(一)電機的結(jié)構(gòu)及性能

 

驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車的整個驅(qū)動系統(tǒng)包括電動機驅(qū)動系統(tǒng)與其機械傳動機構(gòu)兩個部分。電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構(gòu)成。

 

簡單來講，電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機和電機控制器兩部分構(gòu)成。從電機驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)價值鏈來看，驅(qū)動電機和電機控制器所占的成本之比大致相同。

 

下圖：電機的結(jié)構(gòu)部件

 

 

新能源汽車驅(qū)動電機屬于中低壓電機范疇，由于其應用領(lǐng)域的特殊性，相對一般中低壓產(chǎn)品，它具有較高的性能要求：

 

1)調(diào)速范圍寬：新能源汽車有兩類工況場景，在啟動、加速、爬坡時，要求工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間；在高速行駛時，要求電機工作在恒功率區(qū)間；

 

2)功率密度高，主要是為了在盡量小的車內(nèi)空間限制、電池電量下，提高續(xù)航里程；

 

3)安全可靠，要求電機的穩(wěn)定工作和抗震、散熱性能佳；

 

4)輕量化，即電機體積小，滿足整車輕量化的要求；

 

5)過載能力強：在啟動、加速、爬坡工況下，要求電機具有4-5倍的過載能力。

 

下圖：新能源汽車驅(qū)動電機性能要求

 

 

       (一)不同電機類型應用場景存在差異

 

電機一般要求具有電動、發(fā)電兩項功能，按類型可選用直流、交流、永磁無刷或開關(guān)磁阻等幾種電動機。功率轉(zhuǎn)換器按所選電機類型，有DC/DC功率變換器、DC/AC功率變換器等形式，其作用是按所選電動機驅(qū)動電流要求，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應電壓等級的直流、交流或脈沖電源。

 

適合新能源汽車的驅(qū)動電機主要有永磁同步、交流異步和開關(guān)磁阻三大類。因其不同特點，各有應用場合。

 

永磁同步電機體積小、質(zhì)量輕，功率密度大，可靠性高，調(diào)速精度高，響應速度快；但最大功率較低，且成本較高。由于永磁同步電機具有最高的功率密度，其工作效率最高可達97%，能夠為車輛輸出最大的動力及加速度，因此主要用在對能量體積比要求最高的新能源乘用車上。

 

交流異步電機價格低、運行可靠；但其功率密度低、控制復雜、調(diào)速范圍小是固有限制。價格優(yōu)勢使得其在新能源客車中使用的較廣泛。

 

開關(guān)磁阻電機價格低、電路簡單可靠、調(diào)速范圍寬；但震動、噪聲大，控制系統(tǒng)復雜，且對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流。用于大型客車。

 

下圖：驅(qū)動電機性能指標對比

 

 

 

新能源汽車驅(qū)動電機目前的發(fā)展方向有以下幾方面：小型輕量化；高效性；更出色的轉(zhuǎn)矩特性；使用壽命長，可靠性高；噪聲低；價格低廉。隨著時間的推移，新能源驅(qū)動電機的發(fā)展呈現(xiàn)了下面的趨勢：

 

①電機本體永磁化：永磁電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車用驅(qū)動電機的重要發(fā)展方向。

 

②電機控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。

 

③電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成(電機與發(fā)動機集成或電機與變速箱集成)和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。

 

(二)永磁同步電機成主流趨勢

 

現(xiàn)階段，交流異步電機主要是以特斯拉為首的美國車企和部分歐洲企業(yè)使用。一方面，這與特斯拉最初的技術(shù)路徑選擇有關(guān)，交流感應電機價格低廉，而偏大的體積對美式車并無掛礙；另一方面，美國高速路網(wǎng)發(fā)達，交流電機的高速區(qū)間效率性能上佳。

 

