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深度:电驱动系统基础知识及技术发展趋势解读

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导读:目前新能源车电驱动集成系统单车价值量超过1万元,我们按照全球汽车每年销量近亿辆的规模测算,新能源汽车电驱动系统将成为继动力电池之后的又一个万亿元市场。集成化是目前主机厂和 Tier1 供应商优化新能源汽车电驱动系统的主要方式。

1、又一个市值万亿元领域

目前新能源车电驱动集成系统单车价值量超过 1 万元,我们按照全球汽车每年销量近亿辆的规模测算,新能源汽车电驱动系统将成为继动力电池之后的又一个万亿元市场。

【驱动视界-点评-01】据小编了解,三合一电驱动总成,以主流的150kW为例,价格已经做到了8000元以下,单管igbt的三合一已经降低到6000元左右,随着产能规模的不断扩大,成本还会继续下降。

华为成立智能电动业务部,宁德时代公告成立电控系统合资公司,科技双巨头下场布局。

2021 年 7 月,按中汽协口径,新能源汽车当月渗透率达到 14.5%,乘用车渗透率到达 16.5%,创历史新高。

主要系驱动力从政策补贴主导,转为供给端改善刺激 C 端市场释放带来,新能源车普及加速。同时,叠加新能源车型价格下降和续航提升带来的内生性增长,我们预测 2021 年新能源车销量预测至 280 万辆。

【驱动视界-点评-02】今年300万辆新能源车已成定局,有望冲击330万辆。

我们预测 2025/30 年中国新能源汽车销量达到 810/1,660 万辆,电动化将催生电驱动系统成为继电池系统之后的第二个长坡厚雪赛道,预计 2025/30 年中国新能源汽车电驱动市场规模将达 866/1,572 亿元。

▲电驱动部件市场空间预测

从主机厂的视角来看电驱动系统,集成化是将原有的多个独立部件通过重新设计、排布进行融合,相比于从各个部件自身的原理出发进行工艺和材料优化,通过集成化来提高驱动系统的效率,见效更快、操作性更强。

集成化是目前主机厂和 Tier1 供应商优化新能源汽车电驱动系统的主要方式。

2、电驱动系统成为整车核心系统

全面电驱动化下,电驱动系统无疑将成为未来汽车产业链中的重中之重。

电驱动系统成为整车核心构成,电动化是趋势,也是智能化、网联化等技术进步的基石;汽车动力来源从最开始的蒸汽驱动,到内燃机驱动,再到目前电力驱动的新能源汽车。

国内新能源整车企业和零部件企业,当前正处于发展的关键期。一方面,传统车企正逐步转型,大力发展电动车,争取在新的市场战争中站稳脚跟;另一方面,新兴新能源车企如雨后春笋般出现,吸收了大量社会资本,试图分一杯羹,大有群雄逐鹿之势。

▲汽车动力系统演化路径

作为新能源车尤其是电动汽车中的核心技术,电驱动系统的性能、效率、尺寸、重量、可靠性等直接关乎到车辆的性能乃至整体效率。

由于电机工作的高效区覆盖范围远优于内燃机高效区范围,以及电机本身的驱动特性等,减速器仅需单档/双档即可实现燃油车多档变速器的输出特性。

电驱动系统层面的集成化具有降低成本、提高效率、优化车企流程等诸多优势,是产业升级的必由之路,见效也最快;部件层面的工艺优化,例如扁线电机、SiC 模组替代、油冷电机等技术变化,可以实现对应单体部件的降本增效。3、“三合一”动力总成

随着新能源市场的逐步繁荣,为了提升整车产品竞争力,更好的满足消费者需求,各大车企致力于电动车动力系统集成化和模块化技术的开拓,已经变成必然趋势。而三合一驱动总成(电机、电控、变速器)在轻量化、总成效率、成本等方面有较明显的优势,是目前新能源汽车较为先进,且较通用化的产品之一,已被一些一流的厂商率先应用。例如比亚迪作为第一家实现三合一驱动总成量产的主机厂,其三合一动力总成产品也成为了行业标杆,极具代表性。

电驱动系统包括三大部件:

  •  驱动电机:将电能转化为旋转的机械能,输出动力;

  •  电机控制器:基于功率半导体的软硬件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制;

  •  减速器:通过齿轮组调节输出扭矩,保证系统持续运行在高效区间。


▲电控、电机、减速器

在电驱动系统集成化方面,最早先采用“二合一”(电机+减速器),代表车型是雪佛兰 Bolt。

随着一体化设计的进步,“三合一”产品被从主机厂推动起来,以特斯拉、蔚来的 EDS 系统、比亚迪的“e”平台等为代表。

2018 年开始,搭载驱动系统“三合一”的整车开始大规模推向市场,如 Model 3、蔚来 ES8、比亚迪元 EV360 等。

【驱动视界-点评-03】

1,特斯拉model 3的三合一电驱动系统已经面世5年了,但其集成度之高、电机油冷技术、碳化硅等新技术的应用,至今仍是很多企业的学习对象,从小编目前仍有相当数量的对标件售出可以看出端倪,不得不佩服其技术的超级前瞻性;

2,蔚来es8是异步三合一,其技术来源即使不讲,业内工程师也清楚;

3,比亚迪至今仍没有特斯拉级别的深度集成三合一(截止汉/海豚之前),不是说比亚迪没有这个技术,而是比亚迪产品线过长,要考虑电控的通用性;

4,国内真正把三合一做成大批量、低成本的,是Nidec 150kW。

▲蔚来es8 EDU

将电机、电机控制器和减速器集成在一起,可以减少壳体用料、线束和连接件等,从而减轻重量、降低成本;其次,部件的融合可以节省出宝贵的车内空间;集成化的动力总成“三合一”,在提高系统效率的同时,也为主机厂降低了供应商层面的管理成本、沟通成本,也减少了原有分散采购多个零部件的配套成本等。

随着集成化程度越来越深,动力总成“三合一”系统的外观也在发生变化。从原有的简单三件套拼接外形,向着一体化设计融合发展。电机和减速器作为动力输出模块,其内部的零部件和结构设计也在变化。

集成化的三合一动力总成相较于传统电驱系统,总成体积降低30%,功率密度可达到1.9kw/kg。此外,集成化也使得电驱总成的成本达到最优,省去了不少外围附件的成本,同时减速器和电机采用直连,电机与电控的直连,省去了传递路径上的能量损耗,也使得集成效率得到提升。集成效率提升的另一个重要的点就是电机和电控共用一套水冷系统。双面水冷设计优化了散热功能,也使系统的功率密度和输出电流能力得到提高,减小了IGBT损耗小,平均效率自然也高了,节约了芯片用量,经济性自然好。

为了提高传动效率,电机轴和减速器轴从分立走向一体化;电机转速提高后,对于轴和轴承的可靠度,以及电机内部的散热等要求都更加严格;而整车的高压化发展,也使得电机控制器的散热需求上升。为了增加散热,三合一系统的冷却方式从外部水冷,向双面水冷、内部油冷+外部水冷等发展。

油冷主要是利用油泵,将减速器腔体内的油传输到电机腔体内,给电机定转子等部件降温。集成化三合一系统的散热水路需要重新设计,同时还要考虑与整车热管理系统的集成。

▲3in1

【驱动视界-点评-04】上图有误,汇川是二合一,不是三合一。

从动力总成“三合一”来看,系统核心是电机控制器和电机。

电机控制器通过与车内信号系统、电机内传感器等交互,实时获取指令、输出策略并将其转换成控制电机运转的电信号,电机具体完成电能到机械能的转换。

随着集成化程度加深,电机电控领域具有优势的企业,尤其是电控策略方面技术领先、迭代迅速的企业,更容易在竞争中取得先机。

4、动力系统升级,电驱动系统优化快速推进

由于电驱动系统结构简单,电磁噪声和机械噪声比发动机要小,所以电动车动力系统集成化可以促进电动车NVH(噪声、振动与声振粗糙度,Noise、Vibration、Harshness的英文缩写)优化,整体NVH水平优于燃油车。

