新能源汽车成本结构_新能源汽车电池成本分析 - 全文

文章来源:电子发烧友 发布时间:2019-02-20
分享到
动汽车的成本构成如下所示:动力系统、底盘、车身、内饰、电子及其他。以下讲的成本分析,基本都是常规电动汽车而言。详见正文.

1、新能源汽车成本构成

2755780_1P105094309409.jpg

--电池:40%;

--电机:15%;

--电控:12%;

--电驱动零部件:8%;

--其它:25%

2、锂电池成本构成

锂电池成本构成:

--材料:70%,

--人工、水电: 20%;

--折旧:10%。

原材料中:

--正极:30%-40%;

--隔膜:15%-30%;

--电解液:20%-30%;

--负极:5%-15%

3、主要厂商

电池:

--正极:

2755780_1P105094640C2.jpg

--隔膜:

--电解液:

--负极:

2755780_1P1050946144L.jpg

电机电控:

永磁电机是使用最广泛的新能源汽车电机。电机驱动系统作为新能源汽车的主要执行结构,是新能源汽车核心系统之一,具有较高的技术难度及制造门槛。驱动电机系统的性能决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。由于电动汽车对电机的要求不断变化,电机的技术路线也经过多次变革。

在国内电机市场,目前国内主要电动车企业主要采用国内电驱动产品,其中主要的参与者可以分为三类:

1)具有其他领域电机生产经验的传统的电机企业,未来有望转型做新能源汽车电机,如$大洋电机(SZ002249)$ 、$信质电机(SZ002664)$ 等;

2)专注于制作新能源汽车电驱动系统,如上海电驱动、上海大郡、北京精进等;

3)整车企业,主要以$比亚迪(SZ002594)$ 为主,实现全产业链自给。

在国内市场,目前比亚迪(SZ002594)和上海电驱动占据了半壁江山,比亚迪所占市场份额约在25%~30%;上海电驱动市场份额大约在20%~23%。

 

新能源汽车零部件成本结构

电动汽车最大的成本在电池、电机、电控“三大电”系统,其中动力电池成本首当其冲。国内外新能源汽车行业巨头特斯拉、BYD均战略性扩建了动力电池工厂,以保证相应的产能,事实上,这两家电动车企业的产销规模位列世界前列,而BYD动力电池的装机量为国内乃至世界的佼佼者。得动力电池者得新能源汽车市场也。

2755780_1P105093T4Z0.jpg

目前,国内动力电池技术不断进步,电池品质区隔度逐步提升,规模优势下的成本差异也不断增大,行业集中度逐渐提升,寡头竞争的苗头显现。从市场统计看,2015 年动力电池行业CR5为 59%,2016年提升到 68%,电池企业加速集中,联合主机厂的趋势不可逆转;从企业合资合作动态看,北汽与韩国SK、国轩高科合资,A123与上汽、广汽合资合作,主流电池企业与知名整车企业的合作关系日益紧密,而本次上汽与宁德时代的合资将进一步催化行业的强强联合。

 

新能源汽车电池成本分析

与传统燃油车相比,新能源汽车的动力系统多出了电机、电池等几个核心部件,于是消费者在选购新能源汽车时,电池技术也是一个值得关注的点,电池技术的强弱不仅直接影响节能效率、续航里程,而且还关乎着安全问题。君不见,三星手机那小小电池的爆炸都能伤及人身,更何况成百上千倍大小的汽车动力系统电池?

