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目前,新能源电动汽车性能还有巨大的提升空间,但大家往往最关注电池,而作为新能源汽车“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”。作为决定电动汽车性能的关键部件,本文来聊聊电机电控现有状况和市场发展前景。

电控系统集成化是未来发展趋势

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。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。

不同类型电机采用的电控方式

国产替代势在必行,电机电控行业加速整合

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;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。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。

国内新能源车电机装机来源分布(2016年1-7月)

国内新能源车电控装机来源分布(2016年1-7月)

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。考虑到16年全年获批的新建新能源汽车企业已经达到7家,且其中不乏长江汽车、敏安汽车、万向集团等尚无整车生产经验的企业,我们认为,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。

新能源汽车第三方电机装机占比(2016年1-7月)

新能源汽车第三方电控装机占比(2016年1-7月)

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。

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。

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(如)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。

原材料成本占比高,电机降本需集成化轻量化

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。

永磁同步电机各组件成本占比(%)

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。

交流感应电机各组件成本占比(%)

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。

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:

方式一

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;

方式

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。

国产电机的峰值和连续功率离世界先进水平仍有相当的差距(kw/kg)

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。

igbt在电动汽车中的应用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。

电机控制成本拆分

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。

2015年中国igbt市场国内和国外品牌市占率

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。

2014年中国igbt市场占有率排名

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。

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%。

2016-2020年我国新能源汽车产销量预测(单位:万辆)

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。

文章来源:伺服与运动控制、中汽创新创业中心 、半导体行业观察

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