电池对油箱的替代只是整车智能化、电动化演进的基础,而电驱动系统对发动机、变速箱的替代,才是整个动力体系升级的核心。

驱动电机作为驱动单元有许多优点,比如零起特性、电能动能双向转化特性、宽范围的恒功率调速特性、广域的高效万有特性、安静平稳的运转品质等。

目前市面上同价位的燃油车和新能源车,驱动电机相较于发动机,在输出功率、最大扭矩、百公里加速等性能指标的优势非常明显。以特斯拉 Model Y 四驱版本为例,其百公里加速仅需3.7秒,最高车速达 250km/h。

▲新能源车与电动车动力性能对比

永磁同步电机系统是趋势,双电机布置占比上升

永磁同步电动机以永磁体提供励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性;又因无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度。

目前市场上的新能源车型,不论是纯电动、插电混动还是增程式,基本都配置了永磁同步驱动电机。

单驱动电机多见于低配版车型,纯电动车将驱动电机前置或后置,混动车型一般将驱动电机前置。双驱动电机一般为高配版车型,纯电动、插混和增程式都涉及,前后各部署一个驱动电机,其中永磁同步驱动电机的占比在迅速上升。我们认为,随着行业对车辆动力性能的不断追求,双电机车型的市场占比或将进一步上升。

【驱动视界-点评-05】小编认为,对前后双电机动力系统来说,前异步+后永磁,是比较合理的方案。所以,如果随着行业发展,车型从中低端逐渐向高端过渡的话,异步感应电机的占比应该会提升。

▲主流电动汽车动力系统性能

电驱动集成化是现在新能源行业的大势所在,或许有的人偏好庞大的驱动系统,觉得笨重=安全;但大部分人认为,中国的电驱动系统发展,集成化是其必然的趋势,也将为行业、为消费者带来更多正面的影响。终端市场的销量是主机厂的核心目标,而终端消费者对最高车速、爬坡性能、加速性能等车辆性能的追求是持续的。具体到新能源汽车驱动系统,就是对高转速、大扭矩、高功率密度的追求。

电驱动系统的优化升级,主要有两个方向: 

●部件:以单体部件为目标进行升级优化,主要通过工艺改进、材料替代等实现。例如,永磁同步电机、扁线电机的应用,SiC 元器件的应用等。

●系统:以集成化为主,实现多部件融合的系统级改造、优化;例如,将电机、电机控制器、减速器、OBC、DC/DC、PDU 等独立部件融合为“三合一”、“多合一”,并逐步从硬件融合,向电气融合、芯片融合演进。

5、新能源汽车电驱动系统的六大部件

5.1、电机控制器

电机控制器是通过主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间进行工作的集成电路。电机控制器(MCU)是电驱动系统的核心控制单元,将来自动力电池的直流电转换成三相交流电,根据档位、油门、刹车等指令来控制驱动电机的运转。

电机控制器主要由主控板、驱动板、功率器件、薄膜电容、电流传感器等构成。电机控制器是电驱动系统的核心。电机控制器包含了大量的控制理论、滤波算法、空间矢量控制、PID 控制器、传感器理论等核心技术。

电机控制器的技术门槛高于电机单体,是电驱动系统的灵魂。

【驱动视界-点评-06】

在新能源汽车工作岗位价值鄙视链中:

  • 搞有色金属(电机:铜/铝)的>撸铁(齿轮/结构件)的;

  • 搞电子电气硬件的>搞电机的;

  • 搞软件的>搞硬件器件的;

  • 搞算法和人工智能的>搞普通软件的。

▲电机控制器

5.2、驱动电机

驱动电机作为纯电新能源车的三大部件之一,是新能源车企最核心技术。驱动电机的主要功能是将电能转化为转子转动的机械能,并通过减速器向下传导,进而驱动车辆行驶。电机主要构成包括定子、转子以及传感器、连接件、壳体等,工作原理是电磁感应定律。目前市场上新能源量产车型的驱动电机都是交流电机,有交流异步电机和永磁同步电机两种。

▲同步电机

相比于交流异步电机,永磁同步电机在电机效率、功率密度、灵敏度、体积等方面具有优势,成为市场主流。以永磁同步电机为例,电机工作时,利用电机控制器输出的可变三相交流电,通过在定子上产生旋转变化的磁场,进而带动转子旋转,完成电能到机械能的转化,驱动车辆运行。

