中国新能源汽车电机发展概况分析及市场展望.docx

  一、新能源汽车电机产业特点分析    驱动电机系统是新能源车核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。    电动汽车的电机有三种主要形式：异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。其中，异步电机主要应用在纯电动汽车，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。上述三种方案各有优缺点，因此批量生产的可靠性和成本，比方案本身更为重要。    与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，另外还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。    产业信息网发布的2015-2020年中国新能源汽车电机市场态势与投资前景报告显示，就全球范围来看，有刷直流电机、一般同步电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长，产品更新换代不断，迄今还在应用。日本的电机产业化水平较高。近年来美欧开发的电动汽车多采用交流感应电机，日本则多采用永磁电机。车用驱动电机行业在国内仍是电机中的小行业，制造门槛高，电机驱动系统还存在较多差距与不足，值得庆幸的是，国内政策扶持将加快产业步伐。    目前国内电机驱动系统企业主要有以下三类：具有传统整车及其零部件生产经验的企业，代表为万向集团、上汽集团、一汽集团、二汽集团、东风集团、深圳五洲龙、玉柴集团、中国南车等；具有其它领域电机生产经验的企业，代表为大洋电机、江特电机、中纺锐力等；专门针对电动车成立的电机企业，代表为北京精进电动、上海电驱动、上海大郡自动化等。    随着未来汽车驱动电机系统蛋糕逐步增大，三类企业有望各自发挥长处，合作共赢。从新能源整车应用程度看，为电动客车配套的电机企业将最早受益，如万向、南车和五洲龙等，该领域的先行者市场地位已较为稳固。长远来看，最大的蛋糕依然是私人用车配套，但其产业化有待政策更大力度补贴支持的推行。    二、新能源汽车电机成长迅速    目前市场上的电动汽车主要配备的是交流感应电机和永磁电机，前者欧美使用较多，特点是成本低，但转速区间小，效率低；后者受日系车青睐，转速区间和效率都有所提升，但是需要使用昂贵的稀土永磁材料钕铁硼，日本资源匮乏，面对日益升高的稀土价格，日本正在潜力开发开关磁阻电机，这种电机在性能上不输给永磁电机，重要的是摆脱了对稀土的依赖。    目前我国电动轿车多采用永磁同步电机，如：东风、奇瑞、长安、一汽和上汽等汽车公司生产的混合动力轿车，而大巴车多采用交流电机。直流电机在现代高性能车上的应用正在减少，但仍有一些汽车在应用，如山东陆骏电动汽车有限公司生产的陆骏电动汽车。也有部分企业曾采用开关磁阻电机作为驱动电机，如东风汽车股份有限公司研制的混合动力城市公交车采用风冷式开关磁阻电机。由于中国稀土储量极大丰富，而且电机工艺已经接近世界先进水平，因此预计永磁电机将在较长时间内占据新能源汽车的电机市场。    “十二五”期间，零部件企业对新能源汽车零部件进行战略投资，把节能汽车零部件作为重点投资对象。随着新能源汽车扶持政策的落实，汽车电机产业将迎来黄金发展时期。    坚持新能源汽车产业作为国家战略性新兴产业的引领地位，重点研发新能源汽车关键零部件技术，成为“十二五”期间我国零部件行业的主要任务。在汽车电机电器、汽车转向、汽车电子、车用发动机四个行业的“十二五”规划中，调整产品结构、发展节能汽车零部件及技术、新能源汽车关键零部件等都被重点提及。    中国汽车在未来全球汽车工业版图中位置的节能与新能源汽车产业规划（2011-2020）（下称规划），在数度被推迟后，在2011年3月份正式向社会公布。规划征求意见稿明确要修订汽车产业发展政策（2006年版），规定“新建车用动力电池、驱动电机、整车控制系统及电池电机的基础材料等关键零部件合资企业需具有自主研发能力和知识产权，中方股比不得低于51%”。    随着新能源汽车的发展，新能源汽车关键零部件产业将迎来高速发展期。电机是新能源汽车的关键零部件，也是目前制约电动汽车发展的瓶颈之一。随着电动汽车的发展，汽车动力面临电控化和电气化两大技术变革。    三、新能源车电机驱动系统规模初探    作为电机行业的细分领域，电动汽车驱动电机是一个小行业。主要是由于市场处于起步阶段，这一行业总体上规模不大，但门槛不低，驱动电机作为电动汽车的能量转化工具，必须具有高效率、高适应性。由于受到空间和整车售价的限制，电机的高密度、小型化、轻量化、低噪声和低成本也显得至关重要。