新能源汽车行业之电机电控研究

电车资源讯：

电机电控受下游推动高弹性成长,行业整合拉开帷幕。

根据测算,2017-2020年国内新能源汽车年产销增长150-200 万辆时,新能源汽车电机、电控及动力总成的市场规模将从240亿元上升至480亿元,是新能源汽车零部件中弹性较大的细分市场。目前电机电控市场处于快速成长阶段,行业尚未定型,第三方动力总成企业市占率均在10%以下,且电机电控产品对上游产能依赖性较低,技术差异化显著,具有产品和客户竞争力的企业有能力迅速脱颖而出。

总成集成化和核心零部件进口替代是动力系统成本下降的必要途径。

在新能源汽车补贴逐年退坡的情况下,在电池成本得到压缩之后,电机电控系统将同样受到来自下游的成本压力倒逼。除电机、电控自身降本降重外,具备电机电控甚至电池电机电控动力总车集成能力的企业将获得显著的成本竞争力。此外,IGBT等核心零部件在电机电控中的成本占比超过40%,核心器件国产化正在快速推进,将为电机电控产业带来超过20%的成本下降空间。

乘用车、专用车带动新能源汽车恢复增长,永磁电机受益显著。

2017年新能源汽车补贴调整政策最终落地,中央补贴下调约20%,地方补贴不高于中央补贴的50%,整体判断乘用车、专用车影响小于客车。政策驱动下,市场和行业的热点将迅速发生切换,乘用车、专用车供应链企业将迅速受益。2016年第4、5批新能源汽车补贴目录集中释放了424款电动专用车车型,2017年专用车将成为拉动新能源汽车市场整体上升的主要力量,适用乘用车、专用车的小体积、高功率的永磁电机市场需求将得到放大。

(一)电机电控是决定新能源汽车性能的关键部件

新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品,其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电”——电池、电机、电控。其中,电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

同时,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。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善,电机电控系统的国产化率逐步提高,电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。

此外,随着整车车体结构轻量化的推进,电池、电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。根据Argonne国家实验室统计数据,新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的15.67%(轿车)和 13.69%(小型货车),总成占比仅次于电池和BMS系统。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。因此,电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源汽车市场的走向。

▲图1纯电动轿车成本拆分

▲图2纯电动小型货车成本拆分

(二)永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的应用非常广泛,功率覆盖范围宽,种类也很多。但由于新能源汽车在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求,因此,相比工业电机,新能源汽车驱动电机必须具备更优良的性能,如:小体积以适应车辆有限的内部空间,工作温度范围宽(-40~1050C),适应不稳定的工作环境,高可靠性以保证车辆和乘员的安全,高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等,因此驱动电机的种类相对较少,功率覆盖也相对较窄,产品相对集中。

目前,应用于新能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类,其中在目前乘用车、商用车领域应用较为广泛的电机包括直流(无刷)电机、交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。其他特殊类型的驱动电机包括轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器(Dmp-EVT),目前市场化应用较少,是否能够大规模推广需要更长时间的车型验证。

交流异步电机的优点在于结构简单,定子转子无直接接触,运行可靠性强,转速高,维护成本低。不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需要额外冷却系统;功率因数低,需要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。目前,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

永磁同步电机主要应用于体积小,且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域,部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。

开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高,但电机噪声高,但转矩脉动严重,非线性严重,在电动汽车驱动中有利有弊,目前电动汽车应用较少。直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统,目前新研制的车型已经基本不再采用。

▲图3不同类型电机的性能对比

(三)电控系统集成化是未来发展趋势

电机控制器在传统汽车的车载电机中已有应用,通过功率半导体、微处理器等电力电子器件,采用中低压变频等方式实现对车用空调压缩机、转向助力泵电机等进行调控的功能。电动汽车电机控制器作为控制电动汽车驱动电机的设备,通过接收整车控制器和控制机构 (制动踏板、油门踏板、换挡机构)传送的控制信息,对驱动电机转速、转矩和转向进行控制,并可同时对动力电池的输出进行相应控制。

目前,部分“多合一”的电控产品已经在电动汽车中投入应用,同时集成了传统汽车分立的空调压缩机、转向助力泵电机、气泵电机控制器,以及混合动力车型中采用的 BSG/ISG 电机等。随着微芯片在整车及总成控制中的应用逐步广泛,多合一电控产品的成本有望进一步下降,单一控制器将逐步被集成化“车辆中央控制器”所取代。