【驱动视界-点评-07】

感应电机的优点:

1,结构简单,运行可靠,经久耐用,稳定性好,抗震动性能优越,重量轻,体积小

2,电机本身制造成本低,维修简单方便

3,不存在衰退现象,因为它的磁场并不依靠磁铁产生,这就使得它的工作温度和退磁性都比永磁同步电机要好。只要不损坏,就不存在动力下降的问题。

4,功率大,恒速性能强,因为它的磁场会根据输入的电流变化而变化(一个可变过程),这就使得它在空载到满载的过程中能够接近恒速变化。

三相异步感应电动机:

  • 三相:通入“三相”交流电流“相位”差120°

  • 异步:“转子转速”与“定子磁场”的转速不同步

  • 交流:“电动机”的工作电源为“交流电”

  • 电动机:“电能”转化为“机械能”的电气设备

▲两种电机对比,左永磁,右异步

5.3、减速器

减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件,常用作原动件与工作机之间的减速传动装置 。减速器是位于驱动电机之后的传动装置,用来降低驱动电机轴的转速并增大扭矩,属于精密机械部件。

减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、差速器、箱体及其附件组成。电驱动系统最简单的架构是电机直驱,但目前的技术水平要做出大扭矩、低转速、重量轻的电机,既贵且难;高速电机与减速器的组合是目前是行业主流方案。

要实现电机高转速下的大传动比、小体积,对减速器的设计、制造水平等要求很高。转速在 6000rpm-15000rpm 之间的减速器,噪音、发热、密封、轴承等都是技术难点。

以 Tesla 的 Roadster 为例,设计之初是“180kW 电机+2档减速器”,最终因减速器质量问题被迫改用固定齿比减速器,为达到相同性能不得不将电机功率提到 240kW。

电动汽车在中国市场的兴起,从某种角度上降低了主机厂掌握减速器的门槛。由于电机与传统内燃机的不同,使得电动汽车可以采用单挡减速器来保证大转速范围内电机的有效使用,现有电动车减速器的速比通常在10左右。

然而,随着电机转速越来越高,减速器速比将达到15以上。这时,单速比减速器将越来越不能满足市场的需求。因此,大速比、两档或多挡减速器将成为未来电驱动系统减速器的发展方向。

▲单挡变速器

5.4、DC-DC 转换器

DC/DC,表示的是将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置。DC/DC按电压等级变换关系分升压电源和降压电源两类,按输入输出关系分隔离电源和无隔离电源两类。

DC-DC 变换器(DC-DC Convertor)是将来自某一直流电源电压转换成任意直流电压的变换器。

新能源车的 DC-DC主要为车内的低压用电器(动力转向系统、空调等)以及低压蓄电池提供电能。DC-DC 也是集成电路,主要由主控板和功率器件(IGBT、电感等)组成。

▲DCDC

5.5、车载充电机(OBC)

电动汽车充电机,按照是否固定在汽车上,划分为车载充电机和非车载充电机两类。非车载充电机又分成交流充电桩和直流充电桩两种。车载充电机的作用,是在交流充电时,将外界的三相交流电转化为直流电,为动力电池充电。

目前 OBC 功率主要有 3.3kW 和 6.6kW 两种,随着整车高压平台化、快充技术发展等,OBC 在向更高功率发展。

【驱动视界-点评-08】

奔驰EQC的充电机功率已达11kW,台达也有10kW充电机,华为也有给广汽传祺的10kW充电机。

▲OBC

5.6、高压配电单元

电动车pdu指的是电动汽车高压配电盒,作用是通过母排及线束将高压元器件电连接,为新能源汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。

高压配电单元 PDU(Power Distribution Unit),负责新能源车高压系统解决方案中的电源分配与管理。通过母排及线束将高压元器件电连接,为整车提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。

