驱动电机系统是新能源汽车核心系统之一,其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。驱动电机系统主要是由电机及其控制器组成,其中电机主要由定子、转子、机壳、连接器、旋转变压器等零部件装配而成。
一、驱动电机行业总述
1、驱动电机基本概念
驱动电机系统是新能源汽车核心系统之一,其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。驱动电机系统主要是由电机及其控制器组成,其中电机主要由定子、转子、机壳、连接器、旋转变压器等零部件装配而成。
驱动电机组成
电动机一般要求具有电动、发电两项功能,按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机,功率转换器按所选电机类型,有DC/DC功率变换器、DC/AC功率变换器等形式,其作用是按所选电动机驱动电流要求,将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械,用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率,向机械系统输出机械功率。
电动机驱动系统的基本组成框图
电动汽车电机的基本要求有以下几点:
(1)电机结构紧凑、尺寸小,封装尺寸有限,必须根据具体产品进行特殊设计;重量轻,以减轻车辆的整体重量。应尽量采用铝合金外壳,同时转速要高,以减轻整车的质量,增加电机与车体的适配性,扩大车体可利用空间,从而提高乘坐的舒适性;
(2)提供精确的力矩控制,动态性能较好,效率高,功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率,以降低功率损耗,提高一次充电的续驶里程;
(3)调速范围宽。应包括恒转矩区和恒功率区,低速运行输出的恒定转矩大,以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求;高速运行输出恒定功率,有较大的调速范围,以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求;瞬时功率大,过载能力强。要保证汽车具有4~5倍的过载能力,以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求;
(4)环境适应性好。要适应汽车本身行驶的不同区域环境,即使在较恶劣的环境中也能够正常工作,具有良好的耐高温、耐潮湿性能;
(5)制动再生效率高。在汽车减速时,能够实现反馈制动,将能量回收并反馈回电池,使得电动汽车具有最佳能量利用率;
2、驱动电机分类
驱动电机按电机类型可分为直流驱动电机和交流驱动电机两大类。在车辆运行时,由于直流驱动电机中带有的机械换向器表面易产生火花,产生较大的电磁干扰,严重影响新能源汽车的使用性能,因此目前新能源汽车中直流驱动电机已很少被采用,并逐步被交流驱动电机取代。
(1)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。
新能源汽车驱动电机分类
资料来源:《新能源汽车驱动电机与控制技术》
(2)主要类型驱动电机特点、应用情况及未来技术趋势
▶ 目前主要应用驱动电机特点
就目前发展水平,各类驱动电机基本性能比较如下:
▶ 驱动电机应用情况:
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%。
▶ 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。
3、驱动行业发展简述
随着新能源汽车日益受到社会的重视,汽车电气化的进程发展迅速。不仅汽车的各大系统向着电气化方向发展,例如,最新的电动动力转向、电动制动等,而且,汽车动力系统也经历着电气化的深刻变革。电动汽车、油-电混合动力车、燃料电池混合动力车从上世纪70年代以来,相继逐步研发成功,并获得了市场欢迎。汽车电气化的发展象征着现代微电子学与电流电子学的成功结合,并由此奠定了其发展的基础。
新能源驱动电机发展历程
刷直流电机、一般同步电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长,其产品更新换代不断,而且迄今还在应用。而自上世纪80年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与1990年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场,并在电动汽车与混合动力车上获得应用。异步电机主要应用在纯电动汽车,永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。
近年来美、欧开发的电动汽车多采用交流感应电机。其主要优点是价格较低,性能可靠;缺点是起动转矩小。日本近年来闻世的电动汽车与新型混合动力车大多采用永磁电机。
我国政府在2000 年就开始依托“十五”“863”计划电动车重大专项,对混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车,从整车和关键零部件多个角度展开研发,为中国新能源汽车产业的进一步发展奠定了较为完善的技术体系。自2004 年起,在国家的长远规划和能源政策中,新能源汽车产业和技术的发展被多次强调。
