之前我们介绍了发动机的工作原理及工作特性、混动变速箱以及混动系统架构，我们了解了其各自的工作原理、特点和协调配合过程，接下来我们讲一讲新能源汽车（EV、HEV、PHEV）的电池与驱动电机，也就是我们常说的“三电系统”中的核心部件——电驱动系统。
提到新能源汽车，读者朋友们心里肯定会想到新能源汽车起步加速性好、驾驶性好、经济性好等一些优点。但同时心里也会出现焦虑：万一我的电动车跑在路上没电了还得叫拖车太麻烦了，不像传统车遍地都是加油站，即所谓的里程焦虑。或某一天报道了一条新闻，某某电动车在车库充电时，车辆自燃烧毁了，即所谓的安全焦虑。或者新能源汽车开了几年后发现电池衰减了，续驶里程下降需要更换电池时突然发现换电池的钱太贵了，够买一辆新车了，即所谓的维护焦虑。针对上述提到的新能源汽车的优缺点，我们通过电池与电机的使用特性来进行逐一破解。
一、笔者先讲一讲新能源汽车相比传统车起步加速性好、驾驶性好、经济性好这些优点。
1、新能源汽车起步加速性能好
相信开过新能源汽车的老司机在等红灯过后，车辆起步加速时发现身边燃油车只能吃自己尾气，笔者想说的是新能源汽车与传统燃油车比赛起步加速都是耍流氓。为什么这么说，那我们就来看看电机与发动机扭矩输出特性。如图所示，可以看到电机在低转速时就可以输出最大的扭矩，而发动机与电机最大的不同在于低转速时只能输出不大的扭矩。因此，传统车起步时想输出大扭矩，需要先拉高发动机转速，然后闭合离合器（但闭合过程需要很好的进行控制，否则影响车辆驾驶性），需要一定的时间达到最大扭矩。所以这就很好的解释了为何新能源汽车比传统车起步加速要快。
2、新能源汽车驾驶性好
之前的关于发动机文章中介绍了发动机的扭矩常常撒了小谎，这是由于发动机扭矩的精确程度受限于EMS内部“油气火”预估的准确程度。在台架标准环境下：稳态通常100Nm以内精度±5Nm，100Nm以上精度±5%；动态扭矩精度很差，无标准。相比发动机，电机的扭矩控制精度要求电机动态输出扭矩在0~100Nm范围内时控制精度控制在±3Nm内，电机输出扭矩超出100Nm时，精度控制在±3%内，电机动态扭矩精度比发动机高很多。因此，新能源汽车在动态行驶时传动系齿面换向时不易发生抖动。
除了响应精度外，两者扭矩响应速度也存在差别。如下图所示，发动机扭矩上升速率明显分成两段，非增压区域扭矩上升速率达到200Nm/s以上，增压区扭矩上升速度一般100Nm/s不到，而到了高原表现的更加可怜，可能连50Nm/s都达不到。电机响应速率在能够满足扭矩精度的条件下，扭矩响应速度可达到2500Nm/s。相比之下，电机扭矩响应精度高，响应速度快，动力延迟短，动力上升段符合驾驶员预期。因此，新能源汽车比传统车驾驶性要好。
3、新能源汽车经济性好
我们知道传统车发动机在高速匀速行驶时效率最高，在启停、加速、减速、怠速这些非稳态工况效率令人很崩溃，要是遇到城市低速工况，再持家的发动机也得暴躁起来。关于这个问题可以借助电机与发动机效率图进行分析。如图所示，发动机只有在2400~4000rpm以内效率最高为37%，其综合效率一般在30%以下；而电机的效率大部分区间都在85%甚至90%以上。对于PHEV车辆，高电量以纯电为主，低电量时发动机与电机相配合，发动机始终工作在高效区间内。对于EV车辆，始终用电，而且电价比燃油便宜。此外新能源汽车在滑行或制动时都有能量回收。因此，新能源汽车经济性要好于传统车。
二、说了这么多新能源汽车的优点，接下来我们聊一聊新能源汽车的“焦虑”问题以及针对“焦虑”问题的解决措施。
1、新能源汽车的“里程焦虑”
众所周知，用户的“里程焦虑”是电动汽车突出问题之一，尤其是冬季环境下续驶里程的衰减加剧了里程焦虑。当前国内外部分新能源汽车在-20℃~-15℃环境温度下高速行驶时的车辆续驶里程，如下图所示：
为何低温环境下，车辆的实际续驶里程缩水了这么多，有的只有车辆表显的一半，我们是否还能信任车辆表显续驶里程？对此我们还是从电池特性的角度来进行分析。如下图所示，环境温度越低，动力电池的初始端电压降幅越大（温度越低阻抗越大），动力电池到达截止电压的时间缩短，说明其可用容量衰减严重。因此，电池放电特性曲线很好的解释了为何低温环境下车辆的实际续驶里程缩水严重的问题。
那么为了解决用户的“里程焦虑”问题企业都采取了哪些措施呢？
首先，整车企业会对电池进行合理的温度控制。例如：增加一个高压“PTC”(热敏电阻)，利用动力电池电能，将其转化为热能对电池进行保温或加热。特斯拉Model3利用电机在驱动车辆的同时，又产生额外的热量来加热电池，使电池温度保持在最佳工作区域内。
