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张建华:新能源汽车后补贴时代 技术降成本路线探讨

  • 原创
  • 2016-12-21 20:47
  • 来源:电动汽车资源网

摘要:带充电功能的电机驱动器和具有BMS功能的整车控制器作为整车三大核心技术是发展趋势,相关企业要提前布局,特别是有实力的企业,而随之而来的相关企业横向纵向整合也是必然的。

随着新能源汽车后补贴时代的到来,技术发展与运营创新成为当前形势下推动新能源汽车行业进步的重中之重。12月21日,以“后补贴时代技术创新发展思路“为主题的2016第三届中国新能源汽车总工技术峰会暨第二届运营商与车企对接采购交流会在深圳中海凯骊酒店盛大开幕。本次大会由电动汽车资源网、中国新能源汽车总工技术峰会组委会主办,近千位来自国内领先的主机厂、核心零部件企业、运营商、行业院校机构等各领域精英齐聚深圳,共同参与这一专为新能源汽车人打造的行业盛会。

张建华:新能源汽车后补贴时代 技术降成本路线探讨

大会为期三天, 21日下午的会议围绕“整车企业技术创新及降成本策略”邀请业内专家、学者与国内领先的主机厂、核心零部件企业等各领域精英展开探讨。江苏卡威汽车工业集团有限公司总工程师、电动汽车资源网总编张建华作题为“后补贴时代之技术降成本技术路线探讨”的演讲。以下是他演讲的主要内容:

一、新能源汽车面临的现状

从补贴政策来看,国家补贴逐年减少,地方补贴因多种原因金额不确定;北上广深补贴最好,地方保护严重;

2015年底新能源汽车市场订单剧增,获取订单方式如下:通过企业实力、通过市场关系、通过不合法手段。结果由于不规范操作定性为骗补,国家四部委干预,查处骗补。

2016年全年为新能源汽车补贴政策调整期,国家四部委继续深入企业查处骗补行为;产生的结果是部分企业度日如年、举步维艰!在12月份公告批复后,各企业抢时间、尽可能按公告数量出车;但由于采购周期等因素限制、各企业出车数量不会太多。

从2017年开始,国家补贴降低40%,地方补贴随之而降;补贴下降,管理规范,监控严格,对新能源企业 实力提出严峻挑战:技术有储备,资金要雄厚;市场竞争能力体现在产品价格、 产品质量、售后服务。

企业如何在这样的大环境下脱颖而出?拥有核心竞争力是其关键,通过技术创新降成本是其唯一途径。

二、技术降成本路线

车身轮胎等常规零部件降成本为常规渠道,不做讨论。

站在整车角度来看,传统燃油车构成特点:发动机、整车、底盘、低压电气(电压为12V/24V), 传统燃油车核心技术:发动机及自动变速箱, 从发展的历史来看,核心技术为国外企业控制,外国品牌主导; 新能源电驱动汽车构成特点: 大三电、整车、底盘、小三电(高、低压电气), 低压电气:12V/24V,高压电气:310V/540V; 新能源电驱动汽车核心技术:三电系统(电机、电池、电控)。

新能源的驱动汽车核心技术:三电系统,电机、电池、电控,国内企业拥有相关的核心技术,在核心技术方面处于较为领先的地位,但由于资金等桎梏,动力总成和集成方面远远不够。

技术术语解释

三大核心技术包括电机、电池、电控。 

电机:电机及变速箱系统;

电池:电芯、模组、PACK系统;

电控:整车控制器、电机驱动器;动力电池管理器(BMS);

行业配套术语:大三电:电机、电机控制器、电池;小三电:车载充电机、DC/DC、高压配电箱。

整车角度降成本要求:在保证品质的基础上、通过各种措施降低成本,可从横向、纵向两个方面着手,本文重点对大三电(电机、电机控制器、电池)和小三电(车载充电机、DC/DC、高压配电盒)及与大小三电有关产品做技术探讨。

