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一篇精晓新能源汽车电机电控

作者:admin 发布时间:2019-12-24

  汽创君:摇号摇到两鬓花白的幼编迩来放弃恭候,买了一辆eu260,也真切感染到新能源电动汽车职能再有强壮的提拔空间,行动决计电动汽车职能的合头部件,本文周详说说电机电控。

  新能源汽车行动古代燃油汽车的取代品,其首要电气编造即为正在古代汽车“三幼电”(空调、转向、造动)根源上延迟发生的电动动力总成编造“三大电”——电池、电机、电控。个中,电机、电控编造行动古代带动机(变速箱)功用的取代,其职能直接决计了电动汽车的爬坡、加快、最高速率等首要职能目标。

  同时,新能源汽车电机、电控编造面对的工况相对繁复:必要可以屡次起停、加减速,低速/爬坡时央求高转矩,高速行驶时央求低转矩,拥有大变速界限;搀和动力车还必要处罚电机启动、电机发电、造动能量回馈等非常功用。另表,电机的能耗直接决计了固定电池容量情状下的续航里程。所以,电动汽车驱动编造正在负载央求、本事职能和职责境遇上有非常央求:

  其一,驱动电机要有更高的能量密度,完毕轻量化、低本钱,适合有限的车内空间,同时要拥有能量回馈才具,下降整车能耗;

  第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以供应高启动速率、爬坡职能和高速加快职能;

  第三,电控编造要有高把握精度、高动态反映速度,并同时供应高平和性和牢靠性。

  其一,驱动电机要有更高的能量密度,完毕轻量化、低本钱,适合有限的车内空间,同时要拥有能量回馈才具,下降整车能耗;

  第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以供应高启动速率、爬坡职能和高速加快职能;

  第三,电控编造要有高把握精度、高动态反映速度,并同时供应高平和性和牢靠性。

  电机电控编造行动新能源汽车物业链的首要一环,其本事、缔造水准直接影响整车的职能和本钱。目前,国内正在电机、电控范围的自立化水准仍远掉队于电池,一面电机电控中枢组件如IGBT 芯片等仍不具备完整自立分娩才具,具备编造完备常识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。跟着国内电机电控编造物业链的慢慢完美,电机电控编造的国产化率慢慢降低,电机电控市集拥有的增速希望胜过新能源汽车整车市集的增速。

  另表,跟着整车车体组织轻量化的推动,电池、电机、电控编造正在新能源汽车整车中的本钱占比也逐步上升。遵照Argonne 国度测验室统计数据,新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的本钱诀别占整车本钱的15.67%(轿车)和13.69%(幼型货车),总成占比仅次于电池和BMS 编造。正在新能源汽车补贴慢慢退坡的策略驱动下,动力总成本钱、重量消重的压力将慢慢向上传导至电机、电控产物厂商,具备本事、界限上风的供应商将正在本钱消重的历程中攻克上风。所以,电机电控市集还是正在很大水准上影响新能源汽车市集的走向。

  电动机正在工业中的利用出格普遍,功率笼罩界限宽,品种也良多。但因为新能源汽车正在功率、转矩、体积、质地、散热等方面临驱动电机有更高的央求,所以,比拟工业电机,新能源汽车驱动电机必需具备更优越的职能,如:幼体积以适合车辆有限的内部空间,职责温度界限宽(-40~1050C),适合担心谧的职责境遇,高牢靠性以确保车辆和乘员的平和,高功率密度以供应杰出的加快职能(1.0-1.5kW/kg)等,所以驱动电机的品种相对较少,功率笼罩也相对较窄,产物相对聚积。

  目前,利用于新能源汽车的驱动电机首要搜罗直流电机、互换电机和开合磁阻电机三类,个中正在目前乘用车、商用车范围利用较为普遍的电机搜罗直流(无刷) 电机、互换感受(异步)电机、永磁同步电机、开合磁阻电机等。其他非常类型的驱动电机搜罗轮毂/轮边电机、搀和励磁电机、多相电机、双呆板端口能量变换器( Dmp-EVT),目前市集化利用较少,是否可以大界限增添必要更长功夫的车型验证。

