汽车电控课程(深度分析新能源汽车电机电控系统)
新能源汽车，在没有内燃机的前提下，其电机尤为重要，因为电机需要把电池产生的能量转为动能。就好比传统汽车的内燃机，其中的电控系统是重中之重。这次为大家一起分析电机的电控系统。
一、市场空间
新能源汽车电机、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，电机电控系统其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。电控和电机占比约为20%至30%，整车制造及其他零部件占到30%以上。通常一辆新能源汽车搭载电机与电控各一个，高达96%的纯电动汽车电机与电控配套供应，电机与电控的配套能够尽可能的实现零部件集成化，未来“三电”配套是行业共识。市场测算2020年我国电驱动系统310亿元需求规模，预计2020年新能源汽车产量达到200万辆水平，其中新能源乘用车占比达到73%、新能源专用车占比14%、新能源客车占比12%。
二、电机电控行业发展现状
1、电机行业分析
国内车用驱动电机多用永磁同步电机，原材料成本的占比较高，主要包括铁芯叠片、驱动轴体等钢材，钕铁硼等稀土永磁材料，镁铝合金以及铜材等基本金属。永磁电机核心的原材料就是钕铁硼磁材，钕铁硼磁性材料是钕、氧化铁等的合金，2015年全球钕铁硼永磁材料产量为14.3万吨，中国产量占比达到88.8%。
长期以来国外电机企业在高端电机领域处于主导地位，包括专业汽车零部件供应商，如采埃孚（ZF）、大陆（Continental）、博世（Bosch）国际汽车供应量巨头。台湾富田电机是特斯拉车用电机的独家供应商，并向宝马MiniE车型供应交流电机的定子与转子硅钢片。2013年，富田电机共向特斯拉供应驱动电机2.6万台，2015年产量突破5万台，2016年突破8万台，随着MODEL3的正式启动量产，电机独家供应商富田电机将深度受益。
2、电控行业分析
电动汽车电机控制器通过对转矩、转速和转向进行控制，一方面可以提高电动汽车的驱动控制水平，保证电动汽车的高效、稳定运行，增加电动汽车的行使里程。在新能源汽车领域，电机控制系统IGBT应用于逆变器中，占整个控制器成本的40-50%，是电控核心模块。
IGBT模块在新能源汽车驱动中作为大功率高频率开关使用，对各项性能指标要求极高，对可靠性要求更严格，其成本能占到新能源整车成本的10%。大陆现在的IGBT等功率元器件大部分依赖进口，90％主要依赖进口，进口替代空间巨大。日德企业称霸全球，日系方面，三菱及富士等日系企业实力强劲，德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一。
3、行业现状
2014至2016年间，我国新能源汽车电机装机数量从7.2万台增长至56.2万台，截止至2016年末，新能源轿车驱动电机供应商198家，较2015年增长52家，但大部分市场参与者规模偏小。电机电控厂商可分为整车厂、传统零部件企业和专业电机电控企业三种。目前主要电机电控厂商布局电机电控系统有三种方式：一是车企自建电机电控，其次是具有其它领域电机生产经验的企业，最后是专门针对电动车成立的电机企业。
三、电控行业发展现状与趋势
1、我国电机水平与国际仍有差距
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。从电机转速来看，国内驱动电机可以达到12000rpm，与国际14000-16000rpm仍有一定差距。在高性能创新结构电机的开发上，例如矩形道题、分段道题、定子铁芯嵌入和冷却技术等方面，我国相关企业还处于起步阶段。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。
国产IGBT已形成了IDM模式和集成器件制造代工模式的IGBT完整产业链，并逐步进入国内车企供应链。中车株洲时代与北汽新能源签署协议，上海先进与比亚迪、国家电网建立产业联盟，为比亚迪IGBT核心供应商，华润上华和华虹宏力IGBT芯片已进入量产。
2、受到上下游挤压的电机电控行业
虽然新能源汽车发展形势向好，单是2017年上半年，新能源汽车电机板块出现了营收和净利润下滑的趋势，即使部分电机企业的利润没有下滑，其增长速度也没有达到之前预期。目前，新能源电机电控行业陷入了上下游两端挤压的窘境。
首先是政策上的变动，国家在2016年底对新能源汽车行业的补贴政策进行了调整，今年一季度的商用车基本属于清零状态，因而电机企业的配套也大幅减少。其次是电机原材料价格大幅上涨10%-50%，对于电控，关键组件IGBT依赖进口，导致元器件成本较高；最后是供应厂商的激增，国外厂商在中国建厂，国内电机行业竞争将会更加激烈。
未来布局动力总成是降本提效的大趋势，相关厂商只有具备良好的成本管理控制能力，才能有较好的发展空间，没有实力的企业会被逐步淘汰。但在全球汽车电动化发展的浪潮下，电机电控企业对未来的发展仍然比较乐观，行业也将逐渐由当前散乱的状态逐渐集中。
以下内容将详细分析电机的电控系统：
一、电机电控的重要性
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。
电池、电机、电控在新能源汽车中的应用
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。
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。
新能源汽车驱动电机的分类
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。
