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「市场」新能源汽车驱动电机行业研究,含技术,市场及行业需求分析

旺材电机及其控制 2019-06-14 12:51:38

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整理 | 旺材电机及其控制


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驱动电机系统是新能源汽车的“心脏”:新能源汽车的整个驱动系统包括驱动电机系统与其机械传动机构两个部分,而驱动电机系统、电池系统以及电控系统一起并称为新能源汽车的三大核心,其中驱动电机系统和电池系统组成电动汽车的动力总成,驱动电机系统作为整车的动力输出单元其决定了电动车的动力性能,故被称为电动汽车的“心脏”,其重要性凸显无疑。


高性能驱动电机系统是突破新能源汽车技术的关键:驱动电机系统主要由电动机、功率转换器、控制器以及各种检测传感器等部分构成,简单来讲,驱动电机系统主要由驱动电机和电机控制器两部分构成,二者成本之比约为 1:1。


对其技术要求包括:①高转矩:低速运行时应具有大转矩,以满足快速启动、加速、爬坡等要求;在高速运行时应具有高转速、调速范围宽的特性,以满足汽车在平坦路面高速行驶、超车等要求;②高效率:在整个转矩/转速运行范围内,电动汽车频繁启停,工作区域宽,因此要求驱动系统有尽可能宽的高效工作区,以谋求电池一次充电后的续驶里程尽可能长;③响应快: 转矩控制灵活且响应快,可适应路面变化及频繁启动和刹车;④电机及控制器结构坚固,抗颠簸振动,体积小,重量轻,有一定过载能力,再生制动时能量回馈效率高,性能稳定,在不同工况下能稳定可靠地工作。

 

一、新能源汽车驱动电机类型


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。


目前,新能源汽车所使用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其中,日韩车系目前多采用永磁电机;欧美车系则多采用交流感应电机,主要原因是对于稀土资源匮乏,以及降低电机成本考虑。


从我国不同种类新能源汽车驱动电机的应用来看,目前交流异步感应电机和开关磁阻电机主要应用于新能源商用车,特别是新能源客车,但是开关磁阻电机的实际装配应用较少;永磁同步电机主要应用于新能源乘用车。2016年度我国新能源汽车驱动电机的装机量59.5万台。


分电机类型看,永磁同步电机依旧是主流,装机量超过45万台,占比76%;交流异步电机装机量超过14万台,占比23%;其次还有混合励磁同步电机、无刷/永磁直流电机装机量近2000台,占比仅1%。

 

二、驱动电机行业产业链


新能源汽车产业链由四大环节组成,即上游原材料、关键零部件、整车制造和售后增值服务。驱动电机是关键零部件环节中的一个细分行业,行业产业链上游是电解铜(电磁线)、硅钢、钢材、铝材、绝缘材料、永磁材料等原材料供应商以及轴承、换向器、冷却器等配件供应商,下游是整车厂。


驱动电机属于定制产品,电机供应商的产品通过下游汽车制造厂商、电控生产企业的检测、试验等考核后,进入客户的供应商体系。


根据下游客户的订单情况确定采购量,部分通用性的原材料会适当安排些库存。主要原材料由生产部采取比价的方式向合格供应商直接采购,部分零部件会委外加工,由电机供应商负责设计或制定加工要求,委托其他企业加工生产。

 

三、驱动电机未来技术发展趋势


新能源汽车动力系统的发展可以分为三个阶段,第一代是中央电机集中驱动技术,第二代是轮边电机技术,第三代是轮毂电机技术。与前两代技术相比,轮毂电机技术能有效解决新能源汽车成本、能耗等问题,可以认为轮毂电机是纯电动汽车的终极解决方案。


轮毂电机技术优点:


1)高效率:传统的传动系统由于结构的复杂性,每一级传动都有传动效率的损失,而轮毂电机直接驱动车轮,避免了传递路径上效率的损失,可以提升效率,节省能量。相对于传统的传动系统来说,轮毂电机可以提高8%~15%左右的效率,对于电动汽车来说,效率的提升可以进一步增加续航里程;


2)节省空间:由于轮毂电机技术将将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,省去了诸如变速箱、传动轴传动和制动装置,可以节省前舱的布置空间以及四驱车辆的后排座椅的凸起,乘客可以享受更大的车内空间;


3)易控制:由于电机直接驱动车轮,电机控制器只需要一个简单的指令就可以直接控制车轮的转速和扭矩且精度非常高,可以很容易的实现非常复杂的控制;