为了推动新能源汽车产业的发展,我国政府相关部门制定了一系列的产业扶持政策和措施。《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复合增速高达 50%。新能源汽车驱动电机作为新能源汽车的必要组成部分,在国家政策的推动以及新能源汽车产业发展环境不断优化的情况下,市场规模也将迅速增长。
4、驱动电机行业产业链图
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。
驱动电机行业产业链图
电机生产工艺流程图
二、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:
图:过去5年和未来5年预计驱动电机装机量
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:
图:过去5年和未来5年预计驱动电机市场规模
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。
新能源汽车——电机
电机是将电池电能转换成机械能,驱动电动车车轮旋转的部件。由于传统结构电动机的性能并不能直接适用于电动车,电机与电池同时是制约电动车发展的关键。
电动车的主要特点是频繁起停、加减速。针对于电动车的特点,对电机有瞬时效率、功率密度、高低速综合效率及力矩等要求,以最大化电动车的最高时速、一次充电行驶距离等性能。
表1:驱动电机分类
电机主要由转子、定子绕组、转速传感器、外壳、冷却等零部件组成。电动机一般分为直流电动机、异步电动机以及同步电动机。受工作环境和性能的限制,应用在新能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、永磁同步电机、交流电机和开关磁阻电机。
表2:电动机性能对比
永磁电动机就是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。而同步指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将最终被控制。
而电控部分就是要调节电流频率。永磁同步电机具有较高的功率密度与转矩密度,即体积小、质量轻,功率密度大,可靠性高,调速精度准,响应速度快。其缺点是最大功率低,成本较高,存在高温下退磁的风险。新能源乘用车采用永磁同步电机较多。
永磁电机为国内主流路线
2016年新能源汽车驱动电机装机量达59.5万台。永磁同步电机占主流,装机量超过45万台,占比高达77%,交流异步电机装机量14万台,占比24%。
我国以永磁同步电机为主流技术,一是因为永磁电机本身性能适合我国路况,反复启停、加减速仍能保持较高的效率。二是由于我国稀土资源丰富,在钕铁硼稀土永磁材料问世后,我国便大力推进永磁电机的研究开发。
目前,我国的永磁同步电机已经形成了一定的研发和生产能力,产品技术指标已接近国际先进水平,而且已经基本具备永磁同步电机集成化的能力。
表3:2015年纯电动乘用车电机装机比例
表4:2016年新能源汽车电机装机量(万辆)
目前除了我国以外,日本也是永磁电机的主要使用国家。近年来欧美国家为了进入中国市场,也开始使用永磁同步电机以适应国内市场,如宝马i3,雪佛兰spark,一向采用感应电机的特斯拉也与国内永磁材料厂商签订协议,预期也将使用永磁电机。
表5:国内外主要新能源乘用车电机类型及供应商
我国乘用车采用永磁同步电机较多,下游乘用车销量领先企业的份额较为集中。2016年北汽、比亚迪电机装机量分别为14.02万台和5.18万台,占总量的34.2%。其中,比亚迪为整车内部配套,北汽等均采用第第三方制造商。
目前新能源电机生产企业分为四类,一类是具有传统整车及零部件生产经验的企业,如比亚迪,中国南车等;第二类为具有其他生产领域电机生产经验的企业如大洋电机、江特电机等;第三类为专门针对新能源汽车成立的专业电机企业,如大地和、上海大郡等;第四类即是国际汽车零部件企业,以博世日立为主。2016年电机驱动装机量以上海电驱动、联合汽车电子、安徽巨一位列前三。
表6:新能源驱动电机系统生产分类
新能源汽车——电控
电动汽车电机控制器一般是指控制汽车驱动电机的装置,其主要作用是控制驱动电机的电压和电流,完成对电动机转矩、转速和转向的控制。也包括对电动汽车的助理转向泵电机、打气泵电机、空调电机、BSG电机、ISG电机等辅助电机进行控制的装置。
表7:电控系统结构
电控行业参与者较多
目前国际上电控领域的领头企业主要有Bosch、Toyota Camry、LexusRX400h、Honda IMA等。整体而言,日本在电控领域研发应用能力较强。从基本性能来看,国内产品性能没有明显差距,但在安全方面,例如高压安全、功能安全、可靠性和耐久性还有一定差距。
表8:主要电动客车车企及上游合作电机电控企业
目前我国新能源汽车电控系统的生产厂商以整车制造企业、专业从事零部件供应或电机电控产品供应的企业为主。第二种情况电控厂商需要与整车厂商共同研发来提供与整车系统匹配的电控系统。
由于电控系统属于技术密集型行业,只提供电控系统的厂商如汇川技术、蓝海华腾等属于轻资产企业,大多是由其他电子电器技术行业转型而来,技术储备、资金实力、产业化能力均较强。第二种情况中还有一部分是可提供完整驱动电机电控系统的企业。
由于电机电控由于其匹配度要求较高,在很多主机厂中,电机与电控供应商是一致的。而且电机生产的毛利率较低,约15%,而电控的毛利率水平在50%左右,很多传统电机转向新能源驱动电机生产的同时也进入电控领域。包括上海电驱动、大地和等专业生产新能源电机的厂商,以及大洋电机等传统电机生产厂商。
表9:2016年电控领域市场份额
