我國新能源汽車發展到哪一步了,新能源汽車的三電有核心技術專利或攻克成果嗎,如果有的話,為什麼家電不採用新能源汽車的電機技術呢?原因是什麼?
汽車行業正在經歷
電動化與智慧化
的變革,題主提到的
“三電技術”就屬於電動化的範疇:電池、電機、電控
。
從三電技術來看,我認為是有突破的,用資料來說話:以電池為例,中國企業的出貨量由2011年的1。08GWh上升至2017年的62。35GWh,市場佔比由2。32%上升至42。1%[1],
由弱變強、努力追趕
。
到2021年第一季度,前十名過半為中國企業,其中寧德時代裝機量佔比31。5%[2],天下三分獨佔一分,穩居第一,
完成了反超
。
圖片來源[2]
有人可能質疑:
題主問的是“技術突破”,你光在這裡扯產量有用嗎
?
我的迴應是:鋰離子電池可不是種白菜、造玩具、織襯衫,只要投入資源與勞動就可以提高產量;
取得領先銷量的前提,就是電池綜合性能必須先進
;再說具體一點,
寧德時代的CTP技術
[3]
、比亞迪的刀片電池
[4]不就是電池技術突破嗎?
那電機呢
?
不像電池有一段從落後到反超的故事,中國的造車新勢力從一開始就能用上
自主品牌的先進電機
:例如小鵬P7用的精進與方正的
永磁同步電機
,蔚來ES6則用的自家蔚然動力的
永磁同步電機與感應非同步電機
。
為什麼說
永磁同步與感應非同步電機比較先進
呢? 首先我們看一張經典的電機分類圖:
一開始,電機都是結構與控制都比較簡單的直流電機。直到20世紀60至80年代,隨著
空間向量調製控制技術(SVPWM, Space Vector PWM)
、
IGBT的發明與商業推廣
和
先進處理器的發明使用
,交流電機才得以蓬勃發展[5]。
圖片來源[5]
永磁同步電機與感應非同步電機均屬於交流電機
,它們用上了
先進的控制理論、功率電子技術、訊號處理器件
,那麼和直流電機相比效能如何呢?
如下圖[6],咱們做個對比就可以發現,永磁同步電機是其中的佼佼者:
功率密度最高、峰值效率最高、可靠性優秀
。用通俗的話來概括就是:
小而輕,勁大又省電,還不容易壞
!要說缺點,主要是成本較高。
圖片來源[6]
咱們自主品牌電動乘用車大多搭載了
先進的永磁同步電機,而且大部分是國產的
[7]:
圖片來源[7]
綜上,從
電池與電機核心零部件國產化
的角度來看,我國新能源汽車三電技術肯定是有突破的,起碼要比燃油車核心零部件的突破要大。
車用電機能否用到洗衣機上?
首先,我沒有查到直接將車用電機應用到洗衣機上的案例。想想這也很自然:
車用電機功率一般在50-200kW,比洗衣機的功率大了幾百倍甚至上千倍,肯定不適合直接裝上去用
。那我們換個角度來看這個問題:
觀察電動車與洗衣機的電機應用史
。
1881年,法國人古斯塔夫製造了世界第一輛電動車[8],使用的是直流電機。直到100年後,德國大眾和日本豐田才分別於1992年和1996年第一次使用了永磁同步電機。
那電機在洗衣機上的應用處於什麼階段呢
?以走在行業前列的海爾為例:
直流電機時代
:2005年之前,海爾使用的是
串勵直流電機+皮帶傳動
,這也代表了行業一般水平。
交流電機時代
:2005年之後,海爾開始使用
交流電機+皮帶傳動
,也逐漸帶動整個行業往這個方向發展。
直驅電機時代
:2012年,海爾又開行業之先河,率先使用
斐雪派克(FPA, Fisher&Paykel)直驅電機(DD, Direct Drive)
,取消了皮帶傳動。
斐雪派克直驅電機
屬於電機的哪一類呢? 光從名字還看不出來,於是我們來到斐雪派克官網[9],找到電機產品手冊並下載:
從產品手冊可以查到線索:此電機有36個轉子磁極(rotor poles)和27個定子線圈(stator poles),最高轉速1400rpm,基於
正弦波反電勢的無速度感測器向量控制
——
確定無疑了,這就是典型的永磁同步電機
。
也就是說,十幾年前,洗衣機行業還在使用古老的串勵直流電機;就在短短几年之後,
以2012年全資收購斐雪派克為契機
[10]
,海爾一舉將洗衣機推進了先進的永磁同步電機時代
。
從這個意義上說,新能源汽車的車用電機雖然沒有直接應用到洗衣機上,但在海爾的推動下,以
先進的控制理論、功率電子技術、高效能訊號處理技術
支撐的
永磁同步電機技術
應用到了洗衣機上。
洗衣機用直驅電機,是大炮打蚊子嗎?