(1)交流异步电机，也称为感应电机(InductionMotor)，在定子绕组中输入三相交流电，定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场，此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动。当转子带有机械负载时，转子电流增加，由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加。交流异步电机控制器采用脉宽调制(PWM)方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频器实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应，满足负载变化特性的要求。
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。
(2)永磁电机(PermanentMagneticMotor)包括永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类，其转子均由永磁材料制成，定子采用三相绕组，输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。永磁同步电机的优点在于其较大的转矩和驱动效率，具有高功率密度和宽调速范围，且没有励磁损耗和散热问题，电机结构简单，体积比同功率的异步电机小15%以上；其缺点在于高速运行时控制复杂，永磁体退磁问题目前难以解决，电机造价较高。目前，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。
(3)开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成，利用冲片上的齿槽构成双凸极结构，定子产生扭曲磁场，利用“磁阻最小原理”驱动转子运动。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。
(4)直流电机(DCMotor)通过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以产生磁场，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行。直流电机控制器一般采用晶闸管脉宽调制方式(PWM)，控制性能好，调速平滑度高，控制简单，技术成熟，且成本较低。直流电机的缺点是需要独立的电刷和换向器，导致速度提升受限；电刷易损耗，维护成本较高。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。
不同类型电机的性能对比
目前，新能源汽车所使用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其中，日韩车系目前多采用永磁电机，转速区间和效率相对都较高，但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；欧美车系则多采用交流感应电机，主要原因是对于稀土资源匮乏，以及降低电机成本考虑，其劣势则主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能。特斯拉公司在其本代车型ModelS和ModelX上均采用的是自行设计的交流感应电机。
国外新能源汽车适配电机类型
我国稀土资源丰富，因此电动乘用车多采用功率性能高、体积较小的永磁同步电机。根据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分别达到13.4万辆、12.6万辆，同比分别增长160.8%、161.6%。上半年生产纯电动乘用车约70000辆，其中永磁同步电机的装机占比约为65.7%，比15年同期增长21.25个百分点，比15年全年增长了19.99个百分点。
同期，国产新能源乘用车用交流异步电机的市场分额在逐渐减小，从2015年上半年的35.1%下滑至2016年上半年年的32.9%；而混合励磁同步电机的占比则从0.03%上升至1.10%，尽管绝对占比仍相对较小，但装机率有望保持小幅稳定的增长态势，未来有可能在纯电动乘用车领域率先获得突破性进展。
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。
电控系统在新能源汽车中处于核心地位
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。
国产替代势在必行，电机电控行业加速整合
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”。我们认为，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。
根据行业统计，2016年1-7月国内生产的超过18万辆纯电动汽车中，整车厂自行提供和第三方电机企业供应的电机装机占比分别为55.4%和44.6%，整车厂自行提供和第三方电控企业供应的电控装机占比分别为56.2%和43.8%，比例基本持平。
根据行业统计，2016年1-7月国内生产的超过18万辆纯电动汽车中，整车厂自行提供和第三方电机企业供应的电机装机占比分别为55.4%和44.6%，整车厂自行提供和第三方电控企业供应的电控装机占比分别为56.2%和43.8%，比例基本持平。
根据中机中心公布的新能源汽车装机数据统计，2016年1-7月，第三方电机企业达到92家，第三方电控企业达到98家，分别提供了44.6%和43.8%的装机量。第三方电机、电控企业，在第三方市场中的最高市占率仅分别为14.5%和18.4%，在整体电机、电控市场的市占率更是仅为6.48%和8.07%。整个电机、电控市场仍处于未定型的竞争格局，尚无任何企业对市场形成统治性优势，转型企业、新兴企业均有机会在市场中脱颖而出，迅速获得较大的市场份额。
综上所述，自主产权和资源控制尤为重要。
今天就简单的说到这里，我是六六科技人，让我们一起畅谈科技。
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