电动汽车驱动电机输出1kw只需0.6kg重量，这是一般电机不可想象的。这就要求企业采用强制水冷结构、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速以及超短端部长度绕组等技术，使电机小型轻量化。此外，由于车辆振动及发动机的高温环境，车用电机处于振动大、冲击大、灰尘多、温湿度变化大的恶劣条件下运行，车用电机必须适应环境，使车辆稳定、安全运行。    我国电动汽车驱动电机多数企业规模小、实力还较弱。驱动电机是新兴的电传动行业的一个分支，新兴的高新技术企业是这一行业的主力军之一，它们一般依托于高校或者科研院所，具有较强的技术水平，但由于成立不久，这些企业大多实力较弱，融资渠道单一，生产能力不强。    新能源汽车及其关键零部件产业在国家相关政策扶持下快速成长，将带动相关投资机会：1）混合动力车产业链：除了行驶系统、动力系统、车身系统将传统汽车产业链进行延伸以外增加了电池、电机、电控系统等组件组成的新能源动力系统；2）纯电动汽车业产业链：与混合动力相似，但去掉了传统的发动机、油箱等组件，汽车的行驶能量完全由电池组储能提供，因此对电池储能规模、电机功率大小的要求比混合动力汽车更大，但其结构上更为简单。电机驱动系统是最可能进入整车企业内部体系的部件。目前大客车电机驱动系统均价在20万元以上，国内新能源客车中电机驱动系统占整车售价比例超过1/51/6，轿车电机驱动系统均价约3万5万不等，我们按照产业规划中的新能源汽车规模目标测算，电机驱动系统将在35年内形成200亿300亿产值的产业规模。    四、电动汽车电机产业将迎来黄金期    数字化是电机驱动技术发展的必然趋势；永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，采用矢量控制的驱动控制系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围；而集成化则有两个方面：一是电机与发动机总成、电机与变速箱总成的集成，另一个则是驱动器中电力电子总成的集成，它包括开关器件、电路、控制、传感器、电源等的集成。    电机是制约电动汽车发展的关键瓶颈，随着电动车的发展，汽车动力面临电控化和电气化两大技术变革，电机产业即将迎来快速发展期。    自“十五”以来，车用电机的发展快速从技术研究向产品开发方向发展，国内从事汽车电机生产的企业主要包括：苏州星恒电源公司、上海安乃达驱动技术有限公司、北京中纺锐力公司、时代集团、上海电驱动有限公司以及大洋电机、宁波韵升、长城电工、卧龙电气和万向钱潮等上市公司。    电动汽车电机的三种主要形式异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。国外电动客车用电机驱动系统目前以异步驱动为主；永磁同步驱动则是未来的发展方向，在控制方式上可实现数字化，在结构上可实现电机与齿轮箱的一体化。    随着混合动力汽车的发展，电机系统的水平也在不断强化。精进电动首席执行官余平介绍，丰田普锐斯的驱动电机功率从19972000年第一代的3033千瓦，到2004年第二代的50千瓦，现在已发展到2009年第三代的60千瓦。而另一款丰田混合动力车雷克萨斯的驱动电机功率，也从2005年时的123千瓦发展到2007年的165千瓦。    据悉，与国外同类ISG电机相比，我国小批量装车的ISG电机高效区明显拓宽，效率大于或等于80%的高效区占到了80%以上，超过了50%的预期指标。在车用驱动电机系统的系列化产品中，燃料电池汽车、纯电动汽车驱动电机系统的功率范围已经涵盖30180千瓦，功率等级可细分为：30千瓦、50千瓦、65千瓦、90千瓦、120千瓦、180千瓦；不同混合度混合动力汽车用ISG电机的功率范围已涵盖990千瓦，功率等级可细分为：9千瓦、15千瓦、20千瓦、30千瓦、60千瓦、90千瓦。    五、三类力量逐鹿国内电机产业    三类企业逐鹿车用电机驱动系统：目前国内电机驱动系统企业主要有以下三类：1）具有传统整车及其零部件生产经验的企业如万向集团、上汽集团、一汽集团、二汽集团、东风集团、深圳五洲龙、玉柴集团、中国南车等；2）具有其它领域电机生产经验的企业如大洋电机、江特电机、中纺锐力等；3）专门针对电动车成立的电机企业如北京精进电动、上海电驱动、上海大郡自动化等。我们判断，随着未来汽车驱动电机系统蛋糕逐步增大，三类企业有望发挥各自所长，合作共赢。从新能源整车应用程度看，为电动客车配套的电机企业最早受益，如万向、南车、五洲龙等，该领域的先行者市场地位已经较为稳固。长远看，最大的蛋糕依然是配套私人用车，但其产业化有待政策更大力度的补贴支持。    六、新能源汽车电机技术分析    1、中国已拥有自主产权电动汽车电机研发平台    电动汽车是眼下国际汽车业竞争的热点所在。