新能源汽車電機(jī)電控系統(tǒng)介紹

新能源電動(dòng)汽車性能還有巨大的提升空間，大家往往最關(guān)注電池，作為決定電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵部件，本文詳細(xì)說(shuō)說(shuō)電機(jī)電控。

一、電機(jī)電控的重要性

新能源汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車的替代品，其主要電氣系統(tǒng)即為在傳統(tǒng)汽車“三小電”(空調(diào)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng))基礎(chǔ)上延伸產(chǎn)生的電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)“三大電”——電池、電機(jī)、電控。其中，電機(jī)、電控系統(tǒng)作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)(變速箱)功能的替代，其性能直接決定了電動(dòng)汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標(biāo)。

同時(shí)，、電控系統(tǒng)面臨的工況相對(duì)復(fù)雜：需要能夠頻繁起停、加減速，低速/爬坡時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩，具有大變速范圍;混合動(dòng)力車還需要處理電機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)發(fā)電、制動(dòng)能量回饋等特殊功能。此外，電機(jī)的能耗直接決定了固定電池容量情況下的續(xù)航里程。因此，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載要求、技術(shù)性能和工作環(huán)境上有特殊要求：

其一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有更高的能量密度，實(shí)現(xiàn)輕量化、低成本，適應(yīng)有限的車內(nèi)空間，同時(shí)要具有能量回饋能力，降低整車能耗;

第二，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)具備高速寬調(diào)速和低速大扭矩，以提供高啟動(dòng)速度、爬坡性能和高速加速性能;

第三，電控系統(tǒng)要有高控制精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率，并同時(shí)提供高安全性和可靠性。

電機(jī)電控系統(tǒng)作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，其技術(shù)、制造水平直接影響整車的性能和成本。目前，國(guó)內(nèi)在電機(jī)、電控領(lǐng)域的自主化程度仍遠(yuǎn)落后于電池，部分電機(jī)電控核心組件如IGBT 芯片等仍不具備完全自主生產(chǎn)能力，具備系統(tǒng)完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整車企業(yè)和零部件企業(yè)仍是少數(shù)。隨著國(guó)內(nèi)電機(jī)電控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，電機(jī)電控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率逐步提高，電機(jī)電控市場(chǎng)具有的增速有望超過(guò)新能源汽車整車市場(chǎng)的增速。

電池、電機(jī)、電控在新能源汽車中的應(yīng)用

此外，隨著整車車體結(jié)構(gòu)輕量化的推進(jìn)，電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)在新能源汽車整車中的成本占比也逐漸上升。根據(jù)Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，新能源汽車動(dòng)力總成(電機(jī)、電控、變速器)的成本分別占整車成本的15.67%(轎車)和13.69%(小型貨車)，總成占比僅次于電池和BMS 系統(tǒng)。在新能源汽車補(bǔ)貼逐步退坡的政策驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)力總成成本、重量下降的壓力將逐步向上傳導(dǎo)至電機(jī)、電控產(chǎn)品廠商，具備技術(shù)、規(guī)模優(yōu)勢(shì)的供應(yīng)商將在成本下降的過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。因此，電機(jī)電控市場(chǎng)仍然在很大程度上影響新能源汽車市場(chǎng)的走向。

二、永磁同步、交流異步電機(jī)成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)主流技術(shù)

電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，功率覆蓋范圍寬，種類也很多。但由于新能源汽車在功率、轉(zhuǎn)矩、體積、質(zhì)量、散熱等方面對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有更高的要求，因此，相比工業(yè)電機(jī)，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具備更優(yōu)良的性能，如：小體積以適應(yīng)車輛有限的內(nèi)部空間，工作溫度范圍寬(-40~1050C)，適應(yīng)不穩(wěn)定的工作環(huán)境，高可靠性以保證車輛和乘員的安全，高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的種類相對(duì)較少，功率覆蓋也相對(duì)較窄，產(chǎn)品相對(duì)集中。

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類

目前，應(yīng)用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流電機(jī)、交流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)三類，其中在目前乘用車、商用車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的電機(jī)包括直流(無(wú)刷) 電機(jī)、交流感應(yīng)(異步)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。其他特殊類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括輪轂/輪邊電機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)、多相電機(jī)、雙機(jī)械端口能量變換器( Dmp-EVT)，目前市場(chǎng)化應(yīng)用較少，是否能夠大規(guī)模推廣需要更長(zhǎng)時(shí)間的車型驗(yàn)證。

