提效率和降成本,電機電控發展的必由之路

提效率和降成本，電機電控發展的必由之路

邢生玉 發表於 2017-04-05 14:14:27

導讀：電機電控是新能源汽車的關鍵部件，也是制約我國新能源汽車發展的最關鍵問題之一，在新能源汽車補貼逐步退坡的形勢下，提升電機效率和降低其成本是我國電機電控企業發展的必由之路。

新能源汽車電機電控市場規模

政策大力支持下，我國新能源汽車市場已進入快速增長期，動力電機電控市場如同動力電池市場一樣，存在無限的機會，這也是許多企業開始布局新能源動力電機、電控領域的主要原因。

《十三五國家戰略性新興產業發展規劃》，明確提出到2020年，新能源汽車實現當年產銷200萬輛以上，累計產銷超過500萬輛。

2015年我國新能源汽車電機產量約為41萬臺，預計到2020年我國新能源汽車電機產量達240萬臺。新能源汽車電機電控市場增長空間巨大，前景廣闊。

主流新能源汽車驅動電機

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

永磁同步電機體積小、質量輕，功率密度大，可靠性高，調速精度高，響應速度快；但最大功率較低，且成本較高。由於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、控制複雜、調速範圍小是固有限制。價格優勢使得其在新能源客車中使用的較廣泛。

開關磁阻電機價格低、電路簡單可靠、調速範圍寬；但震動、噪聲大，控制系統複雜，且對直流電源會產生很大的脈衝電流。用於大型客車。

其中， 日韓車系目前多採用永磁電機，轉速區間和效率相對都較高，但是需要使用昂貴的系統永磁材料釹鐵硼；歐美車系則多採用交流感應電機，主要原因是對於稀土資源匱乏，以及降低電機成本考慮，其劣勢則主要是轉速區間小，效率低，需要性能更高的調速器以匹配性能。

新能源汽車電機電控廠商：

1.具備電機電控供應鏈的電動汽車整車企業， 由其自有生產能力或關聯供應鏈企業向其供應全部或部分電機電控產品，部分整車廠的電機電控產品也少量外銷。 這類企業一般為傳統汽車製造企業， 經過多年積累， 具備完整的零部件生產能力。 目前國內的主機廠中，比亞迪、北汽新能源、江鈴新能源、長安新能源、中通客車、廈門金龍等企業均具備自主供應電機電控產品的能力。

2.專業從事汽車零部件供應或專業從事電機電控產品供應的企業，其中包括專業汽車零部件供應商，如採埃孚（ ZF）、大陸（ Continental）、博世（ Bosch）、日立（ Hitachi）、現代摩比斯（ Mobis）等國際汽車供應巨頭； 以及國內外新興的專業電機電控制造企業，如上海電驅動、上海大郡、精進電動、臺灣富田電機（ Fukuta）等。

此外，部分傳統工業電機、變頻器等生產企業也依靠在研發、生產上的技術積累，積極轉型介入新能源汽車電機電控相關產品的供應，如匯川技術、英威騰、臥龍電氣、方正電機、江特電機等。

電機電控廠商面臨的挑戰

新能源汽車驅動電機面臨安全、高效、成本的挑戰，這些因素決定著新能源汽車的未來發展與競爭力。

新能源汽車驅動電機只是電機行業中的一小部分。雖然中國新能源車輛市場總體規模還不大，卻比傳統電機行業要求更高；尤其針對新能源汽車的驅動電機在重量、空間與輸出功率需求比來看，希望驅動電機在每0.6 kg的重量下，能輸出1 kW的能力，其性能需求遠遠超過傳統電機的要求。

驅動電機作為新能源汽車取代傳統汽車引擎的角色，又礙於車輛的空間及價格限制，為達到高效率、高舒適性、高可靠性、低噪音、高轉速、高功率密度、必須使用強制水冷結構等技術，但又須降低成本，因此要進入新能源汽車驅動電機的門坎要更高。

驅動電機主要瓶頸

1．電機功率密度、效率、壽命等綜合性能需待進一步提升。

2．產品一致性、可靠性與汽車業使用要求尚有差距；許多企業所生產的樣品質量不錯，但一進入量產就會出現質量不一，無法達到相同性能。而且產品通過符合車輛質量要求之 TS16949 質量體系標準認證的還更少。

3．成本過高問題。這主要是除了要求企業提高技術水準外，亦必須提升生產力。只有達到一定的產量下，電機的成本價格才能真正的下降。

而且新能源汽車電機、電控系統面臨的工況相對複雜：需要能夠頻繁起停、加減速，低速/爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，具有大變速範圍； 混合動力車還需要處理電機啟動、電機發電、制動能量回饋等特殊功能。