4)低成本:理论上,由于节省了复杂的传动和制动装置,整车结构更简单,零部件组成更少,整车成本会下降;


5)模块化:由于轮毂电机的高集成度,轮毂电机理论上只与车轮大小有关,所以更容易模块化,避免重复开发,可以缩短新车型的开发周期和开发费用。


轮毂电机普及的技术难点:


1)轮毂电机大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能是不利的,主要体现在:颠簸路况时悬架的响应会变慢和轮毂转量增加使加速响应慢;


2)由于轮毂电机系统的电制动容量较小,不能满足整车制动性能的要求,都需要附加机械制动系统。附加机械制动系统也就意味了有着更大的能量消耗,将影响车辆的续航里程。


3)由于电机内置在轮毂里,工作环境要恶劣的多,而电机本身比较娇贵,所以对于防水防尘防震设计要求就很高。同时电机在工作过程中产生热量的冷却和散热也是当前尚需解决的技术难点。

 

四、驱动电机行业需求侧分析


1、过去5年和未来5年预计市场量


2016年国内新能源汽车受到骗补清查工作的影响,产量较2015年全年的301.84%高速增长出现显著回落。2016年新能源汽车电机总装机量为52.64万台。其中,电机装载乘用车总量为32.95万台,占总装机量的62.59%;电机装载商用车总量19.69万台,占总装机量的37.41%。


过去5年和未来5年预计驱动电机装机量情况如下:



2、过去5年和未来5年预计市场规模


根据《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020 年)》以及《十三五 国家战略性新兴产业发展规划》提出的到 2020 年,实现新能源汽车当年产销 200 万辆以上,累计产销超过500 万辆目标来看,未来新能源车整体市场有望实现年均 50%的增速;以目前新能源乘用车、专用车以及客车每台 1 万元、1.5 万元、2万元的驱动电机价格测算,预计2021年将达到200亿的市场规模。


过去5年和未来5年预计驱动电机市场规模情况如下:



3、补贴退坡机制对行业影响


2015年财政部、科技部、工信部、发改委等四部委联合下发的《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,通知规定 2016年新能源汽车补贴细则以及未来2017-2018年和2019-2020年退坡幅度为20%和40%。


补贴的减少对于整车企业来说意味着净利润的直接蒸发,这种情况下,整车企业只有提高新能源汽车的售价或压缩成本来维持原有的盈利水平。


当前市场条件下,压缩成本是整车企业的唯一选择,由此导致驱动电机等核心零部件厂商面临较大的降价压力,尤其在新能源商用车领域及低速电动车领域,该领域的电机的技术门槛相对较低,吸引了众多企业一窝蜂涌入抢食,导致市场竞争激烈,2016年各厂商已经纷纷降低产品售价来争夺市场份额。

 

五、我国驱动电机企业市场竞争格局现状分析


纵观国内驱动电机企业的极成,主要有三类:


具有传统整车及其零部件生产经验的汽车企业:如比亚迪、万向集团、上汽集团、一汽集团、事汽集团、东风集团、深圳五洲龙、玉柴集团、中国南车等。该类企业多具有丰富的传统整车或零部件研发设计生产经验,具有雄厚的经济实力和人才储备。由于电机跟整车开发设计关系密切,在整车开发初期就要同步进行配合,这类企业具有先天的开发优势。


具有其它领域电机生产经验的企业:如大洋电机、信质电机、方正电机、江特电机等。该类企业多具有多年传统电机研发设计生产经验,具有较雄厚的经济实力和研发储备。该类企业一般选择与高校、科研院所合作,同时绑定一家整车企业共同推进汽车用电机驱动系统的产业化,其在电机本体的批量化生产方面具有独特优势。


专门针对电动车成立的电机企业:如北京精进电动、上海电驱动、上海大郡等。该类企业多为归国人员或科研院所学术带头人创办,成立时间较晚,经济实力相对薄弱、融资渠道较为单一,但其具有整体设计研发上的优势,技术人才储备较为充足。


随着新能源汽车产业规模化进程的加深,电机企业在电机驱动领域的优势正逐步彰显:诸如大洋电机收购上海电驱动、信质电机参股上海鑫永/苏州和鑫/RMS、方正电机收购上海海能及杭州德沃仕、正海磁材收购上海大郡、万向钱潮参股天津松正等,产业链上市公司正通过并购新能源电机企业实现强强联合,进而重塑产业竞争格局。

