新动力轿车电驱动体系专题报告:技能迭代推进降本增效[未来智库]仅作为参阅!盈亏自负!!
时间: 2023-04-10 作者: 华体会体育比分纯电动:适当于传统车的发动机+变速箱。纯电动轿车的动力总成由电机、电控和减 速器构成,一般称为“电驱动”体系,是电动车的心脏,适当于传统燃油车中的发农机+变速箱,其作用都是把化学能改变成轿车动能,也是决议车辆动力、能耗等功能的中心部 件。电驱动体系比较于发动机+变速箱具有结构简略、体积小、可有载发动的优势。混合动力:动力总成方法多样,电机电控用量可观。混合动力车有内燃机和电机两种动力源,混动方法也与其电机在传动轴上不同方位和数量而异。以字母 P 代表电机方位, 混动计划有:P0、P1、P2、P2.5、P4。若依照内燃机和电机两种动力源的混合程度差异, 现在运用最广的是轻混和插电混动,其间轻混一般是指 48V 体系,仅运用一台 P0/1 电机, 此类计划是燃油车节能减排最为经济而有用的计划之一,现在首要在高端车型上运用,随 着全球首要轿车商场排放法规趋严,估计将成为燃油车高经济性的过渡计划;插电混动则 因车型混动构型而会挑选多种电机组合的方法,在 DHT 技能加持下,有望在销量上完成 迸发式添加。
新动力轿车职业继续快速添加,国内外销量快速前进。2017 年以来,国内和全球新 动力轿车销量继续添加,2021 年完成大迸发,国内/全球新动力轿车销量从 2020 年的 137/324 万辆上升至 351/650 万辆(+157%/+101%)。估计跟着国内新动力轿车相关激 励方针的不断推进以及新动力轿车新技能的开展,未来新动力车的浸透率将进一步前进, 2025 年国内/全球销量有望到达 1560/2410 万辆。
电驱动体系是只是次于电池的中心部件,整车价值量占比约 10%。电机、电控与电池 是新动力车中心“三电”部件,电机电控整车价值量占比约 10%,是仅次于电池中心部件。
高端车型双电机竞赛力显着,国产车型后发先至。高端车型双电机装备投进在曩昔 3 年显着添加,例如特斯拉Model 3 Y、BYD 汉 EV、问界 M5 M7 等,而 2019 年双电机方 案首要以特斯拉 Model3、捷豹 I-PACE、奔驰 EQC、奥迪 E-tron 等海外车企车型为主。比较于高端四驱燃油车,电动车动力总成体积小、结构简略,因而前后轴能够别离装载一 套动力总成。双电机计划能够防止大功率单电机和逆变器的问题,并可经过合理运用战略 前进动力体系的功率。华域轿车的测验结果表明,相同总输出功率下双电机计划比单电机 计划在城市/郊区路况下百公里电耗削减 1%/3%。
48V 轻混体系,主打“短平快”的低本钱过渡计划。48V 轻混体系的优势在于能够以较 低的本钱总投入,敏捷获得必定的节能作用。而下风在于节能潜力相对有限(节能规划 10%-15%),刚好卡位满意 2025 年全球油耗和碳排放规范要求,面向 2030 年后愈加严 苛的油耗法规或将无力应对,一同也会带来额定开发本钱。因而从方针、本钱和技能归纳 考量,48V 技能是重混和插电技能没有老练的过渡时期最佳计划,但其本钱有用性远低于 重混技能,在车企的重混、插电和纯电技能储备老练之后,PHEV、HEV 和 EV 动力体系 本钱继续下降,估计 48V 轻混体系将失掉其竞赛优势。
估计 2021-2025 年电驱动体系全球商场空间 CAGR 35%,对应 2025 年商场空间超 3000 亿元,多电机&轻混是预期差来历。电驱动是新动力车的纯增量商场,若考虑单车配 备一套电驱动体系,并假定 2025 年乘用车/商用车电源总成体系价格相较于当时别离下降 到 2000/3500 元/套,乘用车/商用车驱动总成体系价格别离下降到 8500/13000 元/套。2025 年全球电驱动商场空间估计将到达约 2800 亿元,上述测算未考虑双电机、48V 轻混场景, 若假定 2025 年双电驱车型占比为 54%,48V 轻混驱动体系(单价 1000 元/套)的浸透率 为 15%左右,则估计全球商场需求空间为 3200 亿左右。