包括中國、日本在內(nèi)的其他國家新能源汽車電機最廣泛使用的仍是永磁同步電機。適合本國路況是主要因素，永磁同步電機在反復啟停、加減速時仍能保持較高效率，對高速路網(wǎng)受限的工況是最佳選擇。此外，我國稀土儲量豐富，日本稀土永磁產(chǎn)業(yè)有配套基礎(chǔ)也是重要因素。目前，永磁同步電機在我國新能源汽車中的使用占比超過90%。

 

日本的豐田、本田、日產(chǎn)等汽車公司基本上都采用永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，如豐田公司的Prius，本田公司的CIVIC。因為在日本，供應永磁電機使用的稀土磁鐵的公司比較多，同時汽車大多以中低速行駛，因此采用加減速時效率較高的永磁同步電動機較為適宜。日本在發(fā)展混合動力汽車方面居世界領(lǐng)先地位，其中以豐田普銳斯最為著名。

 

下圖：國外主要新能源汽車電動類型及供應商情況

 

 

 

下圖：國內(nèi)主要新能源汽車電動類型及供應商情況(乘用車)

 

 

 

下圖：國內(nèi)主要新能源汽車電動類型及供應商情況(商用車)

 

 

 

綜合來看，新能源汽車電機技術(shù)要求較高，永磁同步電機最具優(yōu)勢。驅(qū)動電機是新能源汽車的三大核心部件之一，相比傳統(tǒng)工業(yè)電機，新能源汽車驅(qū)動電機有更高的技術(shù)要求。從綜合性能來看，永磁同步電機最具優(yōu)勢，更能代表新能源汽車驅(qū)動電機的發(fā)展方向。由于中國稀土儲量極大豐富，而且電機工藝已經(jīng)接近世界先進水平，因此預計永磁電機將在較長時間內(nèi)占據(jù)中國新能源汽車的電機市場。

 

二、新能源汽車用電機市場特征

 

(一)新能源汽車高速發(fā)展催生出巨大的電機需求市場

 

隨著新能源汽車在國內(nèi)的高歌猛進，新能源汽車電機的增速也非常高。據(jù)測算，2014年，國內(nèi)新能源汽車電機的市場規(guī)模為14.8億元，其中客車驅(qū)動電機和乘用車驅(qū)動電機分別占比53%和42%，還有5%為專用車電機。2015年我國新能源汽車電機行業(yè)對應規(guī)模約為65.6億元，客車/乘用車/專用車驅(qū)動電機所占份額分別為52%/33%/15%。

 

預計未來幾年隨著新能源汽車產(chǎn)銷的持續(xù)增長，電機市場將呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。預計2016年中國新能源汽車用電機市場規(guī)模將達到97億市場規(guī)模，到2020年市場空間將突破190億元。(注：不包括電機控制器，電機控制器將在另外的研究文章中詳細分析)

 

未來幾年，新能源乘用車的產(chǎn)銷量增速將習慣于客車增速，乘用車用電機的比例將呈現(xiàn)上升態(tài)勢，預計到2020年，新能源乘用車用電機占比達到47.4%，新能源客車用電機占比達到42.7%，專用車用電機占比10%。

 

下圖：中國新能源汽車電機市場規(guī)模

 

 

(二)國內(nèi)外技術(shù)存在差距

 

目前，我國新能源汽車配套電機市場仍然是國內(nèi)自給，國際競爭對手參與較少。而國內(nèi)技術(shù)水平與國外相比，仍有不少差距。以專利作為技術(shù)儲備來衡量，過去10年，我國新能源汽車電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)專利申請總量位于世界第一，但其中最具體現(xiàn)技術(shù)水平的發(fā)明專利僅占比50%，遠低于同期國外發(fā)明專利申請總量90%的占比。

 

下圖：國內(nèi)新能源汽車電機專利情況

 

下圖：國外新能源汽車電機專利情況

 

 