(1)交流異步電機(jī)，也稱為感應(yīng)電機(jī)( Induction Motor)，在定子繞組中輸入三相交流電，定子繞組中的勵(lì)磁電流在定子鐵芯中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中有感應(yīng)電流通過(guò)并推動(dòng)轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有機(jī)械負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子電流增加，由于電磁感應(yīng)作用，定子繞組中的勵(lì)磁電流也增加。 交流異步電機(jī)控制器采用脈寬調(diào)制( PWM) 方式實(shí)現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換，采用變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)，滿足負(fù)載變化特性的要求。

交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定子轉(zhuǎn)子無(wú)直接接觸，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，轉(zhuǎn)速高，維護(hù)成本低。 不足之處在于能耗高，轉(zhuǎn)子發(fā)熱快，高速工況下需要額外冷卻系統(tǒng);功率因數(shù)低，需要大容量的變頻器，造價(jià)較高，調(diào)速性較差。 目前，交流異步電機(jī)主要用于空間要求較低、且速度性能要求不高的電動(dòng)客車、物流車、商用車等車型中。

(2)永磁電機(jī)( Permanent Magnetic Motor) 包括永磁同步電機(jī)(正弦波)和永磁無(wú)刷直流電機(jī)(方波)兩大類，其轉(zhuǎn)子均由永磁材料制成， 定子采用三相繞組，輸入調(diào)制方波產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其較大的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)效率，具有高功率密度和寬調(diào)速范圍，且沒(méi)有勵(lì)磁損耗和散熱問(wèn)題，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積比同功率的異步電機(jī)小 15%以上;其缺點(diǎn)在于高速運(yùn)行時(shí)控制復(fù)雜，永磁體退磁問(wèn)題目前難以解決， 電機(jī)造價(jià)較高。目前，永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于體積小，且速度、操控性能要求較高的電動(dòng)乘用車領(lǐng)域，部分中小型客車亦開始嘗試使用永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)則一般在小功率電動(dòng)汽車、低速電動(dòng)車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

(3)開關(guān)磁阻電機(jī)( Switched Reluctance Motor)的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，利用沖片上的齒槽構(gòu)成雙凸極結(jié)構(gòu)， 定子產(chǎn)生扭曲磁場(chǎng)，利用“磁阻最小原理”驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、出力大，可靠性高，成本低，起動(dòng)制動(dòng)性能好，運(yùn)行效率高，但電機(jī)噪聲高，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重，非線性嚴(yán)重，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中有利有弊，目前電動(dòng)汽車應(yīng)用較少。

(4)直流電機(jī)( DC Motor)通過(guò)在定子主磁極上繞制勵(lì)磁線圈并通以直流電以產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子電樞繞組也通以直流電，通電繞組置于磁場(chǎng)中輸出電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。直流電機(jī)控制器一般采用晶閘管脈寬調(diào)制方式( PWM)，控制性能好，調(diào)速平滑度高，控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，且成本較低。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是需要獨(dú)立的電刷和換向器，導(dǎo)致速度提升受限;電刷易損耗，維護(hù)成本較高。直流電機(jī)多用于早期的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前新研制的車型已經(jīng)基本不再采用。

不同類型電機(jī)的性能對(duì)比

目前， 新能源汽車所使用的電機(jī)以交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)為主。其中， 日韓車系目前多采用永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)速區(qū)間和效率相對(duì)都較高，但是需要使用昂貴的系統(tǒng)永磁材料釹鐵硼;歐美車系則多采用交流感應(yīng)電機(jī)，主要原因是對(duì)于稀土資源匱乏，以及降低電機(jī)成本考慮，其劣勢(shì)則主要是轉(zhuǎn)速區(qū)間小，效率低，需要性能更高的調(diào)速器以匹配性能。 特斯拉公司在其本代車型 Model S 和 Model X 上均采用的是自行設(shè)計(jì)的交流感應(yīng)電機(jī)。

國(guó)外新能源汽車適配電機(jī)類型

我國(guó)稀土資源豐富， 因此電動(dòng)乘用車多采用功率性能高、體積較小的永磁同步電機(jī)。 根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016 年上半年，我國(guó)純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到 13.4 萬(wàn)輛、12.6 萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng) 160.8%、 161.6%。上半年生產(chǎn)純電動(dòng)乘用車約 70000 輛，其中永磁同步電機(jī)的裝機(jī)占比約為 65.7%，比 15 年同期增長(zhǎng) 21.25 個(gè)百分點(diǎn)，比 15 年全年增長(zhǎng)了 19.99 個(gè)百分點(diǎn)。