电控系统的设计和标定与电机系统相关程度较高,根据匹配电机的不同,电控系统需要开发不同技术平台。早期的直流电机一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制的方式进行控制,控制手段相对单一,应用也有局限性。随着感应电机和永磁电机的大量使用,电控系统的复杂程度迅速上升,矢量控制技术和直接转矩控制技术成为电控产品的技术主流,电动乘用车的普及对于电机和电控系统的集成程度要求也越来越高。可以预见的是,未来电机与电控企业的业务交叉程度将逐步提高,可提供电机电控一体化动力总成产品的企业将有助于整车企业进一步降低车重和成本,将具有更大的竞争力。

(一)骗补清查+政策护航,产业迎来稳定发展阶段

1、宏观性政策正向推动新能源汽车健康发展

2016 年国内新能源汽车行业在监管层面受到较大冲击,销量较2015年全年351%的高增速出现了显著回落。根据中汽协统计数据,2016年1-11月新能源汽车产销分别为42.7万辆和40.2万辆,同比增长59%和60.4%。其中纯电动汽车产销34万辆和31.6万辆,同比增长75.6%和77.8%;插电式混合动力汽车产销8.7万辆和8.6万辆,同比增长16.2%和18%。

2016 年上半年以来进行的骗补清查工作标志着行业发展有序化的开始,15年出现的新能源汽车井喷式发展将不再出现,15年底出现的非正常抢装现象也将得到遏制。根据中汽中心数据,2016年我国新能源汽车销量累计达到51.7万辆,实现平稳增长。2016年11月29日国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出,2020年实现当年产销200万辆以上,累计产销超过500万辆。由此测算,十三五期间我国新能源车年均增速可稳定达到 50%以上。

此外,16年全年新能源汽车政策的深度调整对于行业也起到了规范和稳定的作用。2016年,发改委、工信部等部门先后发布《新能源汽车碳配额管理办法》和《企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理暂行办法》的征求意见稿。

其中,碳配额制针对所有新能源汽车,汽车企业通过生产新能源汽车满足规定的碳减排指标,同时也可在碳交易市场对碳配额进行交易。通过借鉴美国加州ZEV政策,对新能源汽车产能进行市场化调节,同时将新能源汽车发展由补贴制转为奖惩制,促进整个汽车行业转型升级。燃料消耗和新能源积分制主要针对乘用车企业,通过参考美国CAFÉ 制度建立双积分制度,燃料消耗量和新能源汽车负积分必须用新能源汽车正积分进行冲抵平衡,且新能源汽车正积分可交易不可转结,燃料消耗量正积分可交易或结转;2018-2020年的新能源车积分比例分别为 8%、10%、12%。

在此积分制度下,以年产 300 万辆燃油车的企业为例,2020年新能源车积分需要达到36万分,以2020年主流纯电动乘用车续航里程25-350km获得4积分估算,对应年产新能源乘用车需要达到9万辆以上,如考虑插电混动汽车,产量甚至需要接近12万辆,将有效促进传统燃油汽车企业转型生产新能源汽车。工信部预测,在双积分平衡制度下,2016-2020年全行业累计生产新能源乘用车可达到约558万辆,2020年当年可生产新能源乘用车约200 万辆。

2、补贴政策终落地,行业修复接近尾声

2016年12月的最后两天,市场期待了近一年的新能源汽车补贴政策调整方案终于靴子落地,国家财政部发布《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,中央财政补贴的标准在2016年的基础上退坡20%,加上地方补贴不高于中央补贴的50%的附加条款,总体下调幅度将达到30%以上。

尽管本次补贴下调的技术条件更针对电池系统,但整车企业补贴的下滑,上游电机、电控市场的利润空间在电池之后也势必将遇到下行压力。尽管对于电机、电控行业而言,目前竞争程度较电池等行业为轻,成本具备较大的下降空间,但电机、电控生产投资成本较低,原材料(钢材、铜材、稀土磁材等)占比较重,受到上游价格波动的影响更为明显。因此具备足够技术和集成实力的企业,才能依靠技术优势快速降低单位功率的驱动成本,才能在即将到来的新能源车行业快速增长中获得最大的红利。