新动力轿车电驱动职业界玩家很多,全体格式涣散。电驱动职业参与者首要分为三类, 别离是整车厂、传统轿车零部件供货商以及第三方供货商。整车厂一般具有全产业链出产及研制的实力,出产的电驱动产品首要用于本身品牌整 车,实力较强,市占率高,如比亚迪特斯拉等;传统供货商多为海外轿车零部件巨子,如博格华纳、法雷奥西门子等;第三方供货商是主营 EV 电驱动或其他技能同源切入 EV 电驱动赛道的供货商,如上 海电驱动、英搏尔巨一科技汇川技能卧龙电驱等,职业界全体出现“百家争鸣”的 局势。
扁线化:高功率密度需求引领,电机扁线化是完成轻量化和小型化的高确认趋势。工 信部和发改委提出规划要在 2025 年完成乘用车功率度大于 4kW/kg,职业现在产等第的平 均功率大约在 3.2-3.3kW/kg 左右,带来电驱体系高效化、轻量化需求,扁线电机(又称 Hair-pin 电机)是前进功率密度的最佳计划。扁线电机是指将定子绕组中的传统圆柱形漆 包铜线替换为加工成发卡状的矩形漆包铜扁线,更好填充圆线电机中的很多空地。
优异功能和高经济性推进扁线电机规划化运用。扁线电机以其小尺度、高槽满率、高 功率密度、杰出 NVH 功能、热传导和散热功能等功能优势,以及耗材本钱下降的经济性优 势,在新动力轿车中的运用不断添加。
功能优势一:高槽满率带来体积减小和功率密度添加。矩形导线绕组比较细圆导线绕 组扁线间空隙更小,相同定子槽体积下能装更多绕组铜线,槽满率更高。圆线%左右,填充铜量可添加 20-30%,有望前进 20-30%的功率。一同定子铁芯 和端部尺度得以减小,使得电机尺度也得以缩小。功能优势二:扁线铜耗相对较低,电机功率得以前进。永磁同步电机的损耗中,铜耗 /铁耗占比别离为 65%/20%,其他损耗占比相对较低。扁线和圆线电机铁耗水平适当,首要 差在于铜耗。铜耗分为直流损耗和沟通损耗,其间直流损耗巨细又和绕组电阻成正比 (P=I^2*R),扁线电阻相对较小,直流损耗低于圆线电机。但因为扁线截面尺度较大, 受趋肤效应和邻近效应影响,沟通损耗相对较大,全体而言电机功率得以前进。
电机的高转化功率将下降相同工况下的电池本钱。依据上汽绿芯频道评价,在 WLTC 工况/全转速的状况下,扁线%;在市区工况 (低速大扭矩),两者功率值相差到达 10%。依照新动力轿车单车带电量为 45kwh 以及动 力电池 ASP 为 0.78 元/wh 来核算,WLTC/全转速/市区工况下,搭载扁线电机的电池损耗本钱节约 390/709/3510 元。
功能优势三:缩小槽口尺度及增强定子刚性,优化全体 NVH 功能。扁线电机比较圆线 电机定子具有更小的槽口尺度,能够有用下降齿槽力矩然后下降电磁噪声,一同矩形导线 刚性更大,前进了全体尤其是定子的刚性,在平等径向力波的条件下,壳体的轰动起伏更 小,对电枢噪音具有抑制作用,再合作转子磁极与结构优化,使其具有更优的 NVH 功能。
功能优势四:合作高效油冷散热技能,热传导和散热功能优异。矩形导体使得导体间 及导体与铁芯槽直触摸面积更大,一同绕组端部导体间留有最小空气空隙,热传导和散热 功能更好。电机首要热量会集在绕组端部,油冷比较于水冷技能散热功率更高,且对电磁线路无影响,扁线电机合作端部喷油冷却技能将进一步前进散热功能,更低温升条件下, 整车具有更好加快功能,有望有用前进车辆高温动力性。
1)扁线电机制作工艺难度大:扁线一般较圆线粗,因为铜原料的弹性,弯折后会有 更显着的反弹,这部分反弹需求电机工程师在规划之初便归入考虑。而且弯折和反弹极易 导致绝缘层破损,这也对扁线质量提出了更高的要求。此外,扁线出产工艺杂乱,精度要 求极高,需求专业的高端出产加工设备。现在这类设备的供货商以海外为主且设备价格高 昂。
2)通用性差,渠道化运用较难:与圆线电机不同,扁线电机在规划之初就要确认每 槽绕组层数,而且一旦确认,简直无法更改。这导致扁线电机很难经过不同的线圈匝数来 完成不同功率的规划,只能依托改动铁芯长度、绕组并联支路路数等方法。但这些改动功 率的方法都需求在电机全体规划上进行很多改动,会导致本钱升高。