同期，國(guó)產(chǎn)新能源乘用車用交流異步電機(jī)的市場(chǎng)分額在逐漸減小，從 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%;而混合勵(lì)磁同步電機(jī)的占比則從 0.03%上升至 1.10%，盡管絕對(duì)占比仍相對(duì)較小，但裝機(jī)率有望保持小幅穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，未來(lái)有可能在純電動(dòng)乘用車領(lǐng)域率先獲得突破性進(jìn)展。

2015-2016 年國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)乘用車電機(jī)裝機(jī)量變動(dòng)情況

電控系統(tǒng)集成化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

電機(jī)控制器在傳統(tǒng)汽車的車載電機(jī)中已有應(yīng)用，通過(guò)功率半導(dǎo)體、微處理器等電力電子器件，采用中低壓變頻等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)車用空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向助力泵電機(jī)等進(jìn)行調(diào)控的功能。電動(dòng)汽車電機(jī)控制器作為控制電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)備，通過(guò)接收整車控制器和控制機(jī)構(gòu)(制動(dòng)踏板、油門踏板、換擋機(jī)構(gòu)) 傳送的控制信息，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，并可同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的輸出進(jìn)行相應(yīng)控制。

目前，部分“多合一”的電控產(chǎn)品已經(jīng)在電動(dòng)汽車中投入應(yīng)用，同時(shí)集成了傳統(tǒng)汽車分立的空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向助力泵電機(jī)、氣泵電機(jī)控制器，以及混合動(dòng)力車型中采用的 BSG/ISG 電機(jī)等。 隨著微芯片在整車及總成控制中的應(yīng)用逐步廣泛，多合一電控產(chǎn)品的成本有望進(jìn)一步下降，單一控制器將逐步被集成化“車輛中央控制器”所取代。

電控系統(tǒng)在新能源汽車中處于核心地位

電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和標(biāo)定與電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)程度較高，根據(jù)匹配電機(jī)的不同，電控系統(tǒng)需要開發(fā)不同技術(shù)平臺(tái)。早期的直流電機(jī)一般采用脈寬調(diào)制( PWM)斬波控制的方式進(jìn)行控制，控制手段相對(duì)單一，應(yīng)用也有局限性。隨著感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)的大量使用，電控系統(tǒng)的復(fù)雜程度迅速上升， 矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成為電控產(chǎn)品的技術(shù)主流，電動(dòng)乘用車的普及對(duì)于電機(jī)和電控系統(tǒng)的集成程度要求也越來(lái)越高。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)電機(jī)與電控企業(yè)的業(yè)務(wù)交叉程度將逐步提高， 可提供電機(jī)電控一體化動(dòng)力總成產(chǎn)品的企業(yè)將有助

于整車企業(yè)進(jìn)一步降低車重和成本，將具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。

不同類型電機(jī)采用的電控方式

國(guó)產(chǎn)替代勢(shì)在必行， 電機(jī)電控行業(yè)加速整合

作為新能源汽車“三大電”之二，相比動(dòng)力電池行業(yè)的快速發(fā)展以及高關(guān)注度，國(guó)內(nèi)電機(jī)電控行業(yè)則相對(duì)“低調(diào)”。我們認(rèn)為， 電機(jī)電控行業(yè)受市場(chǎng)關(guān)注度低于電池主要是兩方面原因：其一， 新能源汽車電機(jī)電控產(chǎn)業(yè)基本與國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)同步啟動(dòng)，整車企業(yè)對(duì)于電動(dòng)汽車的研發(fā)、采購(gòu)、生產(chǎn)和銷售等流程都處于探索和完善階段， 對(duì)于電機(jī)電控配套行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和體系也尚未成型;