由于和整车电子电气布置密切相关,每个车型的 PDU 都有差异,难以成为标准品。

▲PDU6、电驱动系统集成化

电驱动系统集成化将是见效最快的途径。

原有的驱动电机、电机控制器、减速器从独立单体开始向“二合一”、“三合一”演进,称为驱动总成。

汽车产业是典型的规模经济产业,汽车产品平台化设计能够有效地降低研发成本,缩短上市周期。根据不同转矩、功率需求以及不同级别的车型,可以规划不同的系列化平台。电驱动产品随着电驱动集成技术的不断演变发展,三合一电驱动系统出现,电驱动系统集成化设计需要多维度开发和能力验证。

与此同时,整车电压电控的相关模块,例如车载充电机(OBC)、DC-DC 转换器、电压分配单元(PDU)等也开始向集成化发展,出现独立的“三合一”电源总成(OBC、DC-DC、PDU),以及与电机、电机控制器等融合的“五合一”、“七合一”等。

集成化的推动因素主要包括降低成本、提高效率、优化车企流程、智能化演进等:

●多个独立部件的一体化,可以减少壳体铸件、连接件、线束的使用量,降低成本的同时,助力整车轻量化。

●降低原有多个零散部件对于车身、底盘空间的占用,加之相应减少的车内线束连接,可以为车身、底盘的设计优化腾出空间。

● 一体化的紧凑设计,可以减少传输损耗,提高整个系统的效率。

●车企可优化供应链管理,降低内部总装时间、售后服务、工位配套等成本,集成化也使整车开发和验证等流程加快。

● 硬件集成化,进而通讯接口的归一化,为整车电子电气架构从分布式向域控制、中央计算的演进铺路。

▲集成化趋势

随着终端用户在成本、空间、效率等方面的综合要求持续提高,相关企业从分立部件供应商向集成系统供应商布局,以具备系统级别的设计研发生产制造集成能力,从而进一步提升企业的竞争力。

▲国内外大厂对比(集成化)

7、电驱系统多合一

以华为 DriveOne“七合一”系统为例,为业内首款超融合架构动力域解决方案,将驱动电机、减速器、电机控制器、PBC、DC/DC、PDU、BCU(电池管理系统主控单元)七大部件集成在一起。

华为DriveONE 三合一电驱动系统,采用一体化设计,集成了电机控制器(MCU)、电机和减速器。系列化产品适配A0~C级车型需求。

3kW/kg超高密:体积和重量低于业界10%,Z向空间≤300mm,整车布置更灵活。

88% NEDC效率:效率优于业界4%,提升整车续航里程。

78dB超静音:AI声辐射拓扑优化&高精度仿真,领先业界5dB,静谧驾驶体验。

其 120kW 系统的尺寸仅为 410mm x 400mm x 330mm,整体质量 75kg,峰值效率 93%。

8、集成化产品市占率快速攀升,独立电驱动供应商势头渐起

新能源车辆销售数据显示,集成化电驱动系统的配套比例在迅速上升。

根据 NE 时代数据,2020 年新能源电驱动整体装机量为 135.7 万套,其中三合一及以上电驱动系统配套装机量达50.6 万套,占比 37.3%。

2021 年 1-6 月份,新能源乘用车电驱动装机量 115.4 万套,其中59.1 万套的电驱动为三合一及以上产品,占比升至 51.2%。

随着新能源车销量的迅速攀升,以及集成化电驱动的技术发展,独立电驱动系统供应商的产品装车进程加快。2021 年 H1“三合一”电驱动系统的 Top10 供应商中,特斯拉、比亚迪、小鹏、零跑等为主机厂,部分或全部自制;蔚然动力、上海变速器、蜂巢电驱动为主机厂体系内供应商;日本电产与主机厂有合资。独立电驱动企业的集成化产品迅速成熟且具有成本、性能等方面的优势,因此独立电驱动企业的多合一产品装车增加,如汇川、上海电驱动、联合电子、采埃孚等。以汇川技术为例,配套的新势力车型快速放量,订单爆发式增长,其新能源电驱业务在 2020 全年营收同比增长 69%的基础上,2021 年 H1 营收达 9.08 亿元,同比大增175%;“三合一”驱动产品的市占率进入全国前十。以英搏尔为例,其 2021H1 的新能源行业营业收入已超过 2020 年全年。

