTC加熱方案可節(jié)能50%左右。
冷媒方面，歐盟《汽車空調(diào)系統(tǒng)指令》促進(jìn)了空調(diào)用新型冷媒的開發(fā)，GWP為0、ODP為1的環(huán)境友好型冷媒CO2（R744）應(yīng)用逐漸增加。
相比于 HFO-1234yf、 HFC-134a 等制冷劑只有在-5度以上才有良好制冷效果，CO2在-20℃下制熱能效比依然能達(dá)到 2，是今后電動汽車熱泵空調(diào)的能效最優(yōu)選擇。
表8：冷媒材料發(fā)展趨勢
隨著電動汽車的發(fā)展以及熱管理系統(tǒng)單車價(jià)值的提升，電動汽車熱管理市場空間廣闊。
根據(jù)國元證券估算，國 內(nèi) 2019/2020/2025 年 熱 管 理 系 統(tǒng) 市 場 規(guī) 模 85.84/116.83/448.41 億元，20-25 年 CAGR 為 30.87%；海外 2019/2020/2025 年熱管理系統(tǒng)市場規(guī)模為69.39/110.51/423.00 億元，20-25 年 CAGR 為 30.79%。
目前，熱管理市場由電裝、漢拿、法雷奧與馬勒四家主導(dǎo)，合計(jì)占據(jù) 54%全球市場。
國內(nèi)以傳統(tǒng)汽車熱管理業(yè)務(wù)為主的零部件公司，如三花智控、銀輪股份、奧特佳等，也在加大布局，實(shí)現(xiàn)外資替代。
目前大多還在部件配套的階段，僅少數(shù)企業(yè)已開始配套系統(tǒng)產(chǎn)品。
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