其二，鋰電池在 3C 等領(lǐng)域應(yīng)用有近 20 年歷史，行業(yè)形成了相對(duì)完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品體系，轉(zhuǎn)用為動(dòng)力電池有一定的參考和借鑒，而新能源汽車電機(jī)與工業(yè)電機(jī)技術(shù)路線和要求差別較大，專業(yè)企業(yè)中很大一部分仍為 10 年以內(nèi)的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)，行業(yè)尚未形成清晰穩(wěn)定的市場(chǎng)格局。 目前，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廠商主要包括兩類：第一類是具備電機(jī)電控供應(yīng)鏈的電動(dòng)汽車整車企業(yè)， 由其自有生產(chǎn)能力或關(guān)聯(lián)供應(yīng)鏈企業(yè)向其供應(yīng)全部或部分電機(jī)電控產(chǎn)品，部分整車廠的電機(jī)電控產(chǎn)品也少量外銷。 這類企業(yè)一般為傳統(tǒng)汽車制造企業(yè)， 經(jīng)過(guò)多年積累， 具備完整的零部件生產(chǎn)能力。 目前國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠中，比亞迪、北汽新能源、江鈴新能源、長(zhǎng)安新能源、中通客車、廈門金龍等企業(yè)均具備自主供應(yīng)電機(jī)電控產(chǎn)品的能力。

第二類是專業(yè)從事汽車零部件供應(yīng)或?qū)I(yè)從事電機(jī)電控產(chǎn)品供應(yīng)的企業(yè)，其中包括專業(yè)汽車零部件供應(yīng)商，如采埃孚( ZF)、大陸( Continental)、博世( Bosch)、日立( Hitachi)、現(xiàn)代摩比斯( Mobis)等國(guó)際汽車供應(yīng)量巨頭; 以及國(guó)內(nèi)外新興的專業(yè)電機(jī)電控制造企業(yè)，如上海電驅(qū)動(dòng)、上海大郡、精進(jìn)電動(dòng)、臺(tái)灣富田電機(jī)( Fukuta)等。

此外，部分傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)、變頻器等生產(chǎn)企業(yè)也依靠在研發(fā)、生產(chǎn)上的技術(shù)積累，積極轉(zhuǎn)型介入新能源汽車電機(jī)電控相關(guān)產(chǎn)品的供應(yīng)，如匯川技術(shù)、英威騰、臥龍電氣、方正電機(jī)、江特電機(jī)等。

國(guó)內(nèi)新能源車電機(jī)裝機(jī)來(lái)源分布( 2016 年 1-7 月)

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)， 2016 年 1-7 月國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的超過(guò) 18 萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車中，整車廠自行提供和第三方電機(jī)企業(yè)供應(yīng)的電機(jī)裝機(jī)占比分別為 55.4%和 44.6%，整車廠自行提供和第三方電控企業(yè)供應(yīng)的電控裝機(jī)占比分別為 56.2%和 43.8%，比例基本持平。

國(guó)內(nèi)新能源車電控裝機(jī)來(lái)源分布( 2016 年 1-7 月)

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車大部分仍由北汽、比亞迪等傳統(tǒng)汽車企業(yè)生產(chǎn)， 因此整車企業(yè)自供電機(jī)電控組件占比相對(duì)較大。 考慮到 16 年全年獲批的新建新能源汽車企業(yè)已經(jīng)達(dá)到 7 家，且其中不乏長(zhǎng)江汽車、敏安汽車、萬(wàn)向集團(tuán)等尚無(wú)整車生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，我們認(rèn)為，隨著新能源汽車專業(yè)制造企業(yè)尤其是輕資產(chǎn)型互聯(lián)網(wǎng)汽車企業(yè)的迅速崛起，新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈分工細(xì)化成為必然趨勢(shì)，第三方供應(yīng)商提供電機(jī)電控甚至動(dòng)力總成的比重將逐步上升。

根據(jù)中機(jī)中心公布的新能源汽車裝機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2016 年 1-7 月，第三方電機(jī)企業(yè)達(dá)到 92家，第三方電控企業(yè)達(dá)到 98 家，分別提供了 44.6%和 43.8%的裝機(jī)量。第三方電機(jī)、電控企業(yè)，在第三方市場(chǎng)中的最高市占率僅分別為14.5%和 18.4%，在整體電機(jī)、電控市場(chǎng)的市占率更是僅為 6.48%和8.07%。整個(gè)電機(jī)、電控市場(chǎng)仍處于未定型的競(jìng)爭(zhēng)格局， 尚無(wú)任何企業(yè)對(duì)市場(chǎng)形成統(tǒng)治性優(yōu)勢(shì)， 轉(zhuǎn)型企業(yè)、新興企業(yè)均有機(jī)會(huì)在市場(chǎng)中脫穎而出，迅速獲得較大的市場(chǎng)份額。