全球來看，德國、日本、韓國的電驅(qū)動系統(tǒng)實力強勁。國內(nèi)奇瑞汽車、吉利汽車研究院、清華大學、長安汽車、上海中科深江電動、長安新能源、北京理工大學、比亞迪等企業(yè)和研究機構(gòu)具有豐富的技術(shù)儲備。

 

下圖：1996~2015年全球新能源汽車電機專利申請前20名

 

 

(三)產(chǎn)品相對成熟，參與者眾多

 

目前新能源汽車驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)頗具吸引力，潛在市場空間較大、行業(yè)標準未確定、整車供應鏈未成熟，能夠伴隨新能源汽車一同壯大，正是理想的朝陽行業(yè)。現(xiàn)階段主要有三類市場(潛在)參與者：傳統(tǒng)電機生產(chǎn)企業(yè)、汽車零部件供應商、整車企業(yè)內(nèi)部配套。

 

傳統(tǒng)電機企業(yè)產(chǎn)能成熟、電機生產(chǎn)制造經(jīng)驗豐富，且中小電機行業(yè)近幾年持續(xù)低迷，使其具有迫切的向新能源驅(qū)動電機轉(zhuǎn)型的需求。這類企業(yè)生產(chǎn)線可以較快的技改切換適應激增的新能源汽車訂單，在競爭中最具實力。如江特電機、大洋電機、方正電機、信質(zhì)電機、正海磁材、尼得科(中紡銳力)、東方電機等，紛紛轉(zhuǎn)型進入新能源汽車驅(qū)動電機生產(chǎn)陣營。

 

由于電力電子及材料儲能技術(shù)的進步，汽車終端消費市場逐漸被電氣化的新能源產(chǎn)品替代，汽車整車廠及零部件供應商為了適應這種產(chǎn)品形態(tài)的滲透乃至顛覆，都有自我革新、推出電動化新世代產(chǎn)品的需求。其中的先行者包括華域電動、南車時代電動、萬向錢潮、比亞迪、上汽集團、奇瑞汽車等。

 

事實上，由于新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)電機和控制器需要高效匹配，且兩類產(chǎn)業(yè)電機制造偏重資產(chǎn)，控制器屬于輕資產(chǎn)，具有一定互補性，因此，市場上越來越多的參與者希望將驅(qū)動系統(tǒng)進行整體打包制造銷售。因此，電機、控制器的相互合作并購、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟就越來越頻繁，產(chǎn)業(yè)界限逐漸模糊，這種趨勢帶來的另一后果就是動力系統(tǒng)集成化的趨勢。

 

由于新能源汽車行業(yè)享受了多項政策優(yōu)惠，為了搶先登陸新能源汽車電機市場，近年來，資本市場密集出現(xiàn)涉及新能源汽車電機項目的并購重組案例，其中上海電驅(qū)動、上海大郡、天津松正、大洋電機等都是新能源汽車電機行業(yè)的佼佼者。大洋電機已經(jīng)收購了上海電驅(qū)動，方正電機也將并購上海海能和德沃仕。國內(nèi)電機業(yè)巨頭紛紛收購新能源汽車電機及上游材料企業(yè)，意圖通過并購企業(yè)的方式來為自己增加競爭砝碼，足見這些企業(yè)對新能源汽車的重視。

 

由于新能源汽車電機的起步時間并不長，所以還需要從汽車應用的角度入手，讓整車企業(yè)與電機廠商共同攜手來研究制造出滿足新能源汽車需求的專用電機。在中國乃至全球范圍內(nèi)，汽車電機都是電機業(yè)中的小分支，但是汽車電機制造門檻非常高，尤其是我國的電機驅(qū)動系統(tǒng)與國外驅(qū)動機系統(tǒng)相比還存在不小的差距與不足，得益于政策的扶持和電機巨頭對市場的重視，目前中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展步伐。

 

三、國內(nèi)主要的新能源汽車電機企業(yè)

 

下圖：國內(nèi)外主要新能源汽車電機企業(yè)