3)供给链不行完善:扁线电机的出产需求高质量扁线的很多供给,而可进行大批量 出产车规级产品的扁线企业较少。较少的扁线需求也导致出产的规划效应无法开释,扁线 出产本钱进一步推高。现在国内精达股份经过为日本电装供货,积累了很多经历,成为国 内抢先的扁线出产企业,但其他竞赛对手的在工艺等方面仍不老练。扁线电机浸透率前进趋势清晰,估计我国/全球 2025 年扁线 亿元。咱们估计我国 2025/2030 年新动力轿车销量为 1560/1950 万辆,全球 2025/2030 年 新动力轿车销量为 2410/4467 万辆。跟着扁线电机优势逐步凸显,更多干流车企将换装扁 线电机,咱们以为扁线%。而扁线电机绕组层数和电 机功率成正比,现在国内扁线 层为主,而特斯拉已到达 10 层,咱们预 计跟着绕组层数的添加,扁线电机单车价值量也将进一步前进。咱们估计 2025 年全国/全 球扁线%/65%。
跟着新动力轿车高速开展,三合一驱动体系的遍及和纯电动渠道的落地,以及丰厚的 技能储备和前进,估计本年将迎来扁线迸发元年。油冷化:油冷逐步替代水冷,冷却功率与安全性齐升。电驱动体系电机现在正朝着高 转速、高扭矩开展。但考虑到集成化的趋势,电机内部空间趋于紧凑,电机作业进程中产 生的热量倍增,加之散热空间锐减,对定子绕组及磁钢发热对体系冷却才能提出了更大挑 战。而高温工况对电机功率以及电池安全均有消极影响,因而优秀的散热方法是电驱体系 的未来开展要点。
油冷相对于水冷具有可直触摸摸、抗腐蚀等优势。现在电机常见的冷却方法别离为风 冷、液冷以及蒸腾冷却。风冷本钱低、牢靠性强但散热功能较弱,首要运用于小功率电机;蒸腾冷却是运用气液相变循环完成对电机的高效冷却,首要运用于超大型机械设备,不适 用于轿车散热。液冷是新动力轿车现在干流的冷却方法,分为水冷和油冷,二者首要差异 在于:1)油不导磁不导电,能够直触摸摸绕组并带走产生的热量,而水直接与电机触摸 或许构成短路,因而只能经过流经特定管道带走热量,功率较低;2)水相对于油,易含 有杂质或腐蚀物质,长时刻运用不只会腐蚀体系,还将在通道中产生水垢,缩短电机运用寿 命。因而散热功率更高的油冷技能将成为趋势。
高速化:高速工况下功能体现更好,对电机轴承和减速器齿轮精度要求前进。新动力轿车驱动电机所需轴承不同于传统内燃机,其对极限转速、耐杂乱工况等功能要求极高。新动力轿车电机的输出功率与其转速的平方成正比,即前进转速能够大起伏前进电机的输 出功率。此外,电机的功率也与转速有关,一般在电机的额定功率规划内,电机的功率跟着转速的前进而前进,在高速旋转的状况下,电机能够愈加高效地转化电能为机械能,减 少电能的糟蹋,然后添加续航。新动力轿车电机的高转速会带来巨大的惯性力和离心力,对电机轴承和减速器齿轮造 成很大应战,承载着更大的压力。若电机轴承和减速器齿轮的精度不行高,就会导致电机 的噪音和振荡添加,甚至会出现毛病和损坏。因而,为了确保电机的安稳性和牢靠性,新 动力轿车电机在高转速下对电机轴承和减速器齿轮的精度要求更高,一同要求有更高刚性、 更高咬合率和更润滑齿面等,以前进行进的安全性以及下降高速运转下冲突带来的噪音。除此之外,更高的转速意味着更多的热量产生,要求轴承和齿轮需求在高温环境下本身结 构的安稳,能够习惯高温所带来的形变等影响。
轮边&轮毂电机:分布式驱动是节约空间并完成灵敏驱动的最佳挑选,轮边&轮毂电 机重视度前进。跟着纯电轿车电机技能的开展,传统燃油轿车规划理念和纯电驱动布局出 现了错位,会集驱动传动功率低、操控杂乱下风逐步凸显。而分布式驱动比较于会集式驱 动而言,取消了离合器、变速器、传动轴、差速器等传动部件,而将电机直接设备在驱动 轮邻近独立驱动车轮,更有利于体系的集成化、轻量化和模块化规划,在节约本钱和空间的一同,具有高呼应速度、高操控精度、杰出信息传输的优势,是电动轿车驱动体系技能 的首要方向。
分布式驱动中,轮边电机一般与固定速比减速器一同设备在车架上,减速器输出轴直 接或经过短半轴与车轮相连来驱动车轮,轮毂电机将动力、传动设备和制动设备整合在一 起放入车轮内部,更节约空间,重视度得到前进。