能源电动汽车核心配套降成本技术关键:新提高产品品质,减低产品成本是整车及关键零部件供应商的必然之路。降成本有两个途径: 

a .通过批量及大批量采购降成本,此为通用做法;

b.通过顶层设计及优化系统方案,此为技术提升法则,需要综合考虑如下因素: 动力电池系统电压等级选择;功率器件选型;系统整合等。

从供应链角度降成本:220VAC及380VAC工业产品覆盖新能源整车及充电系统;数量最大、采购最容易、成本最易控制; 220VAC系列:满足2000VDC高压测试; 380VAC系列:满足2500VDC高压测试;大小三电的辅助配套产品。

应用在新能源汽车上的大小三电产品 :

1.在新能源汽车上原发动机系统由以下产品所替代: 大三电产品 :电机,电池,电机控制器等;小三电产品:车载充电机,DC/DC,高压配电盒等;工业电气产品用电特点:工业电气产品有两个交流电压工作等级; 250VAC,标称电压220VAC(单相); 440VAC,标称电压380VAC(三相); 四个电流等级:10A,16A,32A,63A。工业电气产品直流电压工作等级:310V直流工作电压等级; 540V直流工作电压等级。

2.新能源电动汽车关键零部件(大小三电)降成本技术路线:新能源电动汽车上的大三电(电机、电池、电机控制器控)及小三电(车载充电机、DC/DC、高压配电盒)产品均来自于工业电气应用领域; 在工业应用中:电机控制器(变频器)、车载充电机及非车载充电设备有两个工作电压平台,如前所述:交流220VAC/整流后310VDC;交流380VAC/整流后540VDC。

a.应用在工业电气领域的核心关键功率器件选型原则:功率器件在AC/DC,DC/DC,DC/AC等产品中是非常关键的核心零部件,且占成本比重较大。在三相380AC电压等级(380AC/540VDC)中:电机控制器,车载及非车载充电机,DC/DC等产品所使用的功率器件包括:整流二极管D,功率三极管IGBT等;通常选择1200VDC电压等级功率器件;在单项220VAC电压等级(220AC/310VDC)中:电机控制器,车载充电机,DC/DC等产品所使用的功率器件包括:整流二极管D,功率管MOS等; 通常选择650VDC电压等级功率器件; 这两种电压等级的功率器件目前是市场上用量最大,价格最有优势,具有最高性价比,货源充足,采购便利,大批量采购具有极大降价空间。

b.新能源电动汽车整车设计技术关键点:大小三电产品功率器件选择650VDC电压等级所适应的动力电池系统总电压范围:磷酸铁锂电池(3.2V),电池节数推荐:90串-110串; 动力电池最高电压:396VDC; 三元锂电池(3.7V),电池节数推荐:85串-95串;动力电池最高电压:399VDC。注:直流电压400VDC是650VDC功率器件的极限安全电压。

大小三电产品功率器件选择1200VDC电压等级所适应的动力电池系统总电压范围: 磷酸铁锂电池(3.2V)电池节数推荐:180串-200串; 三元锂电池(3.7V),电池节数推荐:160串-176串;动力电池最高电压:740VDC。 注:直流电压750VDC是1200VDC功率器件的极限安全电压。

c.新能源电动汽车核心零部件降成本方案推荐:根据上述工业电气产品电压适应范围,推荐两个具有降成本优势的电压等级:310 VDC电压等级适合于乘用车系列 ,包括:轿车,SUV,MPV及小型物流车系列等; 540VDC电压等级适合于商用车系列,包括:6-12米客车,大型物流车,特种工程车系列等。

从技术角度降成本:

 1)通过提高电压等级降成本实现两个目标:IGBT功率损耗降低,利用率提高;电压等级提升,线损降低,重量减轻,续驶里程提高。

目前有两个电压等级平台:310VDC(220VAC电压平台)电压等级:乘用车、小物流车上; 540 VDC(380VDC电压平台)电压等级:商用车;电机驱动器用IGBT最高耐压:1200V;最佳工作电压范围:500-750V;功率器件利用率最大化:P=IV;电压等级提高;电流减少;线路功率损耗最小化:P=IxIxR;电流减少,损耗减少,线材减轻;电机及控制器:62KW(310V/200A);  108KW(540V/200A)。

推荐:磷酸铁锂:180-200节串联(最高电压低于730V);三元:160-176节串联(最高电压低于748V); 实现:功率器件利用率最大化,线路功率损耗最小化; 对动力电池的一致性提出更高的要求。

