2021-08-04 10:52·未来智库
(报告出品方/作者:招商证券,游家训、刘文平、刘伟洁) 一、驱动电机介绍1.1 驱动电机的构成与分类 驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构,其驱动特性决定了汽车行驶的核心性能指标,是电动汽车的重要部件。 电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两个部分,电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。驱动电 机主要由定子、转子、轴承、接线盒、风叶、机座等零部件装配组成,是新能源汽车的 动力来源,其性能决定了爬坡能力、加速能力及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。 电动汽车用电机主要有直流有刷电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等,其核心部件是定子和转子。定子的主要作用是产生磁场,在电机运行时静止不动;转子的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,在电机运行时转动。 直流有刷电机由定子、转子与其他结构件构成。定子部分主要由主磁极、机座、换向极、 电刷装置等组成,其中机座上装有主磁极,两端有端盖和轴承起支撑作用,1kW 以上 的大直流电机还有换向极,用于减少电枢对主磁场的削弱作用。转子部分包括电枢铁芯、 电枢绕组、换向器等,安装于电机主轴上,主轴两端还装有风扇和换向器,其中换向器 配合电刷装置使得直流电机得以持续转动。 ![]()
交流异步电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成,主要包含定转子铁芯、绕 组、机壳、端盖、端环、轴、轴承、风扇风罩、接线盒、以及固定用的螺栓螺母等结构件。 永磁同步电机的定子部分由电枢铁芯和电枢绕组构成;转子部分主要由永磁体、转子铁 芯和转轴等构成。永磁电机与异步电机最大的区别在于转子,永磁电机转子是永磁体, 含有磁源,永磁体贴在转子表面或者镶嵌在铁芯内部。为了保护永磁体,在转子两端加 设护板。同时,对于汽车用驱动电机,一般还有检测转子位置和速度的装置,电机通常 由直流经过电机控制器来完成激励输入。 ![]()
开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成,其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压 而成。定子极上有集中绕组,把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极,称为“一 相”;转子既无绕组又无永磁体,仅由硅钢片叠成。 1.2 驱动电机行业呈现四大发展趋势 高压化——车企加快推出 800V 平台。随着用户需求升级,未来电动汽车 400V 电压平 台将难以满足人们对汽车性能的要求。2019 年,保时捷率先在全球推出 800V 高压电 气架构,旗下首款纯电动跑车 Taycan 采用 800V 直流快充系统并支持 350kW 大功率快 充。其后,通用、现代、戴姆勒、Lucid 等已陆续发布 800V 架构规划。 部分车企已于 2021 上海车展上推出 800V 高电压平台的产品。进口品牌方面,起亚 EV6 全系车型支持 400V 和 800V 充电;现代 IONIQ 5 推出最新 800V 高电压平台。自主品 牌方面,吉利浩瀚架构下首款车型极氪 001,采用 800V 高压系统,配装 4.35V 高压 Ni55 体系的三元电池,支持最高 360kW 超级快充;东风旗下岚图汽车宣布研发基于超 高压平台的超级快充技术。 800V 高压平台具有充电快、降低退磁风险、减小体积、降低热损耗等优势。整车选择 高压架构是实现超级快充的必经之路,800V 左右的高压在当前可支撑实现 2C 快充。 另外对汽车来说,一方面,永磁同步电机在工作时会产生大量的热,当温度超过 180℃ 时,电机会出现退磁现象,影响工作效率甚至造成产品损坏;提高平台电压,相同功率 下电流减小,在电阻不变的情况下,电机产生的热量相应减小,从而可以降低退磁风险。 另一方面,平台电压升高,高压线束的线径变小,可以减小体积,提高电池容量和功率。 此外,电气平台提升到 800V,电控系统经重新设计,热损耗有望降低 60%。 高转速化——近年来,新能源汽车最高转速上升趋势明显。30 万以上的高端车型中, 最高转速已普遍在 12000 转以上,其中特斯拉 Model 3 的最高转速达到 18000 转。受 益于最高转速的提升,纯电动车最高车速近年来也有所提升,最高车速逐步向 150km/h 以上靠拢,到 2020 年已有超过 30%的车型最高车速达到 140km/h 以上。 高转速可以更好满足电动车驾驶时的动力要求。传统发动机的可用转速一般是在 700-6000rpm,这个并不宽的范围内,要面临低转速扭矩低、高转速噪音大的困扰,无 法兼顾车辆从 0 起步加速到 120kph 高速超车的各种动力需求。而电机没有这个问题, 从 0 转速开始就能输出全部扭矩,一直到最高转速之前都能保持恒定功率输出。随着电 动车从低端发展到高端,电动车用户也有了更高的要求,用户既想要低速时强劲的加速 性能,又想要很高的最高车速,还想要在 120kph 的高速状态下仍然保有加速的动力, 提高电机最高转速是必由之路。 ![]()
