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新能源汽车行业之电机电控研究_驱动

时间:2018-12-03 00:03 来源:未知

原标题:新能源汽车行业之电机电控研究

★电机电控受下游推动高弹性成长,行业整合拉开帷幕。

根据测算,2017-2020年国内新能源汽车年产销增长150-200 万辆时,新能源汽车电机、电控及动力总成的市场规模将从240亿元上升至480亿元,是新能源汽车零部件中弹性较大的细分市场。目前电机电控市场处于快速成长阶段,行业尚未定型,第三方动力总成企业市占率均在10%以下,且电机电控产品对上游产能依赖性较低,技术差异化显著,具有产品和客户竞争力的企业有能力迅速脱颖而出。

★总成集成化和核心零部件进口替代是动力系统成本下降的必要途径。

在新能源汽车补贴逐年退坡的情况下,在电池成本得到压缩之后,电机电控系统将同样受到来自下游的成本压力倒逼。除电机、电控自身降本降重外,具备电机电控甚至电池电机电控动力总车集成能力的企业将获得显著的成本竞争力。此外,IGBT等核心零部件在电机电控中的成本占比超过40%,核心器件国产化正在快速推进,将为电机电控产业带来超过20%的成本下降空间。

★乘用车、专用车带动新能源汽车恢复增长,永磁电机受益显著。

2017年新能源汽车补贴调整政策最终落地,中央补贴下调约20%,地方补贴不高于中央补贴的50%,整体判断乘用车、专用车影响小于客车。政策驱动下,市场和行业的热点将迅速发生切换,乘用车、专用车供应链企业将迅速受益。2016年第4、5批新能源汽车补贴目录集中释放了424款电动专用车车型,2017年专用车将成为拉动新能源汽车市场整体上升的主要力量,适用乘用车、专用车的小体积、高功率的永磁电机市场需求将得到放大。

01 市场直接驱动,电机电控市场放量在即

(一)电机电控是决定新能源汽车性能的关键部件

新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品,其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电”——电池、电机、电控。其中,电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

同时,新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围;混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。

因此,电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求:其一,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;第三,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善,电机电控系统的国产化率逐步提高,电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。

此外,随着整车车体结构轻量化的推进,电池、电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。根据Argonne国家实验室统计数据,新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的15.67%(轿车)和 13.69%(小型货车),总成占比仅次于电池和BMS系统。在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商,具备技术、规模优势的供应商将在成本下降的过程中占据优势。因此,电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源汽车市场的走向。

▲图1 纯电动轿车成本拆分

▲图2 纯电动小型货车成本拆分

(二)永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的应用非常广泛,功率覆盖范围宽,种类也很多。但由于新能源汽车在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求,因此,相比工业电机,新能源汽车驱动电机必须具备更优良的性能,如:小体积以适应车辆有限的内部空间,工作温度范围宽(-40~1050C),适应不稳定的工作环境,高可靠性以保证车辆和乘员的安全,高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等,因此驱动电机的种类相对较少,功率覆盖也相对较窄,产品相对集中。

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,其中在目前乘用车、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/轮边电机、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。

交流异步电机的优点在于结构简单,定子转子无直接接触,运行可靠性强,转速高,维护成本低。不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需要额外冷却系统;功率因数低,需要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。目前,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

永磁同步电机主要应用于体积小,且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域,部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。

开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高,但电机噪声高,但转矩脉动严重,非线性严重,在电动汽车驱动中有利有弊,目前电动汽车应用较少。直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统,目前新研制的车型已经基本不再采用。

▲图3不同类型电机的性能对比

(三)电控系统集成化是未来发展趋势

电机控制器在传统汽车的车载电机中已有应用,通过功率半导体、微处理器等电力电子器件,采用中低压变频等方式实现对车用空调压缩机、转向助力泵电机等进行调控的功能。电动汽车电机控制器作为控制电动汽车驱动电机的设备,通过接收整车控制器和控制机构 (制动踏板、油门踏板、换挡机构)传送的控制信息,对驱动电机转速、转矩和转向进行控制,并可同时对动力电池的输出进行相应控制。

目前,部分“多合一”的电控产品已经在电动汽车中投入应用,同时集成了传统汽车分立的空调压缩机、转向助力泵电机、气泵电机控制器,以及混合动力车型中采用的 BSG/ISG 电机等。随着微芯片在整??%


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