新能源汽車三電系統(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 區別于傳統車最核心的技術是“三電”系統，主要是指電機、電池、電控。

和燃油發動機的 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，電控系統由電池管理系統和控制系統構成，管理電池組和控制電池的能量輸出以及調節電動機的轉速等，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，無法持續供電，大多以輔助動力源的形式出現。

蓄電池

蓄電池是純電動 汽車 驅動系統的唯一動力源，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為電能，類似于一個“發電廠"。

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

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

天眼查APP專業版數據顯示，目前我國有超過20萬家經營范圍含“新能源 汽車 、電動 汽車 、插電式混合動力 汽車 、燃料電池 汽車 ”，且狀態為在業、存續、遷入、遷出的新能源 汽車 相關企業。

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

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

從地域分布上看，廣東省的新能源 汽車 相關企業數量最多，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。

此外，河南省、湖南省以及浙江省的現有新能源 汽車 相關企業也均超過1萬家。

新能源 汽車 電池發展情況:

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，但商業化最成功的是鋰離子電池，并已經成為新能源 汽車 電池主流，燃料電池目前為各大車企研發目標。

當前，鋰離子電池已經成為所有新能源 汽車 電池中增長速度最快的一類。從2012 年至今，鋰離子電池行業一直呈現快速增長趨勢，并將加快取代傳統電池。

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

純電力驅動 汽車 已經成為新能源 汽車 發展的重要趨勢，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） 方式實現高壓直流到三相交流的電源變換，采用變頻器實現電機調速，采用矢量控制或直接轉矩控制實現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，轉子發熱快，高速工況下需要額外冷卻系統；功率因數低，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，目前新研制的車型已經基本不再采用。

純電池的大腦：電控系統介紹

電控系統是純電動 汽車 的大腦，其由各個子系統構成，每一個子系統一般由傳感器，信號處理電路，電控單元，控制策略，執行機構，自診斷電路和指示燈組成。

純電動 汽車 的電控系統主要包括整車控制系統，電機控制系統和電池管理系統，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 發展的核心技術。

電控系統的主要功能包括：

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

2)電控系統對關鍵信息的模擬量狀態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送到電池管理系統，提供各個部件當前能量的信息狀態。

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

5)對 汽車 具有保護功能，在突發或者緊急情況下可自動復位電動機。

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

BMS 提供電池出現的問題及狀況，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中，通過該系統來執行相關的充放電行為。

整車控制系統（VCU ）

VCU 是實現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；通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，由 VCU 判斷處理后，向動力系統、動力電池系統發送車輛的運行狀態控制指令，同時控制車載附件電力系統的工作模式；VCU 具有整車系統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 中的應用呈現出多樣性，從簡單的車燈控制到復雜的發動機控制、 汽車 遠程通信實現，高、中、低端 MCU 在 汽車 中都可以發揮作用。

不同 汽車 電子系統對 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（BMS）

電池管理系統（BMS）作為保護動力鋰離子電池使用安全的控制系統，時刻監控電池的使用狀態，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、熱管理系統、箱體和 BMS。

電池管理系統（Battery Management System，縮寫 BMS）是對電池進行管理的系統，主要負責監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、檢測電池的使用狀態、管控電池的循環壽命、在充電過程中對電池進行熱管理、啟停鋰電池冷卻系統，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，中外行業研究整理推送