相比动力电池,新能源汽车驱动电机的竞争格局仍较分散——


以大洋电机为例,其 2016 年初完成收购上海电驱动之名一跃成为国内动力系统的领头羊,2016年销售新能源车辆动力总成系统 98,309 台,同比增长 154.03%,占比 2016 年国内市场份额近20%;


以卧龙电气为例,其与上海大郡绑定供应动力系统的驱动电机,2016 年上海大郡销售新能源汽车电机驱动系统 30,980 套,同比增长 85.07%,占比 2016 年国内市场份额近 6%;


以方正电机为例,其 2015 年底完成收购杭州德沃仕名,电机驱动业务发展迅速,据节新网数据统计,2016 年方正电机生产新能源汽车电机驱动系统 21,742 台,占比 2016 年国内市场份额达 4%。


在市场竞争中,电机上市企业凭借其并购手段、规模优势、资金实力、品牌效应,近年来保持进超行业的增长速度,其市占份额不断提升,已居于行业的第一梯队,未来寡头垄断格局可期。

 

六、国内外电驱动产品技术差异及评价


(一)国内外电驱动产品技术专利


目前,我国新能源汽车配套电机系统市场仍然是国内自给,国际竞争对手参与较少。

以专利作为技术储备来衡量,过去 10 年,我国新能源汽车电机及驱动控制系统专利申请总量位于世界第一,但其中最具体现技术水平的发明专利仅占比50%,远低于同期国外发明专利申请总量90%的占比。


全球来看,德国、日本、韩国的电驱动系统实力强劲。


国内奇瑞汽车、吉利汽车研究院、 清华大学、长安汽车、上海中科深江电动、长安新能源、北京理工大学、比亚迪等企业和研究机构具有丰富的技术储备。


(二)国内外电驱动产品技术差异及评价


目前,国内驱动电机产业发展较快,整体水平达到国际先进水平。国内整车匹配电机基本为本土生产。国内外的差距主要表现在零部件和整车的同步开发。


1.电机


我国经过10多年的发展,在国内的商用车(包括客车、卡车),还有乘用车、专用车(主要包含物流车)应用方面,当前国内已经完全具备了满足这些新能源汽车要求的驱动电机和电机控制器的研发和制造能力,而且从产能来讲的话,也是完全可以满足需求。


在驱动电机方功率密度、效率等指标,和国外先进水平基本相当。


以日产Leaf纯电动轿车为例,电机重量约为60Kg,峰值功率约为80Kw,作为对标产品,国内的技术水平在功率密度和效率基本处于同一水平。


在“十三五”国家规划中,明确提出电机效率超过4Kw/Kg,国内部分企业的量产产品已经实现该目标,但是相较于国际最先进的产品水平,在控制器的体积上相差一倍以上。


从电机本身角度来看,我国同国外企业在正向设计水平基本处于同一水平,同时也在向高密度和小型轻量化这方向不断拓展。


但从生产装备和工艺来说,国内由于单一产品的规模仍然较小,在工艺水平和规模上同国外存在一定差距。


2.电机控制器


国内的电力电子技术起步相对较晚,功率电子一直是制约我们国内电机控制器发展的瓶颈。


差距主要体现在功率器件技术,功率器件技术也不单单指模块,也包含芯片的研发技术、封装材料和封装工艺技术,还涉及到电机控制器的集成技术。


因为这些技术的时间差,使得国内电机控制器的功率密度水平和国外量产的产品比较存在有些差距。2014年这种差距是一半,国内控制器是国外同类控制器的两倍体积。


经过这两年的快速发展,国内电机控制器功率密度比2014年提高了50%,在这一领域和国外这个差距缩小了很多。


3.电驱动总成测试评价


从电驱动总成测试评价方面来讲,主要分为电驱动系统层面和关键材料与器件层面。在电驱动系统层面,包括系统总成评价、功率标定评价、带载EMC评价、NVH评价和电安全性评价。


其中,对于功率标定评价来说,功率密度的评价维度很多,需要对各种边界条件进行界定,保证测试方法的客观性。


在电磁兼容方面,目前带载测试的应用仍然较少,空载状态与驱动电机的实际运行工况差异较大,将会导致测试结果的巨大差距。


驱动电机的NVH特性和电安全性能等也是测试评价的重要环节。


在中国乃至全球范围内,汽车电机都是电机业中的小分支,但是汽车电机制造门槛非常高,尤其是我国的电机驱动系统与国外驱动机系统相比还存在不小的差距与不足,得益于政策的扶持和电机巨头对市场的重视,目前中国的新能源汽车产业正在加快发展步伐。

(来源:崇樾资本)





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