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[藍海黑石 · 深度] | 新能源汽車電機電控系統市場剖析

[藍海黑石 · 深度] | 新能源汽車電機電控系統市場剖析

新書搶先購|《電動汽車動力電池系統設計與製造技術》火熱預購中

目前,新能源電動汽車性能還有巨大的提升空間,但大家往往最關注電池,而作為新能源汽車「三大電」之二,相比動力電池行業的快速發展以及高關注度,國內電機電控行業則相對「低調」。作為決定電動汽車性能的關鍵部件,本文來聊聊電機電控現有狀況和市場發展前景。

電控系統集成化是未來發展趨勢

電動汽車電機控制器作為控制電動汽車驅動電機的設備,通過接收整車控制器和控制機構(制動踏板、油門踏板、換擋機構)傳送的控制信息,對驅動電機轉速、轉矩和轉向進行控制,並可同時對動力電池的輸出進行相應控制。

目前,部分「多合一」的電控產品已經在電動汽車中投入應用,同時集成了傳統汽車分立的空調壓縮機、轉向助力泵電機、氣泵電機控制器,以及混合動力車型中採用的BSG/ISG電機等。隨著微晶元在整車及總成控制中的應用逐步廣泛,多合一電控產品的成本有望進一步下降,單一控制器將逐步被集成化「車輛中央控制器」所取代。

電控系統在新能源汽車中處於核心地位

電控系統的設計和標定與電機系統相關程度較高,根據匹配電機的不同,電控系統需要開發不同技術平台。隨著感應電機和永磁電機的大量使用,電控系統的複雜程度迅速上升,矢量控制技術和直接轉矩控制技術成為電控產品的技術主流,電動乘用車的普及對於電機和電控系統的集成程度要求也越來越高。可以預見的是,未來電機與電控企業的業務交叉程度將逐步提高,可提供電機電控一體化動力總成產品的企業將有助於整車企業進一步降低車重和成本,將具有更大的競爭力。

不同類型電機採用的電控方式

國產替代勢在必行,電機電控行業加速整合

目前,新能源汽車驅動電機的廠商主要包括兩類:第一類是具備電機電控供應鏈的電動汽車整車企業;第二類是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。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、卧龍電氣、方正電機、江特電機等。

目前國內電動汽車大部分仍由北汽、比亞迪等傳統汽車企業生產,因此整車企業自供電機電控組件佔比相對較大。考慮到16年全年獲批的新建新能源汽車企業已經達到7家,且其中不乏長江汽車、敏安汽車、萬向集團等尚無整車生產經驗的企業,我們認為,隨著新能源汽車專業製造企業尤其是輕資產型互聯網汽車企業的迅速崛起,新能源汽車產業鏈分工細化成為必然趨勢,第三方供應商提供電機電控甚至動力總成的比重將逐步上升。

新能源汽車第三方電機裝機佔比(2016年1-7月)

新能源汽車第三方

電控

裝機佔比(2016年1-7月)

根據中機中心公布的新能源汽車裝機數據統計,2016年1-7月,第三方電機企業達到92家,第三方電控企業達到98家,分別提供了44.6%和43.8%的裝機量。第三方電機、電控企業,在第三方市場中的最高市佔率僅分別為14.5%和18.4%,在整體電機、電控市場的市佔率更是僅為6.48%和8.07%。整個電機、電控市場仍處於未定型的競爭格局,尚無任何企業對市場形成統治性優勢,轉型企業、新興企業均有機會在市場中脫穎而出,迅速獲得較大的市場份額。

進口替代任重道遠,產業鏈細化勢在必行

2016年10月26日汽車工程學會年會上發布的《節能與新能源汽車技術技術路線圖》,在純電動與插電式混合動力汽車技術路線中,提出2020年純電動乘用車續航里程要達到300km,電動客車單位載重電耗水平要降至3.5kWh/100km*t,同時提出8項發展重點,其中4項與電機電控直接相關:動力電機與底盤集成技術、純電動汽車動力系統集成及控制技術、高性能動力電機技術、新型電機控制器技術。

新能源汽車續駛里程(左軸)與電耗水平(右軸)發展目標

相比動力電池在國內已經初步建立起研發技術體系,高性能電驅動系統的研發在國內仍處於起步階段,大部分具備創新結構的高性能電機(如)仍處於樣件開發甚至設計階段。電驅動系統產業鏈的快速發展,使得各個企業均有機會在產品和技術上脫穎而出,快速搶佔下游電動汽車市場。