其次，通过电池材料方面不断的创新，提高电池能量密度，提升车辆续驶里程。例如：新能源汽车应用比较多811三元锂电池（蔚来ES6、广汽AionS、几何A、宝马X1_PHEV），其NCM的配方中：N代表Ni镍，占比80%，负责提高能量密度；Co钴，占比10%，负责高倍率；Mn锰，占比10%，负责稳定性。NCM配比从523到622再到811，配方不断提高镍的含量从而提升能量密度。
最后，通过电池成组工艺创新来提升电池成组率，提高电池能量密度。例如：当前比较火的CTP（Cell To Pack）技术（电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节，减少了组装模组的端板、侧板以及用于固定模组的螺钉等紧固件，无中间商赚差价）。其代表性产品为比亚迪的刀片电池，其电芯与电池包结构如下图所示：
2、新能源汽车的“安全焦虑”
每一个新能源车企都极其重视电池安全。即便如此，还是会偶发新能源车辆的自燃问题。例如： 2018年蔚来因电池安全问题召回4803辆ES8、火遍全球的特斯拉曾经发生多起自燃问题等等消息。每一次新能源车辆自燃事件，电池安全都会被推上舆论的风口浪尖。那么新能源车是否可以安全、放心的使用？笔者从机理及当前防范措施方面给予一一解答。
车辆充电时间长为何容易发生“自燃”现象？我们需要从锂离子电池原理角度进行分析。如下图所示，当车辆进行充电（快/慢充）时正极锂离子运动到负极同时外电路电子也运动到负极使负极保持电平衡。当电池达到截止电压继续充电时，由于负极的存储格已充满了锂离子，后续的锂离子会堆积在负极材料表面，形成金属锂。金属锂由负极表面向正极的方向长出树枝状结晶，随着结晶生长，其结晶会穿破隔膜，使正负极发生短路，产生高温。在高温下电解液材料裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀破裂，让氧气进入并与堆积在负极的金属锂反应，进而发生燃烧甚至爆炸。
针对上述问题电池及整车企业采取了哪些措施呢？
首先，提升电池材料性能。例如隔膜在温度较高时，隔膜空隙自动关闭，让锂离子无法穿越，终止整个电池反应，防止电解液气化产生高压破坏电池密封结构。
其次，车企会优化电池管理系统，当锂电池充电时会设定电压上限和过充保护。
最后，车企实施了热失控时车辆报警措施，给驾乘人员安全提醒。如下图所示的电池热失控预警系统架构：热失控发生时单体电池会发生连环性的热失控反应。电池会出现温度持续快速上升、压降过快、电压过低、压力出现波动等现象。BMS根据这些现象进行判断是否向VCU发送热失控报警信号。VCU收到报警信号后会给仪表发出指令，仪表会以声音、文字及信号灯闪烁的方式向驾驶员报警。同时，VCU会上报数据中心，数据中心可立刻通过电话等方式联系车主以及通知消防部门赶往现场随时准备灭火工作。
3、新能源汽车的“维护焦虑”
新能源车主在使用新能源车辆过程中会发现：随着使用时间增加，电池可使用的容量越来越少。关于这个问题我们从电池的循环寿命与日历寿命来解释。如下图所示，通常在500次充放电循环后，完全充电的电池容量会下降10%~20%；车辆即使放置不动，其电池容量也是不断衰减的（在30℃~40℃环境下放置10年后，完全充电的电池容量会下降15%~30%）。那么，我们怎样才能解决新能源汽车的“维护焦虑”问题？
首先，通过提升电池材料性能与加工工艺提升电池寿命。例如：对电解液物质构成比例进行优化。电解液所含的物质主要是酯类溶剂，反应活性高，容易被分解，稳定性差。当酯类溶剂反应时会产生副作用，使电池可循环次数大大降低，寿命减少。电解液所含的另外一种物质：醚类溶剂，其稳定性好，同时能够抑制金属锂枝晶生长。因此，可以提升电解液中醚类溶剂的比例，改善电池寿命。特斯拉已发布电池新专利，通过修正锂与其它金属的比例来限制电池材料生产加热过程中杂质的形成，帮助电池延长使用寿命，将动力电池的使用寿命延长到160万公里（充放次数可以达到4000多次）。
其次，对电池管理系统进行优化：热管理优化、电池均衡及电池保护（防止电池发生过充、过放、过温、过流），避免电池工作在恶劣工况，保证电池寿命。
最后，通过以上措施的优化，目前有不少车企推出电池终身质保政策，从根本上消除客户的维护焦虑。例如：比亚迪、广汽丰田、蔚来、威马汽车等。
新能源汽车动力性、经济性、驾驶性好，满足一辆好车所需的品质要求。虽然新能源车也有短板，如里程焦虑、安全焦虑、维护焦虑等，但电池企业及整车企业针对这些问题也在不断的对电池技术进行创新，使新能源汽车技术不断走向成熟。相信未来新能源汽车能够取代传统汽车，让我们拭目以待。
原创作者：龙哥
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