新能源汽車第三方電機(jī)裝機(jī)占比( 2016 年 1-7 月)

新能源汽車第三方電控裝機(jī)占比( 2016 年 1-7 月)

進(jìn)口替代任重道遠(yuǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)化勢(shì)在必行

2016 年 10 月 26 日中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)技術(shù)路線圖》，在純電動(dòng)與插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)路線中，提出 2020 年純電動(dòng)乘用車?yán)m(xù)航里程要達(dá)到300km，電動(dòng)客車單位載重電耗水平要降至 3.5kWh/100km*t，同時(shí)提出 8 項(xiàng)發(fā)展重點(diǎn)，其中 4 項(xiàng)與電機(jī)電控直接相關(guān)：動(dòng)力電機(jī)與底盤集成技術(shù)、純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)集成及控制技術(shù)、高性能動(dòng)力電機(jī)技術(shù)、新型電機(jī)控制器技術(shù)。

新能源汽車?yán)m(xù)駛里程(左軸)與電耗水平(右軸)發(fā)展目標(biāo)

相比動(dòng)力電池在國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步建立起研發(fā)技術(shù)體系，高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段，大部分具備創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的高性能電機(jī)(如) 仍處于樣件開發(fā)甚至設(shè)計(jì)階段。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，使得各個(gè)企業(yè)均有機(jī)會(huì)在產(chǎn)品和技術(shù)上脫穎而出，快速搶占下游電動(dòng)汽車市場(chǎng)。

原材料成本占比高， 集成化輕量化是電機(jī)降本必經(jīng)之路

與動(dòng)力電池系統(tǒng)不同的， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)于原材料的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括釹鐵硼等稀土永磁材料( 永磁體)、鋼材( 鐵芯疊片、驅(qū)動(dòng)軸體)、 銅(繞組)、鎂鋁合金(機(jī)殼) 等基本金屬。因此， 原材料成本和加工成本占據(jù)電機(jī)成本中的絕大部分。

永磁同步電機(jī)各組件成本占比(%)

根據(jù) ANL 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在永磁同步電機(jī)中， 永磁體組件的成本占整個(gè)電機(jī)物料成本的 45%左右;在感應(yīng)電機(jī)中，鐵芯疊片的成本占電機(jī)物料成本的 58%左右。因此，稀土材料、鋼材、銅鋁等有色金屬材料的價(jià)格將對(duì)電機(jī)成本產(chǎn)生最直接的影響。

交流感應(yīng)電機(jī)各組件成本占比(%)

根據(jù)華域電動(dòng)等企業(yè)數(shù)據(jù)，稀土磁鋼的重量?jī)H占據(jù)整機(jī)重量的 2.5-4.5%，但成本已經(jīng)占了整個(gè)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)成本的 20-30%，稀土價(jià)格上漲時(shí)甚至可以達(dá)到 50-60%。 因此，原材料成本的波動(dòng)對(duì)于電機(jī)生產(chǎn)成本具有直接的影響。

2015 年取消稀土出口配額制以來(lái)，我國(guó)年稀土氧化物的開采量指標(biāo)維持在 8-10 萬(wàn)噸左右，考慮到非法稀土開采和分離量，全年國(guó)內(nèi)稀土的供給量約在 16 萬(wàn)噸左右。在下游需求保持穩(wěn)定的情況下，稀土永磁材料的價(jià)格總體整體呈現(xiàn)穩(wěn)中下降的趨勢(shì)，但稀土價(jià)格已經(jīng)基本位于底部，未來(lái)繼續(xù)大幅下降的空間不大。 16 年 12 月， 釹金屬的價(jià)格已達(dá)到為 32.15 萬(wàn)元/噸，相對(duì)去年上漲了 10%，最高漲幅已接近 20%。

原材料方面，鋼材受到上游焦炭、鐵礦石等原材料價(jià)格上漲的影響，無(wú)取向硅鋼價(jià)格在2016 年出現(xiàn)了快速反彈，從 15 年 12 月的 3250 元/噸迅速上漲到年底的 7500 元/噸高位，接近了 2011 年的價(jià)格高點(diǎn)。 同時(shí)， 截至 17 年 1 月 5 日，長(zhǎng)江、華南地區(qū)現(xiàn)貨銅價(jià)均達(dá)到為 4.54 萬(wàn)元/噸， 較 16 年初每噸上漲了約 1000 元。