▲2021 年第一季度国内乘用车“三合一”电驱动子市场装机前10

9、产业链整合加速,主机厂自产体系与独立供应商体系将长期共存,天平向独立供应商倾斜

回顾现阶段市场上的新能源汽车电机电控供应商,除了精进电动等行业老兵,主要来自四大发展路径:

► 传统电机业务的头部企业,向新能源电机业务横向拓展:以卧龙电驱、方正电机、大洋电机为代表。

► 低速电动车电机业务的头部企业,向新能源驱动电机业务升级:以英搏尔为代表。

► 逆变器等工控领域的头部企业,向新能源汽车业务升级:以汇川技术为代表。

► 原有电机零部件供应商,向部件总成转型:以长鹰信质为代表。

随着驱动系统向集成化演进,“三合一”、“多合一”产品的批量搭载,原有的整车零部件供应链的整合演进也在加速:

► 对技术实力、部件整合能力要求高,市场从分散走向集中,马太效应加剧;

► 核心部件供应商横向延伸:如电机电控企业向上整合 OBC 等电子电气部件、向下整合减速器。

► 供应商归一化,对应的单车价值量将增加,弱势单体部件供应商逐渐消失;

► 对企业的软件控制算法能力要求提高,与整车通信如OTA等开始关联。

主机厂自产电驱动系统与独立电驱动系统供应商将长期共存。

汽车工业属于技术密集型、资本密集型行业,需要均衡考虑产品质量、性能优势、成本控制、品牌定位等多因素。

从全生命周期来看,早期在技术、资本方面的高投入,必须通过最终产品的量产销售,才可以得到合理分摊。

百年汽车工业的历史告诉我们,具有较强实力的主机厂对于关键零部件,一般会在小批量时自行研发或者与战略供应商同步研发;大批量时依靠外部供应商,或参股合资,充分利用规模效应带来的成本优势,并减少自行研发的风险。与此同时,主机厂通常会始终维持一定的自产比例,作为安全边界。

【驱动视界-点评-09】“一般会在小批量时自行研发或者与战略供应商同步研发;大批量时依靠外部供应商,或参股合资”,小编在汽车行业的感觉恰恰相反。

具有自产电驱动系统能力的头部新能源车企开始引入独立供应商,开放电驱动系统供应链,并呈扩大态势。

根据工信部信息,比亚迪申报的宋 PLUS EV 新增一款搭载华为电机版本。欣锐科技的 OBC、DC-DC 等“小三电”产品,已在比亚迪秦 PLUS DM-i、宋 PLUS DM-i、唐DM-i 等车型相继搭载上市。

独立供应商的崛起和壮大,有如下驱动因素:

► 整车销量攀升带来对电驱系统产能的需求增加,拥有自制能力的主机厂,其自身产能建设不一定跟得上终端需求;

► 电机电控系统与传统主机厂的业务单元重叠度较小,从 0 到 1 新建业务部门,人员、成本、能力等均面临挑战。

► 作为新能源汽车的核心系统,电池系统领域的技术进度开始放缓,而电驱动领域在之前的几年里并没有大的技术发展,随着业内对电机电控领域的技术关注度提升,我们判断,电驱动系统将迎来快速而密集的技术改造、升级。在技术快速迭代的趋势下,主机厂希望提高车辆的市场竞争力,就需要考虑与优秀的独立供应商合作。

► 独立供应商在产品研发和生产过程中,需要面向多个主机厂的多款车型,由此积累下来的技术和方案储备,可以在面向新车型开发需求的时候,快速的进行模块拆分重组、迁移延伸改造,比如不同主机厂类似车型的共平台产品等,可降低开发和生产成本。同时,我们判断,规模效应也将进一步加强独立供应商的成本竞争力。

我们判断,以汇川技术、英搏尔、欣锐科技、华为等为代表的第三方独立电驱动系统供应商,其市场份额将随着整车销量的增长而快速提升。在现阶段的市场成长期,具有技术领先优势和快速迭代能力的企业将脱颖而出;待新能源汽车渗透率增长放缓后,具有成本和客户优势的独立供应商将进一步扩大份额,彼时的头部主机厂,其电驱动业务部门不排除分拆后独立发展的可能。