(二)物流车、乘用车恢复性增长拉动行业走出低谷

随着12月2日第4批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》公布,电动载货汽车、自卸式垃圾车、厢式运输车、邮政车等专用车型共244款进入目录,标志着市场一直担忧的专用车补贴确定性问题得到了初步解决。尽管补贴政策尚未正式公布,但随着骗补罚单正式落地,政策落地的预期逐步增强

▲图4 2015-2016年纯电动专用车产量及同比增速

根据国家统计局数据,截至2015年我国中型、轻型、微型货车的保有量分别达到196.40万、1300.02万和 12.23万辆,以专用汽车占比30%估算(发达国家一般为 50%左右),专用车保有量约为450万辆左右。根据中国汽车研究中心统计数据,2016年1-10月,我国物流运输类、工程建设类和作业服务类汽车销量分别达到 56.6万辆、3.7万辆和10.6万辆,同比分别为15.8%、-13.0%和13.6%,而截至2016年11月,我国累计生产的纯电动专用车仅约为8万辆,仅占专用车保有量的1.78%。考虑电商、居民消费对于中短途物流的需求具有强拉动作用,厢式、自卸式专用车在未来3年间将迎来大规模增长。且中短途物流车、环卫车具有日行驶里程适中(300-500km/天),行驶路线较为固定的优势,具备电动化的条件,因此专用车有望在2017年将迎来增量和存量替换的双重电动化浪潮。

新能源乘用车方面,2016年受到骗补清查的影响相对较小,全年各月单月销量仍能保持同比增长。2016年1-11月,国内共生产新能源乘用车21.13万辆,同比增长73.6%,而同期国内新能源客车仅生产8.02万辆,同比增长32.5%。受到国内主要城市限购、乘用车企业双积分制正式实施等政策性因素的影响,预计2017年新能源乘用车仍将保持50%以上的增速增长,全年产销量有望突破35万辆。

▲图5 2015-2016年纯电动乘用车产量及同比增速

(一)行业尚未定型,中小企业大有可为

作为新能源汽车“三大电”之二,相比动力电池行业的快速发展以及高关注度,国内电机电控行业则相对“低调”。电机电控行业受市场关注度低于电池主要是两方面原因:

其一,新能源汽车电机电控产业基本与国内电动汽车市场同步启动,整车企业对于电动汽车的研发、采购、生产和销售等流程都处于探索和完善阶段,对于电机电控配套行业的标准和体系也尚未成型;

其二,锂电池在3C等领域应用有近20年历史,行业形成了相对完整的技术标准和产品体系,转用为动力电池有一定的参考和借鉴,而新能源汽车电机与工业电机技术路线和要求差别较大,专业企业中很大一部分仍为10 年以内的创业型企业,行业尚未形成清晰稳定的市场格局。

目前,新能源汽车驱动电机的厂商主要包括两类:

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。

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)等国际汽车供应量巨头;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。

目前国内电动汽车大部分仍由北汽、比亚迪等传统汽车企业生产,因此整车企业自供电机电控组件占比相对较大。随着新能源汽车专业制造企业尤其是轻资产型互联网汽车企业的迅速崛起,新能源汽车产业链分工细化成为必然趋势,第三方供应商提供电机电控甚至动力总成的比重将逐步上升。

(二)进口替代任重道远,产业链细化势在必行

2016 年10 月26 日中国汽车工程学会年会上发布的《节能与新能源汽车技术技术路线图》,在纯电动与插电式混合动力汽车技术路线中,提出2020年纯电动乘用车续航里程要达到300km,电动客车单位载重电耗水平要降至3.5kWh/100km*t,同时提出8 项发展重点,其中4项与电机电控直接相关:动力电机与底盘集成技术、纯电动汽车动力系统集成及控制技术、高性能动力电机技术、新型电机控制器技术。

▲图6 新能源汽车续驶里程(左轴)与电耗水平(右轴)发展目标

相比动力电池在国内已经初步建立起研发技术体系,高性能电驱动系统的研发在国内仍处于起步阶段,大部分具备创新结构的高性能电机仍处于样件开发甚至设计阶段。电驱动系统产业链的快速发展,使得各个企业均有机会在产品和技术上脱颖而出,快速抢占下游电动汽车市场。