考慮到稀土收儲(chǔ)與打私政策的配合執(zhí)行，以及包括特斯拉在內(nèi)的歐美電動(dòng)汽車廠商轉(zhuǎn)向永磁同步技術(shù)路線，未來(lái) 2-3 年可能迎來(lái)稀土供給側(cè)收緊和需求側(cè)放大的雙重?cái)D壓，稀土價(jià)格或?qū)⒋蠓磸?在供給側(cè)改革和環(huán)保稅開征的雙重壓力下，鋼鐵去產(chǎn)能仍處于“三去一降一補(bǔ)”之首， 17 年價(jià)格處于高位盤整的可能性較大。多重因素共同作用下， 電機(jī)廠商在物料成本端承壓將快速上升，電機(jī)廠商只能通過(guò)技術(shù)革新，迅速降低單體電機(jī)金屬用量，提高電機(jī)功率密度，才可能應(yīng)對(duì)來(lái)自上游整車價(jià)格下降和下游原材料成本上升的壓力。

國(guó)家十三五新能源汽車重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃明確提出， 2020 年，我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率密度應(yīng)達(dá)到 4.0kW/kg，連續(xù)功率密度應(yīng)達(dá)到 2.2kW/kg，基于 IGBT 功率模塊的電控器功率密度達(dá)到 17kW/L，基于第三代寬禁代半導(dǎo)體的 Sic 功率模塊的電控器功率密度達(dá)到 36kW/L，較目前性能均實(shí)現(xiàn)倍增。在此目標(biāo)下， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)電控成本的下降一般通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：

1) 通過(guò)推出集成度高的電驅(qū)動(dòng)總成來(lái)降低系統(tǒng)總重，從而提高公里密度，降低成本，如大陸、麥格納等企業(yè)推出的，電力電子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器總成、混合動(dòng)力總成模塊等，此種方式一般為歐美等企業(yè)采用;

2) 通過(guò)采用部分組件非金屬化降低系統(tǒng)重量和成本，包括轉(zhuǎn)動(dòng)樞軸、支撐組件等，采用耐磨非金屬材料進(jìn)行替代， 或通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)包括電機(jī)極槽比、齒槽比與裂比等進(jìn)行多重優(yōu)化，從而提高單臺(tái)電機(jī)材料用量， 此種方式多為日韓等電機(jī)企業(yè)采用。

國(guó)產(chǎn)電機(jī)的峰值和連續(xù)功率離世界先進(jìn)水平仍有相當(dāng)?shù)牟罹?kW/kg)

核心零部件國(guó)產(chǎn)化將大幅降低電控系統(tǒng)成本

電機(jī)控制器作為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最重要組成部分，主要由逆變器(主要是 IGBT 功率模塊)、逆變驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、中央控制模塊、軟啟動(dòng)模塊、保護(hù)模塊、散熱系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)模塊等組件組成。其中， IGBT 模塊作為核心高壓控制開關(guān)組件， 其成本占據(jù)電機(jī)控制器成本的 40-50%; 據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)， IGBT 器件占據(jù)新能源汽車整車成本的 10%左右。 因此， 作為新能源汽車核心零部件， IGBT、 DSP 等核心元器件的成本直接決定了電機(jī)控制器等總成的成本下降空間。

IGBT 在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用與變頻器國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)初步完成、 國(guó)內(nèi)品牌市場(chǎng)占有率反超國(guó)外品牌的情況不同的是， 目前IGBT 芯片和模塊在國(guó)內(nèi)尚未完全形成產(chǎn)業(yè)布局， 高端市場(chǎng)占有率仍與外資品牌存在較大差異。 國(guó)內(nèi) 70%以上的 IGBT 器件市場(chǎng)，尤其是高端高功率半導(dǎo)體依然主要被英飛凌、 三菱、仙童、 東芝、富士、SEMIKRON、 Sanken、 IXYS、 ST 等美日企業(yè)占據(jù)， 比亞迪、中車時(shí)代電氣等企業(yè)通過(guò)自建或收購(gòu)海外 IGBT 產(chǎn)能分享了剩余的市場(chǎng)。

電機(jī)控制成本拆分

隨著電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向高調(diào)速范圍、高功率密度(包括高速和高轉(zhuǎn)矩密度)、輕量化、高效率、能量回饋、高可靠性和安全性及低成本等方向逐步演進(jìn)， 電機(jī)、電控、 BMS 等總成對(duì)于高功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