10、电驱集成化发展路径

10.1、电机电控企业发展路线(汇川、英搏尔、卧龙电驱等):

  • 基于自身电机、电控的优势,向下合并减速器,向上逐渐合并 OBC、DC/DC、PDU 等整车充电控制模块;

  • 从低端产品、低端市场逐渐向上生长,客户群和配套车型改善,单车价值量、利润提升。

  • 提供模块化、平台化产品和解决方案。

10.2、电源模块企业发展路线(欣锐科技、英威腾等):

  • 基于电源模块的技术优势,将 OBC、DC/DC、PDU 整合成电源“三合一”;

  • 部分厂商尝试向动力域整合,将电机控制器 MCU 整合,但因为电机电控技术门槛较高,挑战较大。

10.3、整车零部件企业(博世、大陆等):从现有体系进行系统化整合集成。

11、工艺优化带来新的投资机遇:扁线绕组、一体化轴、SiC替代、系统热管理等

关注电机内部绕组铜线的工艺优化,扁铜线对于圆铜线的替代。

扁线相对于圆线,在效率、功率密度、散热能力、体积重量等方面具有优势。扁铜线之间的排布会更加紧密,裸铜槽满率可提升 20%~30%,有效降低绕组电阻进而降低铜损耗,产生更强的磁场强度,提升电机功率密度;扁线之间接触面积大,相比与圆线的热导性能更好,温升更低。

扁线电机还可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率、降低端部发热损耗,降本增效。目前特斯拉、上汽新能源、极氪、比亚迪等新能源车企都加快了将圆线电机替换成扁线电机的步伐。

【驱动视界-点评-10】hairpin的缺点:

1、集肤效应导致损耗增加。圆线电机可以用细线,线比较多,而扁线比较粗,会产生一种集肤效应,该效应会使扁线电机的损耗有所增加,但影响有限;

2、铜线要求高。粗的铜材料具有一定的弹性,弯折后会有一定程度的反弹,这个需要设计师提前设计好,这非常考验设计师水平。正因为弯折和反弹等因素,绝缘层容易损坏而产生缺口;

3、设备要求高。扁线由于工序复杂、精度要求高,通过人工制造基本不可能实现大规模量产,必须依赖专业的高端设备,这是大规模普及的前提,也是制约其国产化的一个重要原因;

4、系列化设计难,对设计师要求高。扁线电机最主要的缺点是很难做到非常密的系列化设计,即柔性不够,所以非常考验电机设计师的功力;

5、高速区域效率不见得高于圆线。

▲hairpin

系统集成化使得电机和减速器从硬件层面快速融合,从分立的实心轴向一体化轴、油冷空心轴演进。为了提高传动效率,电机轴和减速器轴从独立轴合并成一体轴。

与此同时,随着永磁同步电机逐渐替代异步电机,永磁体的高温退磁风险叠加电机高转速的发展趋势,电机内部定转子的冷却要求越来越高,除了利用电子油泵对电机内部腔体进行喷淋冷却之外,通过将电机的转子轴空心化,并在其上增加油孔,从而使得减速器腔体内的油可以通过转子的高速旋转,甩溅到定子绕组,从而实现冷却目的。

此外,电机的高速化对于减速器的传动齿轮、高速轴承等也提出了更高的要求。

2019 年,全球 IGBT 市场规模为450 亿元,其中新能源汽车占比 20%且呈快速上升趋势;中国是第一大消费国,占比 41%。

在整车电子电气架构中,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率模组的关键组成部分,其系统地位和成本占比都值得重视。国内企业以前在 IGBT 领域长期依赖进口,市场主要被英飞凌、三菱、富士电机等巨头垄断;随着国内的技术进步,出现了以斯达半导、中车时代等为代表的优秀企业,逐步推动 IGBT 的国产化进程。

与此同时,SiC 作为第三代半导体材料,正在逐步替代传统的 Si 基器件。SiC 具有体积小、重量轻、散热强、能量损耗低、高频等物理性能方面的优势,我们认为,随着成本端和制造端压力的逐步解除,SiC 模块对于 IGBT 的替代或将加速。

