新能源汽车三电系统(电池、电机、电控)你了解多少？

2020年，中国的汽车保有量超过2.75亿辆，超越美国成为世界上规模最大的汽车保有国。

与此同时，在国家政策大力支持、制造技术逐渐成熟、居民购买力不断提高等利好因素的共同作用下，我国新能源车保有量也大幅提升，成为全球最大的新能源车市场。

新能源汽车区别于传统车最核心的技术是“三电”系统，主要是指电机、电池、电控。

和燃油发动机的汽车相比，纯电动汽车使用电动机代替了燃油车的柴油/汽油发动机；以电池组代替了燃油，为电动机提供动力；其中还有一个最主要的部件就是电控系统，电控系统由电池管理系统和控制系统构成，管理电池组和控制电池的能量输出以及调节电动机的转速等，是连接新能源电池和电机的重要中间载体。

电池：制约新能源汽车发展的关键因素

电池技术是新能源汽车的核心技术，是制约新能源汽车发展的关键因素。

新能源汽车电池主要分类: 从全球新能源汽车的发展来看，新能源汽车动力来源主要有蓄电池、燃料电池以及超级电容器三类。

其中超级电容器由于储电容量低的缺陷，无法持续供电，大多以辅助动力源的形式出现。

蓄电池

蓄电池是纯电动汽车驱动系统的唯一动力源，主要有锂离子电池、镍镉电池和镍氢电池等。其中锂离子电池以其独特的物理和电化学性能，目前正处于高速发展阶段。

燃料电池

燃料电池是一种电化学装置，将燃料具有的化学能直接变为电能，类似于一个“发电厂"。

燃料电池为一次电池，能量转化效率高、使用寿命较长、能连续大功率供电，但使用成本高。

由于其续航能力与燃油汽车相当，新能源汽车电池技术的开发中具有较强竞争力。

天眼查APP专业版数据显示，目前我国有超过20万家经营范围含“新能源汽车、电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车”，且状态为在业、存续、迁入、迁出的新能源汽车相关企业。

其中88%的相关企业为有限责任公司，近3成的相关企业注册资本在1000万以上。

从行业分布上看，53%的新能源汽车相关企业分布在批发和零售业，另有15%的相关企业分布在科学研究和技术服务业，10%分布在租赁和商务服务业。

从地域分布上看，广东省的新能源汽车相关企业数量最多，超过2.5万家。其次为山东省和江苏省，两省分别有超过1.9万家和1.8万家相关企业。

此外，河南省、湖南省以及浙江省的现有新能源汽车相关企业也均超过1万家。

新能源汽车电池发展情况:

由于各种动力电池自身的性能、涉及的材料以及开发成本等差异，形成了不同的使用前景。

在上述主要的新能源汽车电池类别中，目前技术最成熟的是镍氢电池，但商业化最成功的是锂离子电池，并已经成为新能源汽车电池主流，燃料电池目前为各大车企研发目标。

当前，锂离子电池已经成为所有新能源汽车电池中增长速度最快的一类。从2012 年至今，锂离子电池行业一直呈现快速增长趋势，并将加快取代传统电池。

随着科学技术的进步，汽车产业将不断升级，锂离子电池将保持持续增长速度，并且成本将会呈下降态势。

纯电力驱动汽车已经成为新能源汽车发展的重要趋势，大众集团计划 2025 年前提供超过 30 款电动汽车。

近几年来，随着新能源汽车电池相关基础技术的成熟化，不断突破技术难点，燃料电池技术也取得了重大进展。

电机：汽车核心驱动部件

新能源汽车电机主要是由定子、转子和机械结构三大部分组成。定子和转子是其中的核心，主要原理是转子绕组通过切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

目前，应用于新能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类，其中在目前乘用车、商用车领域应用较为广泛的电机包括直流（无刷）电机、交流感应（异步）电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。

其他特殊类型的驱动电机包括轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器（ Dmp-EVT），目前市场化应用较少，是否能够大规模推广需要更长时间的车型验证。

1）交流异步电机，也称为感应电机（Induction Motor），在定子绕组中输入三相交流电，定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场， 此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动。

当转子带有机械负载时，转子电流增加，由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加。

交流异步电机控制器采用脉宽调制（ PWM） 方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频器实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应，满足负载变化特性的要求。