2015 年中國(guó) IGBT 市場(chǎng)國(guó)內(nèi)和國(guó)外品牌市占率

此外，高鐵調(diào)速系統(tǒng)、柔性直流輸電、風(fēng)電/光伏逆變器、充電樁直流模塊等領(lǐng)域都將對(duì) IGBT 及其模塊化產(chǎn)品有大規(guī)模的需求，預(yù)計(jì)十三五期間僅新能源車及充電樁市場(chǎng)即可帶動(dòng)每年 IGBT 需求達(dá) 200 億元左右。在下游市場(chǎng)的刺激下，國(guó)內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)加速擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，華潤(rùn)上華、中芯國(guó)際、宏力半導(dǎo)體、華虹 NEC 等企業(yè)紛紛加速產(chǎn)能建設(shè)，高壓和超高壓、中大功率 IGBT 期間有望在市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)實(shí)現(xiàn)價(jià)格持續(xù)下降。

2014 年中國(guó) IGBT 市場(chǎng)占有率排名

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn) IGBT 比進(jìn)口器件的成本可下降 15-20%，且仍擁有 30%以上的毛利率，隨著 IGBT 價(jià)格的進(jìn)一步下降，電機(jī)和控制器的成本也將隨之下降 20%以上。

電機(jī)電控企業(yè)發(fā)力在即， 百億藍(lán)海市場(chǎng)尚待開發(fā)。

2016 年 12 月，國(guó)務(wù)院批復(fù)與公布了《十三五國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出到 2020 年，新能源汽車實(shí)現(xiàn)當(dāng)年產(chǎn)銷 200 萬(wàn)輛以上，累計(jì)產(chǎn)銷超過(guò) 500 萬(wàn)輛。 考慮到產(chǎn)業(yè)實(shí)際與完成情況，我們預(yù)測(cè) 2017 年新能源汽車總銷量可達(dá)到 65.8 萬(wàn)輛，其中客車、乘用車、專用車分別達(dá)到 13 萬(wàn)、 40.8 萬(wàn)、 12 萬(wàn)輛，其中乘用車和專用車提供了主要增量部分。 由此測(cè)算， 2017 至 2020 年，新能源汽車電機(jī)、電控市場(chǎng)規(guī)模將從 240 億元上升至480 億元， 年均增長(zhǎng)率約為 26%。

2016-2020 年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量預(yù)測(cè)(單位：萬(wàn)輛)

十三五期間電機(jī)電控市場(chǎng)規(guī)模測(cè)算

電機(jī)、電控行業(yè)目前仍處于產(chǎn)品技術(shù)快速更新?lián)Q代的階段， 技術(shù)投入占比較高，資產(chǎn)規(guī)模一般不重， 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也較電池行業(yè)為輕。 考慮目前新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的企業(yè)大多由傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)、變頻控制等企業(yè)轉(zhuǎn)型而來(lái)，產(chǎn)能的快速上量對(duì)于全行業(yè)而言并非難以實(shí)現(xiàn)的瓶頸，因此行業(yè)存在產(chǎn)品定型后競(jìng)爭(zhēng)突然加劇的風(fēng)險(xiǎn)。目前電驅(qū)動(dòng)行業(yè)企業(yè)數(shù)量眾多，尚無(wú)任何企業(yè)能對(duì)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)控制或壟斷，僅考慮第三方供應(yīng)商市場(chǎng)， CR10 甚至小于 50%;此外，電機(jī)、電控企業(yè)處于新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中游，在產(chǎn)能足夠的情況下，企業(yè)將同時(shí)受到來(lái)自上游原材料及核心零部件企業(yè)，和下游整車企業(yè)的雙向成本壓力。

因此，在下游新能源汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的過(guò)程中， 同時(shí)具備技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的供應(yīng)商才能在逐步激烈化的電機(jī)、電控市場(chǎng)中擴(kuò)大市場(chǎng)份額，這一方面要求企業(yè)在技術(shù)上需要具備電機(jī)、控制系統(tǒng)的技術(shù)、生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)， 和較強(qiáng)的動(dòng)力總成系統(tǒng)集成能力， 從而在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)兩方面降低產(chǎn)品成本，另一面要求企業(yè)在市場(chǎng)方面具備較強(qiáng)的客戶粘性，與下游整車企業(yè)形成較為堅(jiān)固的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟或合作協(xié)議。