那麼問題來了,
斐雪派克直驅電機
與車用永磁同步電機極其相似,有必要用在洗衣機上嗎?是“
大炮打蚊子
”嗎?創新必須從使用者需求出發、解決使用者痛點,為創新而強行創新的事情,幹不得。
首先,我們透過動圖來直觀地看一下
直驅與非直驅
這兩種驅動形式,可以看出三個主要區別:
一、 取消皮帶傳動
皮帶傳動,發揮著類似汽車變速箱的作用 —— 將電機的小轉矩放大,然後才能驅動洗衣機滾筒。如此一來,就可以使用轉矩較小、成本較低的電機來驅動洗衣機內筒,但也要付出一定的代價:
一是皮帶傳動故障率高,二是皮帶老化時機器晃動,噪音大
。
斐雪派克直驅電機取消了皮帶傳動,直接由電機驅動洗衣機內筒,其中一個原因就是
永磁同步電機的轉矩密度大,即便洗衣機內部空間有限,也可以佈置足夠高轉矩的直驅電機
。
二、
轉動更加平穩
與永磁同步電機在很大範圍內都有恆轉矩輸出的外特性不同,串勵電機的轉矩隨轉速增加而減小。
因此我們可以看到:在內筒迴圈往復式的旋轉過程中,
直驅電機可以很快加速到目標速度後平穩旋轉。串勵電機驅動內筒的加速過程慢長,因此速度不平穩
。
有資料顯示,在滾筒負載30公斤的情況下,轉矩為31Nm的斐雪派克直驅電機僅需要5秒鐘即可實現500rpm的轉速,而轉矩為2。8Nm的傳統皮帶電機則需要50秒。
直驅電機驅動內筒的
加速快、速度平穩的特性,可以為使用者帶來兩個顯著的好處
:
速洗效率高
:在速洗過程中,洗衣機內筒需要經歷加速-勻速旋轉-減速-換向停頓-反向旋轉的迴圈往復過程,傳統洗衣機需要在加減速與停頓過程中浪費大量時間。而直驅電機加速快就意味著加減速耗時短、停頓時間短,可實現USP不間斷速洗,洗滌效率高。在15分鐘速洗程式中,海爾直驅洗衣機比一些普通洗衣機的洗淨比提升10%、洗滌均勻度提升30%。
海爾USP無間歇速洗
90°搖籃柔洗效果更好
: 為了防止整圈運動的摔打現象,高階衣物需要使用90°搖籃柔洗,也就相當於迴圈往復的頻率更高!如果使用加速慢的直流串勵電機,那洗滌效率進一步下降、洗滌效果也難以保證。
三、控制更加精準
單相串勵電機往往採用VF控制,在負載變化時容易引起轉矩與轉速的振盪[11],而且在改變運動方向時,皮帶本身的形變也會帶來位置控制上的誤差。相對來說,直驅電機的向量控制就非常魯棒且精準。
轉矩控制精確是“大炮打蚊子”嗎?並不是,
對洗衣機來說,轉矩控制精確,就可以實現90°搖籃柔洗功能
,可以在保證洗滌效果的前提下,有效防止整圈旋轉中的摔打現象對輕柔、真絲等高階衣物的損壞。
小結
從
電池與電機核心零部件國產化
的角度來看,新能源汽車三電技術有突破。
由於功率上差了2到3個數量級,因此車用電機不能直接應用到洗衣機上。
以2012年收購斐雪派克為契機,海爾率先將集成了
先進的控制理論、功率電子技術、高效能訊號處理技術
的
永磁同步電機
應用到洗衣機上,
取消皮帶傳動、採用電機直驅、提、實現了更大的使用者利益,從而推動了行業進步
—— 在海爾的推動下,2018年的洗衣機前十名中,已有60%的機型採用了直驅電機[12]。
參考
^https://www。d1ev。com/kol/75830
^https://www。zhev。com。cn/news/show-1621962918。html
^https://zhuanlan。zhihu。com/p/108309635
^https://www。zhihu。com/question/383736467/answer/1118498211
^王凱。 基於電壓電流組合模型磁鏈觀測器的感應電機無速度感測器控制關鍵技術研究[D]。 浙江大學, 2014。
^https://www。zhihu。com/question/38477493/answer/119560458
^電力裝置及新能源行業新能源汽車電機電控專題:全球競爭,強者為王。 中信證券。 2019。
^https://www。zhihu。com/question/37088054
^https://www。fisherpaykel。com/cn/zh_CN
^https://www。sohu。com/a/384993274_120639951
^https://wenku。baidu。com/view/c7e819785acfa1c7aa00ccab。html
^http://washer。cheaa。com/2018/0711/539090。shtml