此外，電機的能耗直接決定了固定電池容量情況下的續航裡程。 因此， 電動汽車驅動系統在負載要求、技術性能和工作環境上有特殊要求： 其一，驅動電機要有更高的能量密度，實現輕量化、低成本， 適應有限的車內空間，同時要具有能量回饋能力，降低整車能耗；第二，驅動電機同時具備高速寬調速和低速大扭矩，以提供高啟動速度、爬坡性能和高速加速性能；第三，電控系統要有高控制精度、高動態響應速率，並同時提供高安全性和可靠性。

電機電控系統作為新能源汽車產業鏈的重要一環，其技術、製造水平直接影響整車的性能和成本。目前，國內在電機、電控領域的自主化程度仍遠落後於電池，部分電機電控核心組件如 IGBT 晶片等仍不具備完全自主生產能力，具備系統完整智慧財產權的整車企業和零部件企業仍是少數。

電機電控降成本關鍵：集成化、輕量化

新能源汽車電機驅動系統主要由驅動電機和電機控制器兩部分構成。從電機驅動系統的產業價值鏈來看，驅動電機和電機控制器所佔的成本之比大致相同。

驅動電機系統對於原材料的要求相對簡單，主要包括釹鐵硼等稀土永磁材料（永磁體）、鋼材（鐵芯疊片、驅動軸體）、銅（繞組）、鎂鋁合金（機殼）等基本金屬。因此，原材料成本和加工成本佔據電機成本中的絕大部分。因此，稀土材料、鋼材、銅鋁等有色金屬材料的價格將對電機成本產生最直接的影響。

國家十三五新能源汽車重點研發計劃明確提出，2020年，我國驅動電機峰值功率密度應達到4.0kW/kg，連續功率密度應達到2.2kW/kg，基於IGBT功率模塊的電控器功率密度達到17kW/L，基於第三代寬禁代半導體的Sic功率模塊的電控器功率密度達到36kW/L，較目前性能均實現倍增。

在新能源汽車補貼逐步退坡的政策驅動下，動力總成成本、重量下降的壓力將逐步向上傳導至電機、電控產品廠商。因此電機電控發展在很大程度上影響新能源汽車市場的走向。

電機電控降本方式

一是通過集成度高的電驅動總成來降低系統總重，從而提高公裡密度，降低成本；

二是通過採用部分組件非金屬化降低系統重量和成本，包括轉動樞軸、支撐組件等，採用耐磨非金屬材料進行替代，或通過結構設計對包括電機極槽比、齒槽比與裂比等進行多重優化，從而提高單臺電機材料用量。

三是核心零部件國產化。電機控制器作為整車驅動系統的最重要組成部分，主要由逆變器（主要是IGBT功率模塊）、逆變驅動器、電源模塊、中央控制模塊、軟啟動模塊、保護模塊、散熱系統信號檢測模塊等組件組成。其中，IGBT模塊作為核心高壓控制開關組件，其成本佔據電機控制器成本的40-50%；據行業統計，IGBT器件佔據新能源汽車整車成本的10%左右。因此，作為新能源汽車核心零部件，IGBT、DSP等核心元器件的成本直接決定了電機控制器等總成的成本下降空間。國產IGBT比進口器件的成本可下降15-20%，且仍擁有30%以上的毛利率，隨著IGBT價格的進一步下降，電機和控制器的成本也將隨之下降20%以上。

圖 Infineon IGBT 在電動汽車應用圖

目前IGBT晶片和模塊在國內尚未完全形成產業布局，高端市場佔有率仍與外資品牌存在較大差異。國內70%以上的IGBT器件市場，尤其是高端高功率半導體依然主要被英飛凌、三菱、仙童、東芝、富士、SEMIKRON、Sanken、IXYS、ST等美日歐企業佔據，比亞迪、中車時代電氣等企業通過自建或收購海外IGBT產能分享了剩餘的市場。

在新能源汽車補貼逐步退坡的政策驅動下，動力總成成本、重量下降的壓力將逐步向上傳導至電機、電控產品廠商， 具備技術、規模優勢的供應商將在成本下降的過程中佔據優勢。

所以優化電機結構、提高原材料利用率及提高元器件核心競爭力是新能源汽車電機電控系統的研發導向和降本良方。

小結：電機及電控作為新能源汽車用關鍵部件，國內廠商要做好技術創新、自主研發，發揮工匠精神，與國際先進技術接軌，做與眾不同的特色化產品，提高全球競爭力。

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