在科技部、北京市等支持下，经过十多年努力，中国科学院的科学家已经成功建立起电动汽车电机驱动系统的研发平台，部分新型电机成功应用于我国主要汽车生产厂商研制的电动汽车上。    如，在北京市121路电动公交车队总站见到，一辆辆宽敞明亮的公交车安静地停靠在车站里，如果不是车身上“电动汽车”等字样提示，谁也不会想到这些公交车是电动车。作为“科技奥运”北京电动公交车示范运营项目，121路公交车队已有4辆交流电机驱动电动公交车，运营里程最长的车辆已经达到16000多公里。    “下一阶段，还将有10多辆电动车参加示范运行。”中国科学院电工研究所电动汽车项目负责人温旭辉研究员说。    电动汽车是汽车工业发展的重大新技术，国际上各大汽车集团都在致力于发展这项综合技术并实现产业化。和燃料电池一样，作为电动汽车最关键的部件之一，我国有关部门近年来组织力量对电机驱动系统进行研究和攻关。    作为这支攻关队伍中的一支重要力量，中国科学院电工研究所电动汽车技术研究发展中心的研究人员在吸收国内外已有先进技术的基础上，结合我国国情，建立了交流异步永磁同步电机驱动控制技术平台。    为促进我国电动汽车电机驱动技术的发展，科学家还牵头编写了我国电动汽车驱动电机系统的两项国标，为推进我国电动汽车产业的发展起到重要作用。    专家指出，虽然是一个具有战略意义的产业发展方向，但当前电动汽车在我国性价比还无法与传统燃油汽车相比，急需政府给予税收等政策支持。    “我们的技术目前主要应用在大车示范运营上，而小轿车的应用更见真功夫。”温旭辉说，电机系统的研究目前正处于工程化和产业化的关键时期，研究发展中心将进一步加快与生产型企业的结合，进一步深化电动汽车电气驱动系统的产业化开发，加速电动汽车电机驱动产品的市场化。    有关专家指出，我国虽然研制出一系列具有自主知识产权的电机驱动系统，但仍然应该在技术深度、产品可靠性和耐久性方面开展深度研究和开发，建议有关部门和单位加大支持力度。    2、汽车电机生产线优化控制系统研究与实现    为适应汽车电机多品种、变批量的生产需求，实现生产线的可重组生产，提出了一种基于组态原理的汽车电机可重组生产线控制系统。该系统利用组态原理进行系统设计规划，以配置研究设计的组态控制软件为核心并结合车间作业任务调度模块。系统充分利用了生产线的可重组组元，并依据生产现场快速转产的生产需要，可方便、灵活地组成针对某一种特定型号电机的生产控制方式，并进行过程监控。    制造业的竞争和用户需求的快速变化使得汽车及其零部件行业的生产模式由多品种、小批量逐渐演变为多品种、变批量的生产模式。这种生产方式对制造系统及生产线提出了新的要求：可重组性。可重组性意味着制造系统的组元（结构化的元件、主轴、控制器、软件、夹具及刀具等）可升级，组态（物理构形）可调整，可快速形成新的生产能力和生产功能。    汽车电机生产线的控制系统是整个生产线正常运行的基础，承担的主要任务有：生产线设备加工任务的分配、加工设备的控制、现场数据的采集、加工参数的调整、生产线的监控等。从目前引进、研制并应用的汽车电机生产线控制系统看，多数采用集中式控制的自动化生产线方式。某企业引进价值 100万美元的电机转子生产流水线，自动化程度高，生产节拍短，但是由于生产线刚性很大，调整困难而只能适应单品种、大批量的生产；另一类生产线的多数工序采用人工操作，导致生产效率不高，产品质量难以保证。上述方式都不能很好地适应汽车零配件市场激烈地竞争。    针对汽车电机生产线的现状，本文提出并研究设计基于组态原理的汽车电机可重组生产线过程监控及优化控制系统。该系统基于组态原理进行系统设计规划，以配置研究设计的组态控制软件为核心，结合开发的车间作业任务调度模块。它可以依据生产现场快速转产的生产需要，由技术人员方便、灵活地重组成针对某一种特定电机的生产控制方式，并减少系统因重组造成的斜升时间，以满足生产线多品种、变批量的生产要求。    七、电动汽车用驱动电机差距与不足    国家 863 电动汽车重大专项的实施以来，经过多年的发展，电动汽车用电机系统研究进步较大，我国电机驱动系统基本功能和性能方面已接近国际先进水平，但产品对汽车用环境的适应性不足，产业化之路还存在较多瓶颈。    目前我国车用驱动电机系统尚需提高的地方： 产品一致性、可靠性与汽车业使用要求尚有差距 国内电机驱动系统的可靠性及耐久性尚未得到充分验证，和汽车行业的严格要求还有一定差距。由于我国新能源汽车在示范运行阶段，产量不大，因此造成在制造工艺方面也有很大差距。手工绕线圈、手工装配等传统落后工艺比之国外自动生产线大批量生产，其产品生产一致性差，而导致可靠性差。 