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电机定子生产线
央财智库 新能源汽车电驱动行业深度报告:行业加速扩
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-03-26 13:52:51 浏览:6

  新能源汽车的电驱动系统主要由驱动电机总成、电机总成和传动总成组成。驱动电机 的主要功能是为新能源汽车提供动力,将电能转化为旋转的机械能,主要构成包括定子、转 子、结构组件和壳体;电机总成的作用是基于功率半导体的硬件及软件设计,对电机 的工作状态进行实时控制,使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作,主要由功率 组件、控制软件和传感器组成;传动总成的作用是将驱动电机的转速降低、转矩升高,以保证驱动电机的转矩、转速满足车辆需求,主要由减速器、齿轮组、离合器和半轴组成。

  新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步电机和交流异步电机。永磁同步电机的转子是永磁体, 定子绕组可以使用圆线和扁线,功率密度较高,适用于低速、高速切换以及频繁启停等复杂 路况,是目前国内新能源汽车驱动电机的主流技术路径。交流异步电机的定转子均是使用圆 线的绕组,适用于高速路况,在国内主要应用于四驱车型的辅助驱动系统,高速行驶时由永磁同步电机切换成交流异步电机。

  永磁同步电机的优势:1)相同重量和体积下,永 磁同步电机能输出更高的功率和扭矩;2)调速范围大,调整电流与频率即可在很大范围内 调整电机的功率和转速;3)采用永磁体激磁,省去了激磁线圈工作时消耗的电能,提高了 效率,延长续航里程。

  交流异步电机的优势:1)结构简单,稳定性好,抗震动性能优异;2)永磁同步电机在高温 下会有磁性衰减的问题,而交流异步电机的磁场并不依靠磁铁产生,不存在磁性衰退,动力 下降的问题;3)磁场会根据输入电流的变化而变化,这就使得它在空载到满载的过程中能 够接近恒速变化,加速性能更好;4)效率相对更高,节能性更佳。

  2021年国内新能源汽车乘用车驱动电机市场共装配 342.5 万台电机,其中永磁同步电机占 323.3 万台,占比约为 94%,交流异步电机占比约为 5%,国内的驱动电机市场仍以永磁同 步电机为主,主要原因包括:1)国内稀土资源较为丰富,供应链资源丰富;2)新能车发展 初期仍以单电机的车型为主,需要相对较大的输出功率和扭矩。纯电动车型中的双驱动电机 版本,配套一台异步电机和一台永磁同步电机的车型较多,随着双电机车型的占比增加,我 们认为,异步电机在国内的市场份额仍有一定提升的空间,永磁同步电机仍是行业主要的驱 动电机类型。

  在永磁同步电机成本中,稀土磁钢成本占比最高。永磁同步电机的制造原材料主要有稀土磁 钢、硅钢片、铜和铝等,其中稀土磁钢主要用于制造永磁体,成本构成在 30%左右;硅钢片 主要用于制作铁芯,成本构成在 20%左右;铜主要用于制作定子绕组,成本构成在 15%左 右;钢主要用于制作电机轴等结构组件,成本构成在 10%左右;铝主要用于制作电机壳,成本构成在 10%左右。

  电机生产工艺流程主要包括定子铁芯和转子铁芯的冲压、叠压、焊接,定子绕线、嵌线、浸 漆,壳体和前后端盖、变速器壳体的铸造、数控机床精密加工,轴、齿轮的锻造和数控精密 加工,以及转子组装,其中定子嵌线和转子动平衡是关键步骤。定子嵌线是指将定子线棒嵌 入电机定子槽内并固定的过程,转子的动平衡是一种改善转子质量分布,以使转子在旋转时 不至于产生过量不平衡离心力的工序。由于定子嵌线过程的相对标准化,扁线电机的生产工 艺自动化程度较高,基本已经可以实现全自动化生产的工艺流程,对生产效率和生产成本的 优化较多,并且增加了产品的一致性。

  电控是电驱动系统中的核心部件。新能源汽车电控通过接受 VCU 指令,控制新能源汽车电机的电流及电压,使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作,此外在能量回收过程 中,新能源汽车电控还起到回充动力电池的作用。电控对新能车电驱动系统的效率和功率密 度有重要影响,通过 IGBT 芯片的不同结构设计可以优化所占体积,减少物料使用,从而提升电驱动系统的功率密度;通过软件和硬件端的差异性,可以优化总成效率,从而改善续航 里程。

  电机主要包括 IGBT 芯片、PCB 板、电容器、传感器、壳体和控制软件等,其中传感 器包括温度传感器、电流/电压传感器、转子位臵传感器等,控制软件包括 AUTOSAR 等软 件架构。其中电机根据结构的不同又可以分为 IGBT 模块和 IGBT 单管并联两种技术 路径,目前两种方案均有车企批量应用,各有优势和劣势。

  成本端:以 IGBT 模块的方案来看,电机的成本可以分解为 IGBT 模组、控制电路板、 驱动电路板、电机壳体、电流传感器、接插件、门驱动电路、电容等组件。其中 IGBT 模组是电机中最主要的零部件,其成本约占电机总成本的 37%,控制电路板成本约占 16%,驱动电路板成本约占 12%,电机壳体成本约占 11%,电流传感器成本 约占 5%,接插件、门驱动电路成本约各占 4%,电容成本约占 2%,其他部件以及人力成本 约各占 4%。电控的成本主要仍然以 IGBT 芯片为主,IGBT 芯片的价格波动对电机的 成本端影响较大。