比亚迪易四方轮边电机加快落地,轮边电机有望迎来新机遇。2022 年 1 月 5 日比亚 迪仰视越野车 U8 和超跑 U9 搭载比亚迪的立异分布式电驱动体系渠道“易四方”露脸,其 中四台轮边电机最大输出功达 220kW~240kW,最大扭矩达 320N·m~420N·m,最高转速达 到了 20500rpm,作为动力源能够完成互相独立对驱动力进行巨细和方向的矢量操控,并通 过中心核算渠道+域操控器完成多样化和谐,然后完成车辆恣意视点原地旋转、应急浮水 和精准防滑操控。咱们估计跟着搭载“易四方”渠道的车型量产,轮边电机有望迎来新机 遇。
本钱压力加重,电驱动降本进入要害阶段。从电驱动部件供给链视点,自供在产业化 初期可确保技能迭代和供给安全,但外供具有专业化和规划化降本优势,咱们估计在降本 需求驱动下,外供份额将从低功率电驱开端前进,原先内供的整车厂也会逐步敞开供给链。从电驱动部件的本钱视点,电机/电控本钱占动力总成份额别离超 30%/40%。在电机中, 永磁体的本钱占比超 45%,现在干流稀土钕铁硼体系价格较高,在电控中,SiC 尽管带来 了较高的归纳功能,但本钱压力较大,咱们估计或从特斯拉下一代新渠道开端,电机电控部件的资料运用体系行将产生推翻。
外供份额前进:咱们以为在产业化初期,整车厂首要挑选挑选自供,跟着产业链专业 化、规划化的技能老练期,叠加近期产业链本钱加重,电驱动职业将从自供转向外供趋势 将逐步增强。产业化初期:自供可确保技能迭代和供给安全。挑选自供动力总成的海外整车厂有特 斯拉、群众,国内有比亚迪蔚来等。咱们以为,整车厂挑选自供的原因首要有两类:1) 在产业化初期,新动力轿车供给链没有完善,自供以确保快速技能迭代和供给安全,一同 下降本钱,例如比亚迪、蔚来;2)与整车厂基因和电动化战略有关,例如特斯拉定位电 动车引领者,对“三电”中心技能有极致寻求;而传统车企中电动化最为急进的群众,也 把“三电”部件视为与发动机平等重要。
从自供到外供,本钱是当时中心驱动要素。在电动车产业化初期,为了在技能快速迭 代的一同,确保供给安全,整车厂首要以自供为主。但跟着电驱动职业开展,咱们以为行 业后续将会出现以下趋势:专业化:未来动力总成包含机械、电磁、电力电子多个细分范畴,比较于外供团 队,整车厂树立相关团队的本钱高、危险大;规划化:在下流需求迸发式添加的环境下,外供面临整个商场,能够充沛下降成 本。
外供占比状况:低功率电驱体系外供占比更高。从不同峰值功率电驱体系看,电驱体系 功率越大,整车厂自供份额越高。在大于 230kW 的电驱上,自供份额到达 96%,其间蔚来与 宝马别离占 69.9%与 16.1%。但是在低功率商场,第三方供货商简直与整车厂不相上下:在 30~70kW 商场,外供份额现已挨近一半,其间上海电驱动和中车年代电气占比超越三分之一。因而咱们估计第三方供货商将先从低功率车型浸透,逐步向中高端商场包围。
长时刻来看,跟着电驱动商场逐步向专业化、规划化开展,一同考虑到当时的技能迭代 速度与之前比较有所放缓,供给链日渐老练,未来跟着新动力轿车商场规划进一步扩展, 咱们估计外供会成为干流,原先内供的整车厂也会逐步敞开供给链。资料体系降本:特斯拉布局低本钱高功率驱动计划,电机电控要害部件降本或进入倒 计时。1)下降电控中 75%SiC 的用量。特斯拉的 Model3 和 Y 中均运用了 SiC 功率期间, 而公司宣告在第二代功率芯片渠道中,估计将 SiC 用量下降 75%,一同叠加自动化出产, 最终将电驱体系全体本钱下降约 1000 美元。2)下一代永磁电机选用无稀土计划。2017-2022 年特斯拉将新款 Model 3 驱动单元 中的稀土用量削减了 25%,而 Model Y 现在三种稀土资料用量别离为 500/10/10g。在 2023 年 3 月 1 日特斯拉投资者日中,特斯拉提出下一代永磁电机稀土资料用量为 0g,供给更 低本钱更高效的解决计划。
