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電動汽車子系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢

2021-12-03 09:13:20·  來源：驅動視界  
　
變速器對于電動汽車，變速器的形態(tài)結構相比傳統(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)結構相比傳統(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構，采用飛濺潤滑方案。
少量產品采用電子油泵+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一步應用，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，從整體成本考慮具備較好的性價比。
GKN的兩檔減速器已應用于沃爾沃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年在國內正式投產，應用于長安CS75 PHEV和長城P8 PHEV。
從設計的角度，減速器的NVH也是工程師關注的重點。
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一步擴大，DHT有望達到性價比的平衡點。
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，國內包括株齒、青山、萬里揚、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則可能會由設計工程公司開發(fā)然后移交主機廠應用，AVL和雷諾就曾采用這種合作模式。
另外，一些實力較強的變速箱制造商和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部能量轉換的核心零部件，主要包含DC/DC 轉換器和車載充電機(On Board Charger, OBC)。
DC/DC轉換器
DC/DC 轉換器將能量從高壓電池包轉移至低壓蓄電池中，為汽車的空調、燈光、雨刷、防盜、音響、導航、電動轉向、安全氣囊、電子儀表、故障診斷系統(tǒng)等 12-48V 的低壓設備供電。
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。
從技術實現(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，以實現(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。
熱設計方面，一種是將產品繞組銅片延伸導熱，另一種是灌入導熱膠利用外殼進行散熱。
DC/DC轉換器主要供應商包括TDK、德爾福、聯(lián)合電子、博世、大陸、艾默生等，而國內則主要有欣銳科技、康燦新能源、英威騰等。
車載充電機(OBC)
車載充電機負責將交流電轉換為直流電，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，A00 級以上乘用車多配套 3.3kW、6.6kW 充電機。
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）調研數(shù)據(jù)，2018年中國新能源汽車車載充電機需求量122.07萬套，同比增速達50.46%。
從其市場結構來看，輸出功率大于5kW的充電機占據(jù)市場較大的份額，約為70%。
生產車載充電機的國外企業(yè)主要有科世達、艾默生、法雷奧、英飛凌、博世等企業(yè)，國內企業(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
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化為穩(wěn)定的直流電；控制電路主要是實現(xiàn)與電池之間的通信，并根據(jù)需求來控制功率驅動電路輸出一定的電壓和電流。
二極管和開關管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應用的功率半導體器件。
隨著碳化硅功率器件的應用，OBC的轉換效率已經(jīng)可以達到96%，功率密度可達1.2W/cc。
未來效率有望進一步提升至98%。


車載充電機典型拓撲結構
車載充電機具有多種功率等級，功率等級越高，充電時間就越短。
隨著電動汽車續(xù)航里程提升，電池電量普遍大于60KWh，傳統(tǒng)的3.3kW和6.6kW車載充電機功率已不能滿足當下電動汽車的慢充需求，未來車載充電機的發(fā)展趨勢之一是功率提升。
主要技術路線是從單相充電技術向三相充電技術發(fā)展。
國內三相功率水平可達41kW，相比于7kW的單相功率水平存在相當大的應用潛力。
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，作為應急或者V2G（Vehicle to Grid）電網(wǎng)功率調節(jié)使用。
根據(jù)我國規(guī)劃，V2G的規(guī)?；痉哆\行將從2020年開始，預計2026年以后實現(xiàn)商業(yè)化推廣。
類似的雙向充電技術還有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），從物理結構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與電機電控集成，如第一代雷諾ZOE的43kW自適應快充系統(tǒng)（變色龍）就是由大陸集團提供的電機和OBC進行集成。
熱管理
電動汽車熱管理主要包括電池熱管理、電機電控熱管理以及空調熱管理。
電池熱管理
動力電池最佳工作溫度范圍約 20-30℃，低溫時電池容量較低，充放電性能差；高溫時電池循環(huán)壽命會縮短，過高溫度工作甚至會出現(xiàn)爆炸等安全問題。
因此電池熱管理是對電動汽車效率及安全性的重要保障。
電池冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質可以分為風冷、液冷和相變材料（PCM）冷卻。
目前應用較多的是風冷（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）進行循環(huán)。
未來隨著電池容量進一步擴大主動液冷將成為主流方案，PCM 因為尚處研發(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)，用一個小型柴油機輔助電池升溫到0℃以上。
電機電控熱管理
驅動電機冷卻方案主要包括風冷、液冷、油冷以及灌封膠。
電控相關功率件的冷卻主要為風冷或液冷。
采用風冷的驅動電機和控制器均只能適用于較小功率，并不具備主流應用潛力。
現(xiàn)階段電機和控制器仍然普遍使用液冷方案，冷卻效果和穩(wěn)定性相比風冷都更勝一籌。
設計上主要考慮冷卻線路的布局（如水套冷卻、空心軸轉子冷卻等），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（釬焊工藝）以及電機電控集成冷卻技術（水道直連）。
油冷電機較早應用于日系混動汽車，現(xiàn)在也逐漸應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，但技術要求較高。
另外，耐高溫的環(huán)氧樹脂或有機硅灌封膠在實現(xiàn)電機封裝的同時也可以起到導熱散熱的作用。
空調熱管理
電動汽車空調的制冷系統(tǒng)中，由于沒有發(fā)動機，壓縮機需要靠電力驅動，目前廣泛采用集成了驅動電機與控制器的渦旋式電動壓縮機，容積效率高，成本低。
未來增強壓力是渦旋壓縮機的主要發(fā)展方向。
電動汽車空調制熱相對更值得關注。
由于缺少了發(fā)動機作為熱源，電動汽車通常采用PTC熱敏電阻為座艙進行制熱。
雖然這種方案升溫較快且自動恒溫，技術較為成熟，但缺點在于耗電量較大，尤其是寒冷環(huán)境下PTC加熱時可能造成電動汽車25%以上的續(xù)航能力下降。
因此熱泵空調技術逐漸成為替代方案，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《汽車空調系統(tǒng)指令》促進了空調用新型冷媒的開發(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到 2，是今后電動汽車熱泵空調的能效最優(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 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，合計占據(jù) 54%全球市場。
國內以傳統(tǒng)汽車熱管理業(yè)務為主的零部件公司，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)產品。
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