▲hairpin

关注油冷方式的兴起,重点聚焦电子油泵、油冷却器等增量部件机会,以及集成化散热对于整车热管理系统的影响。随着电机功率密度和转速的不断提升,以及集成化对于单体部件体积的缩小,传统电机的风冷或者外壳水冷方式已经无法满足散热需求,油冷电机路线逐渐兴起。油本身因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性,对电机磁路无影响,散热效率更高。

首先将电机腔体和减速器打通,然后通过电子油泵或者机械设计,使得减速器内部原有的冷却润滑油能够进入到电机内腔,实现对定转子的物理降温,然后再通过油冷却器将温度传导至外界。

另一方面,原有的新能源汽车电机电控系统通常是和电池包等的冷却形成一个完整的热管理系统;在电机壳体的内部,也有类似于内燃机缸体内部那样的水道,冷却液通过水泵的驱动在中间流动,从而达到散热效果。随着集成化的发展,各部件壳体的融合,以及控制模块的布置方式变化等,均需要对原有的热管理体系进行适应性优化设计。

▲huawei eds

提高电机功率密度的主要途径中,除了降低绕组发热等铜损,降低定转子的铁损也非常重要。

在电机工作过程中,定转子硅钢片内部会因为电流磁场等变化而产生涡流,为了减小这部分的涡流损耗,硅钢片的厚度越来越薄,从 0.35mm 逐渐发展到 0.3mm 以下,硅钢片的叠片方式也在不断改进。

此外,为了优化电机内部的磁场分布从而提高电机效率,针对转子铁芯的磁道设计也越来越被关注。

12、自供+外采长期共存,独立第三方电驱动系统供应商或将成为市场主力

【驱动视界-点评-11】小编对上面观点持有保留态度,肉眼可见的宝马、大众、特斯拉、比亚迪、长城、蔚来等,都是自研电驱动系统,小鹏、华人运通也在积极谋划,随着新能源汽车市场竞争格局逐渐明朗化,头部效应愈加明显,市场集中度的进一步提高,电驱动系统产量和规模的不断提升,OEM自制电驱将成为一种趋势。

我们认为,电驱动系统的集成化趋势,符合主机厂对于降本增、优化体系、整车架构演进等方面的诉求。集成化从硬件融合向电气融合、芯片融合快速演进,主机厂供应链也越来越开放。我们认为,具有技术积累、客户资源等方面优势的企业将占据较大市场份额,以特斯拉、蔚来等为代表的主机厂自供体系和以汇川技术、英搏尔、欣锐科技等为代表的独立集成供应商将长期共存;而随着整车市场快速起量以及技术迭代的加速,自供独立供应商有望成为市场的主力参与者。

【驱动视界-点评-12】小编认为,对任何一个BEV OEM来说,当一个车型月销量超过5000台的时候,电驱动系统全部外购这件事,对企业决策者来说,始终是一块心病

现在大量存在的独立第三方电驱动供应商(Tier1),在未来将逐渐消失,至少排除在市场主流车型的配套体系之外。

未来主流车型的配套模式一定是:OEM+Tier2,即OEM(新能源汽车主机厂包揽电驱动设计)+Tier2(定转子+齿轮+轴承+驱动板+控制板+电容+电流传感器+壳体,等等)。

正如燃油车时代没有车企愿意把发动机和变速箱这样的核心零部件资源的命脉被别人攥在手里。独立第三方Tier1最好的结局就是作为畅销车型电驱动系统的二供,份额在20%左右,作为鞭策、激励自家供应商的砝码。

▲从燃油车到新能源车的动力系统演化路径

国内车企中,掌握电驱动系统自主设计、自主集成和自主制造能力的企业并不多。很多互联网造车企业通过外包、外购的方式,“搞定”了电驱动系统的短板,但在长期的市场竞争中必然处于劣势。此外,电驱系统中的核心零部件(如IGBT等),仍然掌握在国外寡头(如富士、英飞凌)手里。

本文素材来源:中金公司《电驱动行业深度一:下一个长坡厚雪赛道》作者:邓学、曾韬、齐丁、刘畅、荆文娟

来源:驱动世界

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