扁线化——扁线电机在新能源车型中的配套加速。相比圆线电机,扁线电机具有更高的 工作效率、更高的功率密度、更强的散热能力以及更低电磁噪音等,扁线电机的优势很 好地契合了新能源汽车的发展方向。国外较早地应用了扁线电机技术,2007 年,通用 雪佛兰在 VOLT 上采用了发卡式扁线电机,2015 年,丰田发布的第四代普锐斯采用的 也是扁线电机。随着国内电机企业在扁线电机产品和工艺上的突破,自主品牌车型也开 始实现配套,且渗透率不断提升。 扁线电机性能更优。圆线技术是发展了上百年的传统技术,是目前产量最大、应用最为 广泛的电磁线,圆线绕成线圈后空隙较大,线圈填充系数只有 35%-45%,为弥补圆线 线圈填充率低的缺陷,扁线技术应运而生。扁线将导线形状发生改变,由原来的圆形变 成横截面为方形的电磁线,带来的优势十分显著,包括更高的槽满率、更高的效率、更 好的散热性能、更小的体积和更低的成本。 永磁同步化——永磁同步电机因其优异的性能在电动乘用车领域彰显出很高的应用价 值。由于转矩密度高、转距脉动低、振动噪声小等特点,永磁同步电机广泛地应用于电 动汽车驱动电机。另外,永磁同步电机具有宽广的弱磁范围与高转矩过载能力,这能显 著增强电动汽车起动、加速等性能。宽范围内的高效率将明显改善电动汽车续航里程。 不过,恶劣的运行环境与频繁的过载容易导致永磁同步电机磁钢发生不可逆失磁。 有刷直流电机控制相对简单,但难以高速运行、过载能力也相对有限。另外,直流电机 由于存在电刷与换向器,需要定期维护,可靠性不高。但因具备良好的调速性能与成熟 的制造技术,使其在一些微型校内公交车上仍有应用。 交流异步电机因具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、维护方便、可靠性高等优点,在 驱动电机领域占有一定比重。不过,由于变频器在电机内产生的高次谐波、高转子损耗、 高附加铜耗及铁耗、高绝缘介质损耗、附加转矩脉动、电磁噪声等技术上的难点,使其 在驱动电机研发领域关注度逐渐下降。 开关磁阻电机因其结构简单、坚固、工作可靠、容错能力强、系统成本低、调速系统优 良。但由于其噪声与振动大,使其在电动汽车领域的应用较少。 1.3 驱动电机快速增长 全球新能源汽车市场成长迅速。2014-2020 年间,全球新能源汽车销量从 29.7 万辆增 长到约 300 万辆,年均增速约 49%,同期新能源汽车渗透率从 0.35%快速增长至 4%。 我国新能源汽车销量则从 2014 年的 4 万辆左右增长到 2020 年的约 124 万辆,年均增 速 76%。 ![]()
预计新能源汽车驱动电机市场将快速增长。据《中国新能源汽车驱动电机行业发展白皮 书(2021 年)》,2020 年,中国新能源汽车驱动电机装机量为 146.3 万台,同比增长 10.5%。展望 2025 年,在新能源汽车市场的带动下,中国新能源汽车驱动电机的出货 量有望超过 1000 万台。 2020 年驱动电机行业集中度不高,前三家企业合计市占率为 29.8%。2020 年,比亚迪、 特斯拉和方正电机的市场份额排名前三,分别为 13.2%、9.9%和 6.7%。其中比亚迪和 特斯拉均为整车企业,方正电机为第三方独立电机公司。前十企业中,整车企业驱动电 机市场份额合计 34.3%,第三方独立电机公司驱动电机市场份额 28.1%。 ![]()
1.4 驱动电机企业不断开拓客户和扩张产能 国内驱动电机企业积极开发新产品。汇川技术于 2008 年起开始经营新能源动力及电源 产品业务,并在 2016 年成立苏州汇川联合动力系统有限公司,现有产品驱动电机 (PM30)、动力总成系统(PS3002)等,除乘用车外,公司也为轻卡及微面车型提供 动力总成方案。卧龙电驱作为具有 30 多年电机经营经验的电机企业,于 2011 年成立 卧龙 EV 电机事业部,已陆续推出十余款电机产品,覆盖乘用车、物流运输车、商用车 等多种类型车辆。方正电机于 2012 年成立新能源电机业务单元,目前该公司驱动电机 业务市占率为 6.7%,为外供驱动电机企业第一。 国内驱动电机企业配套国产车型居多。Marklines 数据显示,国内驱动电机企业如大洋 电机、方正电机、汇川技术、长鹰信质、精进电动等 2015 年以来已配套 70 余款车型, 多为众泰、吉利、上汽等传统车企,以及小鹏、威马等新能源车企。卧龙电驱由于与外 资企业采埃孚合资成立子公司,受益于采埃孚海外驱动电机配套,故多配套国外车型。 2020 年新能源汽车领域共搭载电机 140.7 万台,其中方正电机以 9.8 万的装机量位列 第三方电机供应商第一,主要为宏光 MINI EV 配套,且 2021 年上半年方正电机已出货 15 万台。卧龙电驱 2020 年共销售微特电机 5523 台,主要应用于新能源汽车领域。 ![]()
驱动电机企业积极扩产。方正电机 6 月 28 日晚公告,公司拟在浙江省丽水市开发区投 资建设年产 100 万台新能源汽车驱动电机项目,总投资为 5 亿元人民币。该项目将分 两期实施,2022 年 12 月底之前完成第一期新能源汽车驱动电机生产线 2 条的建设,形 成年产新能源汽车驱动电机 35 万台的生产能力;2023 年底前完成第二期新能源汽车驱 动电机生产线 4 条的建设,形成年产新能源汽车驱动电机 100 万台的生产能力。项目 达产后,可新增销售收入 25 亿元。 另外,大洋电机近年来积极布局驱动电机行业,公司新能源汽车动力总成系统产能由 2016 年的 30 万套增长到 2020 年的 50 万套。双林股份持续开发新客户,并积极扩充 产能,预计 2023 年达到年产能 50 万套。
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