交流异步电机的优点在于结构简单，定子转子无直接接触，运行可靠性强，转速高，维护成本低。

不足之处在于能耗高，转子发热快，高速工况下需要额外冷却系统；功率因数低，需要大容量的变频器，造价较高，调速性较差。

目前，交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

2）永磁电机（Permanent Magnetic Motor） 包括永磁同步电机（正弦波）和永磁无刷直流电机（方波）两大类，其转子均由永磁材料制成， 定子采用三相绕组，输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。

永磁同步电机的优点在于其较大的转矩和驱动效率，具有高功率密度和宽调速范围，且没有励磁损耗和散热问题，电机结构简单，体积比同功率的异步电机小 15%以上；其缺点在于高速运行时控制复杂，永磁体退磁问题目前难以解决， 电机造价较高。

目前，永磁同步电机主要应用于体积小，且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域，部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。

3）开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成，利用冲片上的齿槽构成双凸极结构， 定子产生扭曲磁场，利用“磁阻最小原理”驱动转子运动。

开关磁阻电机结构和控制简单、出力大，可靠性高，成本低，起动制动性能好，运行效率高，但电机噪声高，但转矩脉动严重，非线性严重，在电动汽车驱动中有利有弊，目前电动汽车应用较少。

4）直流电机（DC Motor）通过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以产生磁场，转子电枢绕组也通以直流电，通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运行。

直流电机控制器一般采用晶闸管脉宽调制方式（ PWM），控制性能好，调速平滑度高，控制简单，技术成熟，且成本较低。

直流电机的缺点是需要独立的电刷和换向器，导致速度提升受限；电刷易损耗，维护成本较高。

直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统，目前新研制的车型已经基本不再采用。

纯电池的大脑：电控系统介绍

电控系统是纯电动汽车的大脑，其由各个子系统构成，每一个子系统一般由传感器，信号处理电路，电控单元，控制策略，执行机构，自诊断电路和指示灯组成。

纯电动汽车的电控系统主要包括整车控制系统，电机控制系统和电池管理系统，各技术分支的功能不是简单的叠加，而是综合各个分支功能来控制汽车。电子控制技术是纯电动汽车发展的核心技术。

电控系统的主要功能包括：

1)接收来自驾驶员的操作命令，并向各个控制部件发送控制指令，使汽车按照驾驶员的预期行驶。

2)电控系统对关键信息的模拟量状态通过传感器进行采集并输入到相关控制部件的信号通道。

3)接收到的各个部件的信息发送到电池管理系统，提供各个部件当前能量的信息状态。

4)对系统故障可判断和存储，实时检测系统信息，记录电动汽车运行过程中出现的故障。

5)对汽车具有保护功能，在突发或者紧急情况下可自动复位电动机。

在汽车电控系统中，整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）是最重要的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

BMS 提供电池出现的问题及状况，MCU 提供电池电能的利用与收回信息，VCU 主要是整理合并以上收到的信息，针对电池充放电的电压、电流、功率等指数进行分析处置后，及时鉴别电池的安全逻辑，并将形成的相关指令传送至电池管理系统中，通过该系统来执行相关的充放电行为。

整车控制系统（VCU ）

VCU 是实现整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。

VCU 通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由 VCU 判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式；VCU 具有整车系统故障诊断保护与存储功能。

电机控制器（MCU）

电机控制器（MCU）通过接收 VCU 的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。

实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。

车用 MCU 在汽车中的应用呈现出多样性，从简单的车灯控制到复杂的发动机控制、汽车远程通信实现，高、中、低端 MCU 在汽车中都可以发挥作用。

不同汽车电子系统对 MCU 的要求是不同的，也就决定了车用 MCU 的多样性。

电池管理系统（BMS）

电池管理系统（BMS）作为保护动力锂离子电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状态，通过必要措施缓解电池组的不一致性，为新能源车辆的使用安全提供保障。

电动汽车动力电池是由几千个小电芯组成的，电池包的组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和 BMS。

电池管理系统（Battery Management System，缩写 BMS）是对电池进行管理的系统，主要负责监测和管理整个电池组的政策工作：

主要功能包括估测电流的电荷状态、检测电池的使用状态、管控电池的循环寿命、在充电过程中对电池进行热管理、启停锂电池冷却系统，同时也管理单体电池间的均衡，防止单体电池过充过放产生的危险。

注：本文内容主要摘自天风证券，中外行业研究整理推送