1、原材料成本占比高,集成化轻量化是电机降本必经之路

与动力电池系统不同的,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。根据ANL统计数据,在永磁同步电机中,永磁体组件的成本占整个电机物料成本的45%左右;在感应电机中,铁芯叠片的成本占电机物料成本的58%左右。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。

根据华域电动等企业数据,稀土磁钢的重量仅占据整机重量的2.5-4.5%,但成本已经占了整个车用驱动电机成本的20-30%,稀土价格上涨时甚至可以达到50-60%。因此,原材料成本的波动对于电机生产成本具有直接的影响。2015年取消稀土出口配额制以来,我国年稀土氧化物的开采量指标维持在8-10万吨左右,考虑到非法稀土开采和分离量,全年国内稀土的供给量约在16万吨左右。在下游需求保持稳定的情况下,稀土永磁材料的价格总体整体呈现稳中下降的趋势,但稀土价格已经基本位于底部,未来继续大幅下降的空间不大。16年12月,钕金属的价格已达到为32.15 万元/吨,相对去年上涨了10%,最高涨幅已接近20%。

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。在此目标下,实现电机电控成本的下降一般通过两种方式实现:

1)通过推出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,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、混合动力总成模块等,此种方式一般为欧美等企业采用;

2)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,此种方式多为日韩等电机企业采用。

2、核心零部件国产化将大幅降低电控系统成本

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。

与变频器国产化已经初步完成、国内品牌市场占有率反超国外品牌的情况不同的是,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。

随着电动汽车电驱动系统向高调速范围、高功率密度(包括高速和高转矩密度)、轻量化、高效率、能量回馈、高可靠性和安全性及低成本等方向逐步演进,电机、电控、BMS等总成对于高功率半导体开关器件的应用将越来越广泛。此外,高铁调速系统、柔性直流输电、风电/光伏逆变器、充电桩直流模块等领域都将对IGBT及其模块化产品有大规模的需求,预计十三五期间仅新能源车及充电桩市场即可带动每年IGBT需求达200亿元左右。

在下游市场的刺激下,国内IGBT产业已经出现加速扩张态势,华润上华、中芯国际、宏力半导体、华虹NEC等企业纷纷加速产能建设,高压和超高压、中大功率IGBT期间有望在市场规模扩大的同时实现价格持续下降。根据行业统计,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。

(三)电机电控企业发力在即,百亿蓝海市场尚待开发

2016年12月,国务院批复与公布了《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。考虑到产业实际与完成情况,我们预测2017年新能源汽车总销量可达到65.8万辆,其中客车、乘用车、专用车分别达到13万、40.8万、12万辆,其中乘用车和专用车提供了主要增量部分。由此测算,2017至2020年,新能源汽车电机、电控市场规模将从240亿元上升至480亿元,年均增长率约为26%。

▲图9 2016-2020年我国新能源汽车产销量预测(单位:万辆)

▲图10 十三五期间电机电控市场规模测算

电机、电控行业目前仍处于产品技术快速更新换代的阶段,技术投入占比较高,资产规模一般不重,市场竞争也较电池行业为轻。考虑目前新能源汽车电驱动系统的企业大多由传统工业电机、变频控制等企业转型而来,产能的快速上量对于全行业而言并非难以实现的瓶颈,因此行业存在产品定型后竞争突然加剧的风险。目前电驱动行业企业数量众多,尚无任何企业能对市场实现控制或垄断,仅考虑第三方供应商市场,CR10甚至小于50%;此外,电机、电控企业处于新能源汽车产业链中游,在产能足够的情况下,企业将同时受到来自上游原材料及核心零部件企业,和下游整车企业的双向成本压力。

因此,在下游新能源汽车市场快速增长的过程中,同时具备技术和市场优势的供应商才能在逐步激烈化的电机、电控市场中扩大市场份额,这一方面要求企业在技术上需要具备电机、控制系统的技术、生产优势,和较强的动力总成系统集成能力,从而在设计和生产两方面降低产品成本,另一面要求企业在市场方面具备较强的客户粘性,与下游整车企业形成较为坚固的产业联盟或合作协议。