电池技术是一个很复杂的系统工程,当下主流新能源车型的电池包技术差异,主要体现在电池管理系统、高压安全管理和热管理三个方面。为了便于理解,可以从目前主流的纯电动、串联式混动、功率分流(行星齿轮)式混动类别进行分析,其中最具代表性的车型有特斯拉、宝马i3与别克VELITE5。

2755780_1P105094Z3I9.jpg

1.老道的通用宝马,青涩的特斯拉

电池管理系统(BMS)是电池包的核心,承担着对电池所有参数的读取以及电池热、均衡方面的工作。换句话说,电池管理系统的可靠性直接关系到整个电池包的可靠性以及安全性。在BMS系统的技术差异主要在3个方面:骨骼(硬件电路板)、心脏(芯片)与神经网络(系统架构)。

大概是出于IT公司背景,特斯拉的硬件电路板所采用的接插件并非汽车级,两个插排更像是调试接口,这种接口在IT产品上经常使用,但在粉尘、振动等恶劣的汽车运行环境中使用,是否会产生问题,那仍是一个未知数。如果不是亲眼看到这块来自于拆车实拍的板子,很难让人相信特斯拉的心如此之大,敢用这样不满足汽车级安全要求标准的电路板。

2755780_1P105095110M5.jpg

传统车企在这方面采用的是另一套思路,比如通用在别克VELITE5上用的BMS电路板,布局相对工整,使用的接插件也都是汽车级,可以满足车辆使用和运输过程中震动、温度、腐蚀等苛刻环境。

而对于BMS的“心脏”——一芯片,特斯拉的IT基因同样促使他们使用了一些IT行业的芯片,比如DSP、ARM、FPGA等。这些工业级芯片虽然速度很快,性能很强,但由于没有汽车级的试验认证,能否保证在各种恶劣的环境下稳定工作,这同样有待考证。

通用和宝马则“保守”地使用传统汽车级芯片,单片机一般都是飞思卡尔或者Infineon这样的传统汽车芯片,硬件设计满足ISO26262的ASIL C等级以上。另外,通用汽车做BMS的团队和原动力总成是同一个团队,使用的硬件平台也是动力总成平台,经过了发动机好几十年的经验积累,稳定可靠是非常有保障的。

2755780_1P105095014I3.jpg

至于系统架构方面,通用和宝马都采用了分布式管理系统,通过主BMS对各个模组控制器(CSC)进行管理,一般有8个模组控制器,通过CAN总线进行连接。

按照汽车行业的传统,为了保证CSC通讯不失效,通用和宝马都采用了菊花链式的总线布局。通用则更为谨慎,VELITE 5为了防止CAN总线出现故障,使用了双路CAN总线备份的策略。这样一来成本高出不少,但是确实起到了安全可靠的效果。这种谨慎的设计方法,可以理解为相对保守,但这种把钱花在了消费者身上的做法,又有何不妥呢?

相比之下,特斯拉就显得简单很多,16个模组仅通过一条CAN线连接,采用总线形式。从实物图中可以看到,特斯拉的模块组控制器很简单,主芯片仅为一块8051。非业内人士也许认为这一块电路板绿油油的挺好看,反正又不是戴在头上,但业内人士能看出来,这种使用低成本芯片、单条CAN总线的省成本做法,会使电路设计削弱了一定的安全性。

 

2.高压安全管理:一分钱一分货

出于维修保养、以及在紧急情况下切断高压、保护乘客安全的需要,每个电池包都要设计高压切断装置。打个比方,汽车电池里的高压切断装置就像是家里的总闸保险丝。而在这个设计上,不同车企也有不同的技术路线。

特斯拉和宝马i3都采用了维修开关,通过断开电池高压继电器的供电,从而使得继电器无法保持结合。这种方法虽然比较简单,通过断开低压的方式断开高压,但是在电池包继电器粘连的情况下,无法断开整车和高压之间的连接,在出现事故时无法从根本上杜绝高压触电的危险。之所以选择该方案,主要是因为成本低廉(只是一个低压接插件的成本),而且不用考虑开关的高压防护,机械设计上也比较简单。

用的方案则比较符合安全至上的传统,一直使用电池包内MSD(Manual Service Disconnect)的方案。这种原理上是直接断开高压电池和外界的连接,即使高压继电器粘连了,也能通过MSD断开连接,较为可靠。但是因为MSD直接切断高压,所需要的防护等级很高,机械锁止机构也比较复杂,因而大大增加了成本。