原材料成本佔比高,電機降本需集成化輕量化

與動力電池系統不同的,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。

永磁同步電機各組件成本佔比(%)

根據ANL統計數據,在永磁同步電機中,永磁體組件的成本占整個電機物料成本的45%左右;在感應電機中,鐵芯疊片的成本占電機物料成本的58%左右。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。

交流感應電機各組件成本佔比(%)

根據華域電動等企業數據,稀土磁鋼的重量僅佔據整機重量的2.5-4.5%,但成本已經佔了整個車用驅動電機成本的20-30%,稀土價格上漲時甚至可以達到50-60%。因此,原材料成本的波動對於電機生產成本具有直接的影響。

國家十三五新能源汽車重點研發計劃明確提出,2020年,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。在此目標下,實現電機電控成本的下降一般通過兩種方式實現:

方式一

通過推出集成度高的電驅動總成來降低系統總重,從而提高公里密度,降低成本,如大陸、麥格納等企業推出的,電力電子與驅動電機總成、驅動電機與減速器總成、混合動力總成模塊等,此種方式一般為歐美等企業採用;

方式二

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,從而提高單台電機材料用量,此種方式多為日韓等電機企業採用。

核心零部件國產化將大幅降低電控系統成本

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。

IGBT在電動汽車中的應用與變頻器國產化已經初步完成、國內品牌市場佔有率反超國外品牌的情況不同的是,目前IGBT晶元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。

電機控制成本拆分

隨著電動汽車電驅動系統向高調速範圍、高功率密度(包括高速和高轉矩密度)、輕量化、高效率、能量回饋、高可靠性和安全性及低成本等方向逐步演進,電機、電控、BMS等總成對於高功率半導體開關器件的應用將越來越廣泛。

2015年IGBT市場國內和國外品牌市佔率

此外,高鐵調速系統、柔性直流輸電、風電/光伏逆變器、充電樁直流模塊等領域都將對IGBT及其模塊化產品有大規模的需求,預計十三五期間僅新能源車及充電樁市場即可帶動每年IGBT需求達200億元左右。在下游市場的刺激下,國內IGBT產業已經出現加速擴張態勢,華潤上華、中芯國際、宏力半導體、華虹NEC等企業紛紛加速產能建設,高壓和超高壓、中大功率IGBT期間有望在市場規模擴大的同時實現價格持續下降。

2014年IGBT市場佔有率排名

根據行業統計,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。

電機電控企業發力在即,百億藍海市場尚待開發

2016年12月,國務院批複與公布了《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。考慮到產業實際與完成情況,我們預測2017年新能源汽車總銷量可達到65.8萬輛,其中客車、乘用車、專用車分別達到13萬、40.8萬、12萬輛,其中乘用車和專用車提供了主要增量部分。由此測算,2017至2020年,新能源汽車電機、電控市場規模將從240億元上升至480億元,年均增長率約為26%。

2016-2020年新能源汽車產銷量預測(單位:萬輛)

十三五期間電機電控市場規模測算

電機、電控行業目前仍處於產品技術快速更新換代的階段,技術投入佔比較高,資產規模一般不重,市場競爭也較電池行業為輕。考慮目前新能源汽車電驅動系統的企業大多由傳統工業電機、變頻控制等企業轉型而來,產能的快速上量對於全行業而言並非難以實現的瓶頸,因此行業存在產品定型后競爭突然加劇的風險。目前電驅動行業企業數量眾多,尚無任何企業能對市場實現控制或壟斷,僅考慮第三方供應商市場,CR10甚至小於50%;此外,電機、電控企業處於新能源汽車產業鏈中游,在產能足夠的情況下,企業將同時受到來自上游原材料及核心零部件企業,和下游整車企業的雙向成本壓力。

因此,在下游新能源汽車市場快速增長的過程中,同時具備技術和市場優勢的供應商才能在逐步激烈化的電機、電控市場中擴大市場份額,這一方面要求企業在技術上需要具備電機、控制系統的技術、生產優勢,和較強的動力總成系統集成能力,從而在設計和生產兩方面降低產品成本,另一面要求企業在市場方面具備較強的客戶粘性,與下游整車企業形成較為堅固的產業聯盟或合作協議。

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