电控:高低端需求分解,重视未来 SiC 和 IGBT 道路并行或许性。现在电控首要以 IGBT 为功率器材,其决议了电控功能和本钱,SiC 是新一代功率器材,SiC 是新一代功率器材, 其优势为:1)功能指标如耐压达 20kV、作业频率超 100kHz、作业结温逾 250℃,均优 于传统硅器材;2)模块体积减小到 1/10,体系物料本钱下降;3)下降能耗:据英飞凌的 数据,SiC 因为电阻小而功率损耗下降 60-80%;依据采埃孚的数据,运用 SiC 后车辆续 航路程前进了 10%。但 SiC 器材的本钱约为硅基 IGBT 的 3-5 倍。
若特斯拉下一代下降 75%SiC 的动力单元量产落地,重视高低端车型的电控道路)在 B 级以下的低端车型中,咱们以为能够经过沟槽型 MOS 计划或 SiC+IGBT 两种道路完成 SiC 用量的下降,特斯拉下一代车型落地或将带动国内低端车型厂商技能路 线)在高功能车型中,SiC 相对于硅基 IGBT 而言在高压渠道中具有较大功能优势, 下降 SiC 用量的计划短期有待验证。
电机:永磁同步电机仍为干流,重视永磁体资料体系切换和其他电机类型的运用。永 磁同步电机凭仗高功率密度、高功率、低能耗以及高动态呼应功能,是现在最干流的电机 类型。依据 GGII 数据,2021/2022 年永磁同步电机占比达 94.1%/95.7%。而在永磁同步 电机中,现在以钕铁硼道路为主体的永磁体本钱占比达 45%,在稀土价格较高时能够到达 50%-60%。特斯拉下一代无稀土永磁同步电机或将带动永磁体资料的改造,但研制和商业 化量产仍需时刻验证,主张后续重视永磁资料体系的迭代切换以及其他电机类型(如开关 磁阻电机和励磁电机)的运用。
集成化是大势所趋,能耗与本钱双降。集成化是模块化造车的根底,一般挑选用处紧 密相关的零部件进行集成。一般电机、电控、变速箱可依据客户的需求构成“驱动总成” (又称“大三合一”),DCDC(直流变压器)、OBC(车载电源)、PDU(高压配电箱) 可构成“电源总成”(又称“小三合一”)。电驱动体系已完成单个产品向三合一集成的演进,多合一集成化是大势所趋,开端汽 车电驱动体系基本以分体部件为主,占用很多空间,本钱高;随后集成化电驱动开端开展, 从电机和减速器“二合一”到电机、减速器和电机操控器的“三合一”,进一步下降电磁 搅扰、简化零部件间的布线,完成轻量化、添加续航路程和节约本钱,2021 年新动力乘 用车三合一电驱动装机量占比超越 50%,现在集成化体系继续开展,“3+3”集成体系和 “多合一”是未来开展方向。
电源体系重要性日益凸显。DCDC 首要功能是将动力电池所输出的直流电由高压改变 为低压,来为整车 12V-48V 的低压设备如仪表盘、空调、雨刷、毛病确诊体系等供电。OBC 首要是新动力轿车的充电设备,经过电池办理体系(BMS)供给的信号动态调节电 流电压,将充电桩输出的沟通电转化为直流电进而为动力电池充电。PDU 为新动力车高压 电源的分配单元,维护及监控新动力轿车高压体系的运转,包含充放电操控、短路维护等。电源体系是新动力轿车内部电压转化、供电体系正常运转的确保,跟着新动力车智能化要 求不断前进,电源体系功能亦不断开展。DCDC 及 OBC 向轻量化、高牢靠、高兼容方向 开展,转化功率不断前进;PDU 不断简化整车配电,优化智能确诊及电能办理。电源体系 逐步成为前进新动力车体会的重要部分。
职业界公司不断推出多合一高度集成化解决计划,集成化稳步开展。现在整车厂如比 亚迪,世界零部件巨子如博世、麦格纳、大陆集团、采埃孚、博格华纳、舍弗勒等,以及 上海电驱动、中车株洲、精进电机、蓝海华腾等电机电控产品出产商都在活跃研制“三合 一”“六合一”集成体系。估计未来电驱动体系将继续向多合一开展,华为 2020 年发布 七合一电驱动体系,比亚迪2021 年在其海豚车型中运用八合一电驱动体系,愈加节约空 间,而且支撑高压渠道快充,进一步前进轿车功能。
危险提示:雪球里任何用户或许嘉宾的讲话,都有其特定态度,投资决策需求树立在独立思考之上