  (1)互换异步电机,也称为感受电机( Induction Motor),正在定子绕组中输入三订交流电,定子绕组中的励磁电流正在定子铁芯中发生挽回磁场, 此时转子绕组中有感受电通畅过并饱吹转子作挽回运动。当转子带有呆板负载时,转子电流减少,因为电磁感受效率,定子绕组中的励磁电流也减少。 互换异步电机把握器采用脉宽调造( PWM) 方法完毕高压直流到三订交流的电源变换,采用变频器完毕电机调速,采用矢量把握或直接转矩把握完毕转矩把握的敏捷反映,知足负载变动特色的央求。

  互换异步电机的长处正在于组织大略,定子转子无直接接触,运转牢靠性强,转速高,保护本钱低。 亏空之处正在于能耗高,转子发烧速,高速工况下必要非常冷却编造;功率因数低,必要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。 目前,互换异步电机首要用于空间央求较低、且速率职能央求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

  (2)永磁电机( Permanent Magnetic Motor) 搜罗永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类,其转子均由永磁原料造成, 定子采用三相绕组,输入调造方波发生挽回磁场发动永磁转子动弹。永磁同步电机的长处正在于其较大的转矩和驱动效能,拥有高功率密度和宽调速界限,且没有励磁损耗和散热题目,电机组织大略,体积比同功率的异步电机幼 15%以上;其舛误正在于高速运转时把握繁复,永磁体退磁题目目前难以处理, 电机造价较高。目前,永磁同步电机首要利用于体积幼,且速率、操控职能央求较高的电动乘用车范围,一面中幼型客车亦着手测试操纵永磁电机行动驱动源。 永磁无刷直流电机则通常正在幼功率电动汽车、低速电动车范围利用较为普遍。

  (3)开合磁阻电机( Switched Reluctance Motor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成,愚弄冲片上的齿槽组成双凸极组织, 定子发生扭曲磁场,愚弄“磁阻最幼道理”驱动转子运动。 开合磁阻电机组织和把握大略、功用大,牢靠性高,本钱低,起动造动职能好,运转效能高,但电机噪声高,但转矩脉动急急,非线性急急,正在电动汽车驱动中有利有弊,目前电动汽车利用较少。

  (4)直流电机( DC Motor)通过正在定子主磁极上绕造励磁线圈并通以直流电以发生磁场,转子电枢绕组也通以直流电,通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运转。直流电机把握器通常采用晶闸管脉宽调造方法( PWM),把握职能好,调速滑润度高,把握大略,本事成熟,且本钱较低。直流电机的舛误是必要独立的电刷和换向器,导致速率提拔受限;电刷易损耗,保护本钱较高。直流电机多用于早期的电动汽车驱动编造,目前新研造的车型仍然根基不再采用。

  目前, 新能源汽车所操纵的电机以互换感受电机和永磁同步电机为主。个中, 日韩车系目前多采用永磁电机,转速区间和效能相对都较高,可是必要操纵高贵的编造永磁原料钕铁硼;欧美车系则多采用互换感受电机,首要来历是对待稀土资源匮乏,以及下降电机本钱探究,其劣势则首要是转速区间幼,效能低,必要职能更高的调速器以完婚职能。 特斯拉公司正在其本代车型 Model S 和 Model X 上均采用的是自行策画的互换感受电机。

  我国稀土资源充裕, 所以电动乘用车多采用功率职能高、体积较幼的永磁同步电机。 遵照中国汽车工业协会统计数据,2016 年上半年,我国纯电动汽车产销量诀别抵达 13.4 万辆、12.6 万辆,同比诀别延长 160.8%、 161.6%。上半年分娩纯电动乘用车约 70000 辆,个中永磁同步电机的装机占比约为 65.7%,比 15 年同期延长 21.25 个百分点,比 15 年整年延长了 19.99 个百分点。

  同期,国产新能源乘用车用互换异步电机的市集分额正在逐步减幼,从 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%;而搀和励磁同步电机的占比则从 0.03%上升至 1.10%,尽量绝对占比仍相对较幼,但装机率希望维系幼幅安谧的延长态势,异日有不妨正在纯电动乘用车范围率先得回冲破性希望。

  电机把握器正在古代汽车的车载电机中已有利用,通过功率半导体、微处罚器等电力电子器件,采用中低压变频等方法完毕对车用空调压缩机、转向帮力泵电机等实行调控的功用。电动汽车电机把握器行动把握电动汽车驱动电机的摆设,通过收受整车把握器和把握机构(造动踏板、油门踏板、换挡机构) 传送的把握音信,对驱动电机转速、转矩和转向实行把握,并可同时对动力电池的输出实行相应把握。

