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提效率和降成本电机电控发展的必由之路流量铝铆钉

文章来源:双子机械网  |  2019-11-20

贤集网工业电气自动化频道讯:电机电控是新能源汽车的关键部件,也是制约我国新能源汽车发展的最关键问题之一,在新能源汽车补贴逐步退坡的形势下,提升电机效率和降低其成本是我国电机电控企业发展的必由之路。

新能源汽车电机电控市场规模

政策大力支持下,我国新能源汽车市场已进入快速增长期,动力电机电控市场如同动力电池市场一样,存在无限的机会,这也是许多企业开始布局新能源动力电机、电控领域的主要原因。

《十三五国家战略性新兴产业发展规划》,明确提出到2020年,新能源汽车实现当年产销200万辆以上,累计产销超过500万辆。

2015年我国新能源汽车电机产量约为41万台,预计到2020年我国新能源汽车电机产量达240万台。新能源汽车电机电控市场增长空间巨大,前景广阔。

新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类。因其不同特点,各有应用场合。

永磁同步电机体积小、质量轻,功率密度大,可靠性高,调速精度高,响应速度快;但最大功率较低,且成本较高。由于永磁同步电机具有最高的功率密度,其工作效率最高可达97%,能够为车辆输出最大的动力及加速度,因此主要用在对能量体积比要求最高的新能源乘用车上。

交流异步电机价格低、运行可靠;但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制。价格优势使得其在新能源客车中使用的较广泛。

开关磁阻电机价格低、电路简单可靠、调速范围宽;但震动、噪声大,控制系统复杂,且对直流电源会产生很大的脉冲电流。用于大型客车。

其中, 日韩车系目前多采用永磁电机,转速区间和效率相对都较高,但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼;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,其劣势则主要是转速区间小,效率低,需要性能更高的调速器以匹配性能。

新能源汽车电机电控厂商:

1、具备电机电控供应链的电动汽车整车企业, 由其自有生产能力或关联供应链企业向其供应全部或部分电机电控产品,部分整车厂的电机电控产品也少量外销。 这类企业一般为传统汽车制造企业, 经过多年积累, 具备完整的零部件生产能力。 目前国内的主机厂中,比亚迪、北汽新能源、江铃新能源、长安新能源、中通客车、厦门金龙等企业均具备自主供应电机电控产品的能力。

2、专业从事汽车零部件供应或专业从事电机电控产品供应的企业,其中包括专业汽车零部件供应商,如采埃孚( ZF)、大陆( Continental)、博世( Bosch)、日立( Hitachi)、现代摩比斯( Mobis)等国际汽车供应巨头; 以及国内外新兴的专业电机电控制造企业,如上海电驱动、上海大郡、精进电动、台湾富田电机( Fukuta)等。

此外,部分传统工业电机、变频器等生产企业也依靠在研发、生产上的技术积累,积极转型介入新能源汽车电机电控相关产品的供应,如汇川技术、英威腾、卧龙电气、方正电机、江特电机等。

电机电控厂商面临的挑战

新能源汽车驱动电机面临安全、高效、成本的挑战,这些因素决定着新能源汽车的未来发展与竞争力。

新能源汽车驱动电机只是电机行业中的一小部分。虽然中国新能源车辆市场总体规模还不大,却比传统电机行业要求更高;尤其针对新能源汽车的驱动电机在重量、空间与输出功率需求比来看,希望驱动电机在每0.6 kg的重量下,能输出1 kW的能力,其性能需求远远超过传统电机的要求。

驱动电机作为新能源汽车取代传统汽车引擎的角色,又碍于车辆的空间及价格限制,为达到高效率、高舒适性、高可靠性、低噪音、高转速、高功率密度、必须使用强制水冷结构等技术,但又须降低成本,因此要进入新能源汽车驱动电机的门坎要更高。

驱动电机主要瓶颈

1、电机功率密度、效率、寿命等综合性能需待进一步提升。

2、产品一致性、可靠性与汽车业使用要求尚有差距;许多企业所生产的样品质量不错,但一进入量产就会出现质量不一,无法达到相同性能。而且产品通过符合车辆质量要求之 TS16949 质量体系标准认证的还更少。

3、成本过高问题。这主要是除了要求企业提高技术水准外,亦必须提升生产力。只有达到一定的产量下,电机的成本价格才能真正的下降。

而且新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围; 混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。

此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。 因此, 电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求: 其一,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本, 适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;第三,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如 IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。

电机电控降成本关键:集成化、轻量化

新能源汽车电机驱动系统主要由驱动电机和电机控制器两部分构成。从电机驱动系统的产业价值链来看,驱动电机和电机控制器所占的成本之比大致相同。

驱动电机系统对于原材料的要求相对简单,主要包括钕铁硼等稀土永磁材料(永磁体)、钢材(铁芯叠片、驱动轴体)、铜(绕组)、镁铝合金(机壳)等基本金属。因此,原材料成本和加工成本占据电机成本中的绝大部分。因此,稀土材料、钢材、铜铝等有色金属材料的价格将对电机成本产生最直接的影响。

国家十三五新能源汽车重点研发计划明确提出,2020年,我国驱动电机峰值功率密度应达到4.0kW/kg,连续功率密度应达到2.2kW/kg,基于IGBT功率模块的电控器功率密度达到17kW/L,基于第三代宽禁代半导体的Sic功率模块的电控器功率密度达到36kW/L,较目前性能均实现倍增。

在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商。因此电机电控发展在很大程度上影响新能源汽车市场的走向。

电机电控降本方式

一是通过集成度高的电驱动总成来降低系统总重,从而提高公里密度,降低成本;

二是通过采用部分组件非金属化降低系统重量和成本,包括转动枢轴、支撑组件等,采用耐磨非金属材料进行替代,或通过结构设计对包括电机极槽比、齿槽比与裂比等进行多重优化,从而提高单台电机材料用量。

三是核心零部件国产化。电机控制器作为整车驱动系统的最重要组成部分,主要由逆变器(主要是IGBT功率模块)、逆变驱动器、电源模块、中央控制模块、软启动模块、保护模块、散热系统信号检测模块等组件组成。其中,IGBT模块作为核心高压控制开关组件,其成本占据电机控制器成本的40-50%;据行业统计,IGBT器件占据新能源汽车整车成本的10%左右。因此,作为新能源汽车核心零部件,IGBT、DSP等核心元器件的成本直接决定了电机控制器等总成的成本下降空间。国产IGBT比进口器件的成本可下降15-20%,且仍拥有30%以上的毛利率,随着IGBT价格的进一步下降,电机和控制器的成本也将随之下降20%以上。

图 Infineon IGBT 在电动汽车应用图

目前IGBT芯片和模块在国内尚未完全形成产业布局,高端市场占有率仍与外资品牌存在较大差异。国内70%以上的IGBT器件市场,尤其是高端高功率半导体依然主要被英飞凌、三菱、仙童、东芝、富士、SEMIKRON、Sanken、IXYS、ST等美日欧企业占据,比亚迪、中车时代电气等企业通过自建或收购海外IGBT产能分享了剩余的市场。

在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商, 具备技术、规模优势的供应商将在成本下降的过程中占据优势。

所以优化电机结构、提高原材料利用率及提高元器件核心竞争力是新能源汽车电机电控系统的研发导向和降本良方。

小结:电机及电控作为新能源汽车用关键部件,国内厂商要做好技术创新、自主研发,发挥工匠精神,与国际先进技术接轨,做与众不同的特色化产品,提高全球竞争力。

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