动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够 以电机控制器为例，我国驱动电机的集成度水平尚处于丰田第一代和第二代之间（大约在 2000 年左右）。与当今的丰田第三代相比较，主要存在以下差距：    1）机电一体化集成度不够。丰田已经把电机与变速器有机地集成在一起，从而可以通过调整速比进一步优化电机的输出功率和尺寸。我国则受制于变速器的工业设计、 制造能力， 从而造成这方面进展比较缓慢。 尤其没有合适的速比可达 101 的电机减速器。    2）丰田利用其整车制造能力，改进传统电机和电力电子产品的制造能力。如丰田的第三代系统在控制器的散热方面利用了很多汽车散热器技术，开发出了一套高性能的散热系统，从而提高了集成度。    3）丰田通过采用不同的电力电子技术来改变传统电机控制系统的构造，使得系统的效率进一步提高。如在丰田第二代的 THS 双电机系统中，引进了一个大功率的 DC/DC 转换器，使电机的母线电压和蓄电池的母线电压可以分开。这样一方面把电机的母线电压从 300V 逐步提升到了 500V，甚至到 650V，从而大大提升了电机系统的输出功率；另一方面解决了提升蓄电池的电压，势必增加单体电池串联的个数，从而有可能降低了蓄电池系统可靠性的问题。 丰田之所以能够在比较短的时间内连续推出三代产品，就是因为有了一定规模的销售，使其能够很快积累了实际应用中出现的问题，并加以改进。 尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系 虽然具备了小批量供货的能力,但产品通过 TS16949 质量体系标准认证的还极少。 我国的电机性能和试验标准大大落后于国外标准。同时试验设备缺少也是造成我国电机产品质量与国外有很大差距的原因。    八、电动汽车用驱动电机发展趋势    （1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大    电机作为混合动力系统中一个重要的动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满足不同工况不同车型的需求；另一方面，这种新型机电一体的传动系统尺寸收到车内空间的限制。这就需要混合动力车用电机向高性能和小尺寸发展。不断提高电机本身的功率密度，用相对小巧的电机发挥出大的功率成为各汽车及电机厂商的发展方向。    （2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽    回馈制动是混合动力机电一体化技术的一个基本特点。伴随着对混合度要求的提升，相应回馈制动范围的需求也会越来越大。采用回馈高效的电机，适当的变速系统和控制策略，可以使回馈制动的允许范围适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程，这是混合动力汽车向真正实用性必须迈出的一步。    （3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显    车用电机及其控制系统的集成化主要体现在电机与发动机、电机与变速箱、电机与底盘系统的集成度不断提高。对于混合发动机与ISG集成，其发展从结构集成到控制集成和系统集成，电机与变速箱的一体化愈加明显，汽车动力的电气化成分越来越高，不同耦合深度的机电耦合动力总成系统使得电机与变速箱两者之间的联系变得越来越紧密。在高性能电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来越深。    （4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加    虽然目前市场上分布了轻混、中混、强混等各种混合程度的混合动力车型，但从各种混合度车型的节能减排效果来看，混合程度越高，汽车的节能能力越强。电功率占整车功率的比例正在混合动力汽车领域逐渐提高，电机已不再单单作为发动机的附属设备。各车厂正在逐渐将小排量发动机和大功率电机运用在汽车驱动上。    （5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大    车用电控制系统集成化程度也不断加大，将电机控制器、低压DC-DC变换器，以及发动机控制器、变速箱控制器、整车控制器等进行不同方式的集成正在成为发展趋势。    同时，高速高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代。在高性能高速的数字控制芯片的基础上，高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现。同时，面向用户的可视化编程，通过代码转化和下载直接进入微处理，不断地提高编程效率和可调试性。