  目前,一面“多合一”的电控产物仍然正在电动汽车中加入利用,同时集成了古代汽车分立的空调压缩机、转向帮力泵电机、气泵电机把握器, 跟着微芯片正在整车及总成把握中的利用慢慢普遍,多合一电控产物的本钱希望进一步消重,简单把握器将慢慢被集成化“车辆主旨把握器”所庖代。

  电控编造的策画和标定与电机编造合联水准较高,遵照完婚电机的差别,电控编造必要开辟差别本事平台。早期的直流电机通常采用脉宽调造( PWM)斩波把握的方法实行把握,把握办法相对简单,利用也有部分性。跟着感受电机和永磁电机的洪量操纵,电控编造的繁复水准急迅上升, 矢量把握本事和直接转矩把握本事成为电控产物的本事主流,电动乘用车的普及对待电机和电控编造的集成水准央求也越来越高。能够意料的是,异日电机与电控企业的交易交叉水准将慢慢降低, 可供应电机电控一体化动力总成产物的企业将有帮

  行动新能源汽车“三大电”之二,比拟动力电池行业的敏捷生长以及高体贴度,国内电机电控行业则相对“低调”。咱们以为, 电机电控行业受市集体贴度低于电池首要是两方面来历:其一, 新能源汽车电机电控物业根基与国内电动汽车市集同步启动,整车企业对待电动汽车的研发、采购、分娩和发售等流程都处于查究和完美阶段, 对待电机电控配套行业的圭表和编造也尚未成型;

  其二,锂电池正在 3C 等范围利用有近 20 年史籍,行业造成了相对完备的本事圭表和产物编造,转用为动力电池有肯定的参考和模仿,而新能源汽车电机与工业电机本事途径和央求差异较大,专业企业中很大逐一面仍为 10 年以内的创业型企业,行业尚未造成真切安谧的市集式样。 目前,新能源汽车驱动电机的厂商首要搜罗两类:第一类是具备电机电控供应链的电动汽车整车企业, 由其自有分娩才具或相干供应链企业向其供应完全或一面电机电控产物,一面整车厂的电机电控产物也少量表销。 这类企业通常为古代汽车缔造企业, 历程多年积蓄, 具备完备的零部件分娩才具。 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立供应电机电控产物的才具。

  第二类是专业从事汽车零部件供应或专业从事电机电控产物供应的企业,个中搜罗专业汽车零部件供应商,如采埃孚( ZF)、大陆( Continental)、博世( Bosch)、日立( Hitachi)、新颖摩比斯( Mobis)等国际汽车供应量巨头; 以及国表里新兴的专业电机电控缔造企业,如上海电驱动、上海大郡、精进电动、台湾富田电机( Fukuta)等。

  另表,一面古代工业电机、变频器平分娩企业也寄托正在研发、分娩上的本事积蓄,踊跃转型介入新能源汽车电机电控合联产物的供应,如汇川本事、英威腾、卧龙电气、耿介电机、江特电机等。

  遵照行业统计, 2016 年 1-7 月国内分娩的胜过 18 万辆纯电动汽车中,整车厂自行供应和第三方电机企业供应的电机装机占比诀别为 55.4%和 44.6%,整车厂自行供应和第三方电控企业供应的电控装机占比诀别为 56.2%和 43.8%,比例根基持平。

  目前国内电动汽车大一面仍由北汽、比亚迪等古代汽车企业分娩, 所以整车企业自供电机电控组件占比相对较大。 探究到 16 年整年获批的新修新能源汽车企业仍然抵达 7 家,且个中不乏长江汽车、敏安汽车、万向集团等尚无整车分娩体会的企业,咱们以为,跟着新能源汽车专业缔造企业越发是轻资产型互联网汽车企业的急迅振兴,新能源汽车物业链分工细化成为必定趋向,第三方供应商供应电机电控乃至动力总成的比重将慢慢上升。

  遵照中机核心通告的新能源汽车装机数据统计, 2016 年 1-7 月,第三方电机企业抵达 92家,第三方电控企业抵达 98 家,诀别供应了 44.6%和 43.8%的装机量。第三方电机、电控企业,正在第三方市集中的最高市占率仅诀别为14.5%和 18.4%,正在满堂电机、电控市集的市占率更是仅为 6.48%和8.07%。一切电机、电控市集仍处于不决型的角逐式样, 尚无任何企业对市集造成统治性上风, 转型企业、新兴企业均有时机正在市集中脱颖而出,急迅得回较大的市集份额。