2)通过系统集成降成本:系统集成包括:二合一、三合一、四合一、五合一等;整车企业会依据目前的整车产品状态提出系统集成要求,通过系统集成整车可实现如下目标: 减重:壳体、连接线、接插头等;可靠性增加;目前接插头是整车系统不可靠因素之一;电磁兼容指标提升,容易实现; IP防护等级提升,容易实现。

乘用车、商用车、纯电动车、混合动力车都会有各自的降成本目标,系统集成是必然趋势;通过结构的整合,高压配电箱(继电保护单元)内的继电器,保险等位置将会有所调整,依据车型状况而定。

案例:田普锐斯:两大结构;前舱:压铸件结构,四合一; DC/DC,电机驱动器(含双向DC),BMS,车载充电机。优点:一体化密封壳体:IP防护等级达到(IP67)、电磁兼容指标大幅提升,实现高安全、可靠性;成本大幅度降低:省略线束、接插件、壳体等;线束、结构件减少,结果可靠性大幅提升;第二排座椅后背内胆:动力电池系统;动力电池系统包括:镍氢电池,散热系统,继电保护单元;优点:安全性高、防护等级高。

3)技术创新之功能扩充降成本:电机驱动器+充电器二合一 、将电机驱动器与充电器二合一 、简称:带充电功能的电机驱动器;将取消车载充电机(3.3KW,7KW);与三相交流充电桩结合(380V,63A,40KW)。最大提供40KW的供电能力:对于一台带40度电的新能源汽车一小时充满;带80度电的新能源汽车两小时充满;可以满足一般乘用车一小时充电需求;同时可以实现V2G,使新能源汽车成为移动的储能电站成为可能。

三相交流充电桩(380V、63A、40KW)特点:成本低廉,易于布控,不存在三相平衡问题。可实现:买车送充电桩(充电盘); 随车解决充电难问题; 充电盘:仅为家庭用,不适合公共使用。

BMS上位机与整车控制器二合一 、BMS下位机(采样与均衡)与均衡充电合二为一:

1)技术可实现,成本可降低;

2)可为整车解决三大问题:整车系统联调更为简单、容易;整车售后服务更为简单、容易;

3)动力电池一致性要求降低,使电芯及PACK采购成本降低。 BMS企业将面临挑战:可向两个方向延伸。

4)电芯及PACK的横向纵向整合 。

电芯、PACK成本分析

圆柱形(18650): 单只电芯成本便宜,PACK成本高,售后维护及二次利用困难;多组并联,串联:对分容配组有挑战;系统一致性要求; 方形:电芯大批量后成本会降低; PACK成本低,售后维护防备;电芯二次利用成本低,利用价值高;软包:安全性最高;单只电芯成本便宜,PACK成本高,售后维护及二次利用困难;多组并联,串联:分容配组有挑战;系统一致性要求。

横向联合:中小电芯企业:抱团取暖;分工协作、提高品质、降低成本:一个企业只做一种电芯、  一种型号。18650问题:目前小企业太多,要形成合力,统一采购。

纵向联合:纯PACK企业:两头不靠,电芯拿来,给整车供货;  最佳组合:电芯,PACK,整车组成联合体。

续驶里程问题探讨,着重两个方面:1)依据市场及用户需求合理配置动力电池,动力电池系统及容量的选择确定整车续驶里程;2)从技术角度需要提升三个方面效率:动力电池系统的充放电效率大于96%;驱动系统(电机、电机控制器及变速箱)全工况的效率;动力电池系统和驱动系统的综合全工况效率;三大系统效率提升,续驶里程加长,成本降低。

这方面的测试属于缺失项,没有一套功能齐全的综合测试设备。

没有最好,只有更好!根据不同的车型,做不同的配置。目前阶段工作重点是结构优化:二合一、三合一、四合一、五合一都需要;乘用车、商用车、物流车会根据不同的需要提出相应需求,请各配套企业做好准备!

三、结论

永恒的主题:技术创新

带充电功能的电机驱动器和具有BMS功能的整车控制器作为整车三大核心技术是发展趋势,相关企业要提前布局,特别是有实力的企业,而随之而来的相关企业横向纵向整合也是必然的。

作为整车企业提高品质,降低成本为用户提供更好的产品是其使命所在,希望大小三电配套企业能够和整车企业一同发展!

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