高压电池包的继电器诊断是一个很关键的问题,在这方面不同的整车厂也有不同的策略。特斯拉采用的是双触电继电器,即实际为一大一小两个继电器,同步运行。大的继电器用于导通电池包高压,而小的继电器直接接回BMS做诊断。这种思想很简单,两个同步的继电器状态应该一致。更重要的是,这种方案结构简单,节约了成本。但是在实际使用中,无法避免两个继电器不同步的失效模式,可能会触发误诊断或者漏诊断。

别克VELITE5使用的继电器诊断方案则比较严谨,通过测量继电器内、外端对地的电压,结合主动放电状态,计算当前每个继电器的状态。这种方案可以确保稳定可靠。

安全问题就是汽车企业的黑天鹅。忽视安全问题,也许像是挣脱了枷锁,可以发展得更快,但也面临着发展道路戛然而止的风险(也可能风险未爆发,从而取得先机,这叫“机会主义路线”)。特斯拉在这方面,未免有些冒进了。

 

3.热管理:温差越小、寿命越长

电池的性能很大程度上取决于一致性:一方面是电池本体的一致性,另一方面是工作环境(主要是温度)的一致性。换句话说,即使电池本体一致性非常好,但如果工作在不同的温度环境中,其性能也会显著下降,因此,热管理是电池技术中非常重要的一方面。在热管理方面,不同的厂家也有不同的思路。

2755780_1P10509520W59.jpg

通俗点说,电池的原理符合木桶原理,也就是说性能取决于温度环境最差的那个单体,所以电池的温度均衡性在很大程度上决定了电池包的性能,而电池热均衡性向来是电池包热管理设计的难点。

通用的VELITE5电池集成技术来源于第二代Volt电池管理的技术基础,是目前电池集成与管理方面的较高水平:由3段96S2P电池(96个电芯Cell,每个电芯包含2个电芯对Cell Pair)组成,外部由高压压铸铝板进行相应的保护,内部还包含必须的高低压线束以及散热管Thermal Plumbing,并在电芯间加入了水冷散热鳍片,模块化设计使得可以灵活配置电池组的外形与容量。另外也设计了多种模式的热管理系统,可以用废热给电池加热,也可以用空调给电池冷却,设计非常节能和精妙,有效地增加了电池寿命和性能。

VELITE5独创的水冷散热鳍片设计,可以保证各个单体的均衡性,从而使得电池能够在-30~60度的范围内正常工作。使电池组内的温度差可控制在2°C以内,支持8年的电池组寿命保证期。

宝马的电池技术相对比较保守,采用了传统的片状设计,热管理仅仅通过底层的管路进行。这样导致的后果就是靠近底层的单体热交换较多,而远离底层的单体热交换较少,同时进水口和出水口附近单体温度偏差较大。所以i3的电池包正常工作范围只能到40度。不过整个电池包被分成了三组冷却,一定程度上解决了温度均衡问题。

2755780_1P105095305U1.jpg

再来看特斯拉的冷却系统,整个16个模组被分成两组,冷却水只有两进两出,经过8个电池组之后温差可能有5度以上,而且无散热鳞片设计,纵向的温差更加无法控制。这样的设计,时间长了电池性能会受到很大影响。作为一名工程师,在我看来,特斯拉独创性地管理几千节18650水平,已经是巨大的创新,电池管理水平已不低;但在通用这种“老司机”炫技一般的工程水平看来,还是略显稚嫩。

 

4.小结

特斯拉是纯电动汽车,宝马i3、别克VELTE 5属于增程式插电混动(EREV),其电池容量都比较大,电池技术对整车技术水平的影响也比较大。

三者的电池技术比较而言,特斯拉是初生牛犊不怕虎,什么技术都敢用;宝马i3在电池管理系统、高压管理、热管理方面都中规中矩,没用太多创新的技术;别克VELITE 5则像一个非要和自己产品较劲的老工程师,有一颗炫技的心、也有充足的技术兵力,特别是在电池热管理方面,应该是代表了当下的最高水平。

收藏
赞一下
0