  2016 年 10 月 26 日中国汽车工程学会年会上公布的《节能与新能源汽车本事本事途径图》,正在纯电动与插电式搀和动力汽车本事途径 年纯电动乘用车续航里程要抵达300km,电动客车单元载重电耗水准要降至 3.5kWh/100km*t,同时提出 8 项生长重心,个中 4 项与电机电控直接合联:动力电机与底盘集本钱事、纯电动汽车动力编造集成及把握本事、高职能动力电机本事、新型电机把握器本事。

  比拟动力电池正在国内仍然开始成立起研发本事编造,高职能电驱动编造的研发正在国内仍处于起步阶段,大一面具备更始组织的高职能电机(如) 仍处于样件开辟乃至策画阶段。电驱动编造物业链的敏捷生长,使得各个企业均有时机正在产物和本事上脱颖而出,敏捷抢占下游电动汽车市集。

  与动力电池编造差别的, 驱动电机编造对待原原料的央求相对大略,首要搜罗钕铁硼等稀土永磁原料( 永磁体)、钢材( 铁芯叠片、驱动轴体)、 铜(绕组)、镁铝合金(机壳) 等根基金属。所以, 原原料本钱和加工本钱攻克电机本钱中的绝大一面。

  遵照 ANL 统计数据,正在永磁同步电机中, 永磁体组件的本钱占一切电机物料本钱的 45%控造;正在感受电机中,铁芯叠片的本钱占电机物料本钱的 58%控造。所以,稀土原料、钢材、铜铝等有色金属原料的代价将对电机本钱发生最直接的影响。

  遵照华域电动等企业数据,稀土磁钢的重量仅攻克整机重量的 2.5-4.5%,但本钱仍然占了一切车用驱动电机本钱的 20-30%,稀土代价上涨时乃至能够抵达 50-60%。 所以,原原料本钱的动摇对待电机分娩本钱拥有直接的影响。

  2015 年作废稀土出口配额造往后,我国年稀土氧化物的开采量目标保卫正在 8-10 万吨控造,探究到造孽稀土开采和诀别量,整年国内稀土的供应量约正在 16 万吨控造。不才游需求维系安谧的情状下,稀土永磁原料的代价总体满堂体现稳中消重的趋向,但稀土代价仍然根基位于底部,异日赓续大幅消重的空间不大。 16 年 12 月, 钕金属的代价已抵达为 32.15 万元/吨,相对旧年上涨了 10%,最上升幅已靠近 20%。

  原原料方面,钢材受到上游焦炭、铁矿石等原原料代价上涨的影响,无取向硅钢代价正在2016 年闪现了敏捷反弹,从 15 年 12 月的 3250 元/吨急迅上涨到年合的 7500 元/吨高位,靠近了 2011 年的代价高点。 同时, 截至 17 年 1 月 5 日,长江、华南区域现货铜价均抵达为 4.54 万元/吨, 较 16 年头每吨上涨了约 1000 元。

  探究到稀土收储与打私策略的配合践诺,以及搜罗特斯拉正在内的欧美电动汽车厂商转向永磁同步本事途径 年不妨迎来稀土供应侧收紧和需求侧放大的双重挤压,稀土代价或将大幅反弹;正在供应侧转变和环保税开征的双重压力下,钢铁去产能仍处于“三去一降一补”之首, 17 年代价处于高位盘整的不妨性较大。多重身分联合效率下, 电机厂商正在物料本钱端承压将敏捷上升,电机厂商只可通过本事改变,急迅下降单体电机金属用量,降低电机功率密度,才不妨应对来自上游整车代价消重和下游原原料本钱上升的压力。

  国度十三五新能源汽车重心研发筹划精确提出, 2020 年,我国驱动电机峰值功率密度应抵达 4.0kW/kg,延续功率密度应抵达 2.2kW/kg,基于 IGBT 功率模块的电控器功率密度抵达 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抵达 36kW/L,较目前职能均完毕倍增。正在此目的下, 完毕电机电控本钱的消重通常通过两种方法完毕:

  1) 通过推出集成度高的电驱动总成来下降编造总重,从而降低公里密度,下降本钱,如大陆、麦格纳等企业推出的,电力电子与驱动电机总成、驱动电机与减速器总成、搀和动力总成模块等,此种方法通常为欧美等企业采用;