  电驱动系统集成化优势显著,未来趋势明确。电机、电控和减速器构成的三合一驱动总成, 以及 PDU、OBC、DC-DC 构成的三合一电源总成,是目前主要的集成技术路径,相比于独 立零部件,三合一总成节省了接插件以及壳体等物料的使用,实现了重量和体积上的降低, 从而在功率密度以及成本上更具优势。此外,在三合一总成的基础上可以实现进更深层次的 集成,将三合一驱动总成和电源总成进一步集成为一电驱动总成产品。以英搏尔的 一总成为例,三合一电源总成较单体零部件可以实现降本 500 元,一总成在三合一总成的基础上可以实现降本 1000 元,合计降本 1500 元,电驱动系统集成化产品功率密度和成 本优势显著,未来趋势明确。

  目前主流主机厂和电驱动系统供应商均已实现三合一驱动总成的量产,其中比亚迪海豚更是 实现了八合一的深度集成。电驱动系统集成化趋势明显,主要驱动因素包括:1)减速器和 电机采用直连、电机与电控直连,减少了传递路径上的能量损耗,电驱动系统效率提升;2) 可以减少壳体用料、线束和连接件等,从而减轻重量、降低成本,电驱动系统功率密度提升;3)电驱动系统产品均价更高,盈利能力更强。

  较独立的电机电控系统,三合一动力总成可以优化动力总成的体积和减少物料的使用,并简 化三电系统,可实现功率密度的提升以及成本的降低。随着汽车电子电气架构的升级,电驱 动系统下一步的集成化方向是将电源总成集成到三合一驱动总成中,域方案是在多合 一方案基础上进一步集成 BMS 和 VCU。英搏尔的一总成是将三合一电源总成和三合一 动力总成进行集成,华为的七合一总成是将一总成和 BMS 进行集成,比亚迪的八合一 总成是将一总成和 BMS、VCU 进行集成。

  2020 年新能车乘用车三合一电驱动系统渗透率为 35%,2021 年渗透率同比上升 16 个百分 点,达到 51%。三合一电驱动总成渗透率稳步提高,主要驱动因素包括:1)三合一驱动系 统体积更小,可以实现车辆各系统的布局可以更加灵活,增加更大的储物空间和乘坐空间;2)三合一驱动系统重量更轻,可以实现整车重量的下降,增加汽车续航里程;3)为主机厂 降低了供应商层面的管理成本、沟通成本,也减少了原有分散采购多个零部件的配套成本;4)有利于车企的平台化设计,为不同车型搭载同一套系统。

  扁线电机是指定子绕组采用扁铜线的电机,根据其扁线形状可以分为 Hair pin、I pin、Wave pin 三种。目前绝大多数企业都使用 Hair pin 电机,因其绕组形状与发卡相似,所以扁线电 机也被称为发卡电机。扁线电机的优势主要有:

  1)效率高:①截面设计提升槽满率,扁线电机截面为方形,空间利用率高,裸铜槽满率较 圆形电机可提升 20%-30%,能有效降低绕组电阻进而降低铜损耗;②端部尺寸更短,与圆 线mm,可有效降低端部绕组铜耗,进一步提 升电机效率;截面设计+缩短端部尺寸等结构设计,可以让扁线电机的平均效率较传统圆线)功率密度高:

  随着定子每槽发卡层数的增多,其发卡线成型的一致性、插入铜线的数量、扭转的层数及焊 点的数量都会对制造工艺方案提出更高的要求。以 6 层 48 槽产品焊接为例,一个产品有 100 多个焊点需要焊接,保证每个焊点的焊接质量、焊接速度及稳定性,是业内有挑战性的一大 难题。我们认为扁线电机的生产工艺复杂,生产难点多,竞争壁垒较高,头部电机厂有望放 大竞争优势。

  新能源车加速及爬坡时需要低转速大扭矩,高速行驶时需维持高转速,因此驱动电机工况更 为复杂,调速范围更宽。在低速重载、高速轻载等情况下,电驱动系统效率会比峰值效率下 降 20~30%,为兼顾加速和高速续航,通常有如下方案:1)单电机+单档变速器;2)单电 机+两档变速器;3)永磁同步电机+交流异步电机;4)永磁同步电机+永磁同步电机。目前 主流的双电机方案是永磁同步电机搭配交流异步电机,其优势在于增加扭矩和功率,扩大系 统高效区,高效能量回收,我们认为在未来双电机渗透率不断提升的情况下,此方案将会得 到更广泛的应用。

  双电机搭配分别满足低速与高速运转工况,并在一定范围内同时工作提高输出功率,兼顾低 速爬坡和高速续航,从根本上改变了新能车机动性能。相比单电机方案,双电机方案具有以下优势:1)在整个运行过程中动力无中断,连续无卡顿;2)提升整车系统效率的同时获得 更大扭矩;3)降低电机单体的制造难度与开发成本;4)提高制动能量回收的效率。其中不 同功率的同步电机与异步电机搭配可以做到优势互补,被中、高端车型广泛应用,如特斯拉 model Y、model X、蔚来 ES6、ET7 等,同步电机与异步电机搭配逐渐成为核心配臵。为 解决续航问题同时满足高性能的追求,双电机驱动在中、高端车型中广泛应用,2021 年销 量前 5 款热销车型中有 4 款配有双电机升级版,我们认为双电机占比有望逐步提升。

  新能源汽车电控的功率组件有两种技术方案:IGBT 模块和 IGBT 单管并联,两者主要的区别 是封装形式的不。

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