  2) 通过采用一面组件非金属化下降编造重量和本钱,搜罗动弹枢轴、支柱组件等,采用耐磨非金属原料实行取代, 或通过组织策画对搜罗电机极槽比、齿槽比与裂比等实行多重优化,从而降低单台电机原料用量, 此种方法多为日韩等电机企业采用。

  电机把握器行动整车驱动编造的最首要构成一面,首要由逆变器(首要是 IGBT 功率模块)、逆变驱动器、电源模块、主旨把握模块、软启动模块、扞卫模块、散热编造信号检测模块等组件构成。个中, IGBT 模块行动中枢高压把握开合组件, 其本钱攻克电机把握器本钱的 40-50%; 据行业统计, IGBT 器件攻克新能源汽车整车本钱的 10%控造。 所以, 行动新能源汽车中枢零部件, IGBT、 DSP 等中枢元器件的本钱直接决计了电机把握器等总成的本钱消重空间。

  IGBT 正在电动汽车中的利用与变频器国产化仍然开始达成、 国内品牌市集占领率反超表洋品牌的情状差别的是, 目前IGBT 芯片和模块正在国内尚未完整造成物业组织, 高端市集占领率仍与表资品牌存正在较大差别。 国内 70%以上的 IGBT 器件市集,越发是高端高功率半导体已经首要被英飞凌、 三菱、仙童、 东芝、富士、SEMIKRON、 Sanken、 IXYS、 ST 等美日企业攻克, 比亚迪、中车时间电气等企业通过自修或收购海表 IGBT 产能分享了糟粕的市集。

  跟着电动汽车电驱动编造向高调速界限、高功率密度(搜罗高速和高转矩密度)、轻量化、高效能、能量回馈、高牢靠性和平和性及低本钱等偏向慢慢演进, 电机、电控、 BMS 等总成对待高功率半导体开合器件的利用将越来越普遍。

  另表,高铁调速编造、柔性直流输电、风电/光伏逆变器、充电桩直流模块等范围都将对 IGBT 及其模块化产物有大界限的需求,估计十三五时刻仅新能源车及充电桩市集即可发动每年 IGBT 需求达 200 亿元控造。不才游市集的刺激下,国内 IGBT 物业仍然闪现加快扩张态势,华润上华、中芯国际、宏力半导体、华虹 NEC 等企业纷纷加快产能作战,高压和超高压、中大功率 IGBT 时刻希望正在市集界限增添的同时完毕代价络续消重。

  遵照行业统计,国产 IGBT 比进口器件的本钱可消重 15-20%,且仍具有 30%以上的毛利率,跟着 IGBT 代价的进一步消重,电机和把握器的本钱也将随之消重 20%以上。

  2016 年 12 月,国务院批复与通告了《十三五国度策略性新兴物业生长谋划》,精确提出到 2020 年,新能源汽车完毕当年产销 200 万辆以上,累计产销胜过 500 万辆。 探究到物业实质与达成情状,咱们预测 2017 年新能源汽车总销量可抵达 65.8 万辆,个中客车、乘用车、专用车诀别抵达 13 万、 40.8 万、 12 万辆,个中乘用车和专用车供应了首要增量一面。 由此测算, 2017 至 2020 年,新能源汽车电机、电控市集界限将从 240 亿元上升至480 亿元, 年均延长率约为 26%。

  电机、电控行业目前仍处于产物本事敏捷更新换代的阶段, 本事加入占斗劲高,资产界限通常不重, 市集角逐也较电池行业为轻。 探究目前新能源汽车电驱动编造的企业多人由古代工业电机、变频把握等企业转型而来,产能的敏捷上量对待全行业而言并诘责以完毕的瓶颈,所以行业存正在产物定型后角逐倏地加剧的危机。目前电驱动行业企业数目稠密,尚无任何企业能对市集完毕把握或垄断,仅探究第三方供应商市集, CR10 乃至幼于 50%;另表,电机、电控企业处于新能源汽车物业链中游,正在产能足够的情状下,企业将同时受到来自上游原原料及中枢零部件企业,和下游整车企业的双向本钱压力。

  所以,不才游新能源汽车市集敏捷延长的历程中, 同时具备本事和市集上风的供应商材干正在慢慢激烈化的电机、电控市集中增添市集份额,这一方面央求企业正在本事上必要具备电机、把握编造的本事、分娩上风, 和较强的动力总成编造集成才具, 从而正在策画和分娩两方面下降产物本钱,另一壁央求企业正在市集方面具备较强的客户粘性,与下游整车企业造成较为稳固的物业定约或互帮合同。

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