2020-11-11
新能源電動汽車性能還有巨大的提升空間，大家往往最關注電池，作為決定電動汽車性能的關鍵部件，本文詳細說說電機電控。
一、電機電控的重要性
新能源汽車作為傳統燃油汽車的替代品，其主要電氣系統即為在傳統汽車“三小電”(空調、轉向、制動) 基礎上延伸產生的電動動力總成系統“三大電”——電池、電機、電控。其中，電機、電控系統作為傳統發動機(變速箱)功能的替代，其性能直接決定了電動汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標。
同時，新能源汽車電機、電控系統面臨的工況相對復雜：需要能夠頻繁起停、加減速，低速/爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，具有大變速范圍；混合動力車還需要處理電機啟動、電機發電、制動能量回饋等特殊功能。此外，電機的能耗直接決定了固定電池容量情況下的續航里程。因此，電動汽車驅動系統在負載要求、技術性能和工作環境上有特殊要求：
其一，驅動電機要有更高的能量密度，實現輕量化、低成本，適應有限的車內空間，同時要具有能量回饋能力，降低整車能耗；
第二，驅動電機同時具備高速寬調速和低速大扭矩，以提供高啟動速度、爬坡性能和高速加速性能；
第三，電控系統要有高控制精度、高動態響應速率，并同時提供高安全性和可靠性。
電機電控系統作為新能源汽車產業鏈的重要一環，其技術、制造水平直接影響整車的性能和成本。目前，國內在電機、電控領域的自主化程度仍遠落后于電池，部分電機電控核心組件如IGBT 芯片等仍不具備完全自主生產能力，具備系統完整知識產權的整車企業和零部件企業仍是少數。隨著國內電機電控系統產業鏈的逐步完善，電機電控系統的國產化率逐步提高，電機電控市場具有的增速有望超過新能源汽車整車市場的增速。
電池、電機、電控在新能源汽車中的應用
此外，隨著整車車體結構輕量化的推進，電池、電機、電控系統在新能源汽車整車中的成本占比也逐漸上升。根據Argonne 國家實驗室統計數據，新能源汽車動力總成(電機、電控、變速器)的成本分別占整車成本的15.67%(轎車)和13.69%(小型貨車)，總成占比僅次于電池和BMS 系統。在新能源汽車補貼逐步退坡的政策驅動下，動力總成成本、重量下降的壓力將逐步向上傳導至電機、電控產品廠商，具備技術、規模優勢的供應商將在成本下降的過程中占據優勢。因此，電機電控市場仍然在很大程度上影響新能源汽車市場的走向。
二、永磁同步、交流異步電機成為驅動電機主流技術
電動機在工業中的應用非常廣泛，功率覆蓋范圍寬，種類也很多。但由于新能源汽車在功率、轉矩、體積、質量、散熱等方面對驅動電機有更高的要求，因此，相比工業電機，新能源汽車驅動電機必須具備更優良的性能，如：小體積以適應車輛有限的內部空間，工作溫度范圍寬(-40~1050C)，適應不穩定的工作環境，高可靠性以保證車輛和乘員的安全，高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等，因此驅動電機的種類相對較少，功率覆蓋也相對較窄，產品相對集中。
新能源汽車驅動電機的分類
目前，應用于新能源汽車的驅動電機主要包括直流電機、交流電機和開關磁阻電機三類，其中在目前乘用車、商用車領域應用較為廣泛的電機包括直流(無刷) 電機、交流感應(異步)電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等。其他特殊類型的驅動電機包括輪轂/輪邊電機、混合勵磁電機、多相電機、雙機械端口能量變換器( Dmp-EVT)，目前市場化應用較少，是否能夠大規模推廣需要更長時間的車型驗證。
(1)交流異步電機，也稱為感應電機( Induction Motor)，在定子繞組中輸入三相交流電，定子繞組中的勵磁電流在定子鐵芯中產生旋轉磁場， 此時轉子繞組中有感應電流通過并推動轉子作旋轉運動。當轉子帶有機械負載時，轉子電流增加，由于電磁感應作用，定子繞組中的勵磁電流也增加。 交流異步電機控制器采用脈寬調制( PWM) 方式實現高壓直流到三相交流的電源變換，采用變頻器實現電機調速，采用矢量控制或直接轉矩控制實現轉矩控制的快速響應，滿足負載變化特性的要求。
交流異步電機的優點在于結構簡單，定子轉子無直接接觸，運行可靠性強，轉速高，維護成本低。 不足之處在于能耗高，轉子發熱快，高速工況下需要額外冷卻系統；功率因數低，需要大容量的變頻器，造價較高，調速性較差。 目前，交流異步電機主要用于空間要求較低、且速度性能要求不高的電動客車、物流車、商用車等車型中。
(2)永磁電機( Permanent Magnetic Motor) 包括永磁同步電機(正弦波)和永磁無刷直流電機(方波)兩大類，其轉子均由永磁材料制成， 定子采用三相繞組，輸入調制方波產生旋轉磁場帶動永磁轉子轉動。永磁同步電機的優點在于其較大的轉矩和驅動效率，具有高功率密度和寬調速范圍，且沒有勵磁損耗和散熱問題，電機結構簡單，體積比同功率的異步電機小 15%以上；其缺點在于高速運行時控制復雜，永磁體退磁問題目前難以解決， 電機造價較高。目前，永磁同步電機主要應用于體積小，且速度、操控性能要求較高的電動乘用車領域，部分中小型客車亦開始嘗試使用永磁電機作為驅動源。 永磁無刷直流電機則一般在小功率電動汽車、低速電動車領域應用較為廣泛。
(3)開關磁阻電機( Switched Reluctance Motor)的定子和轉子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，利用沖片上的齒槽構成雙凸極結構， 定子產生扭曲磁場，利用“磁阻最小原理”驅動轉子運動。 開關磁阻電機結構和控制簡單、出力大，可靠性高，成本低，起動制動性能好，運行效率高，但電機噪聲高，但轉矩脈動嚴重，非線性嚴重，在電動汽車驅動中有利有弊，目前電動汽車應用較少。
(4)直流電機( DC Motor)通過在定子主磁極上繞制勵磁線圈并通以直流電以產生磁場，轉子電樞繞組也通以直流電，通電繞組置于磁場中輸出電磁轉矩拖動負載運行。直流電機控制器一般采用晶閘管脈寬調制方式( PWM)，控制性能好，調速平滑度高，控制簡單，技術成熟，且成本較低。直流電機的缺點是需要獨立的電刷和換向器，導致速度提升受限；電刷易損耗，維護成本較高。直流電機多用于早期的電動汽車驅動系統，目前新研制的車型已經基本不再采用。
不同類型電機的性能對比
目前， 新能源汽車所使用的電機以交流感應電機和永磁同步電機為主。其中， 日韓車系目前多采用永磁電機，轉速區間和效率相對都較高，但是需要使用昂貴的系統永磁材料釹鐵硼；歐美車系則多采用交流感應電機，主要原因是對于稀土資源匱乏，以及降低電機成本考慮，其劣勢則主要是轉速區間小，效率低，需要性能更高的調速器以匹配性能。 特斯拉公司在其本代車型 Model S 和 Model X 上均采用的是自行設計的交流感應電機。
國外新能源汽車適配電機類型
我國稀土資源豐富， 因此電動乘用車多采用功率性能高、體積較小的永磁同步電機。 根據中國汽車工業協會統計數據，2016 年上半年，我國純電動汽車產銷量分別達到 13.4 萬輛、12.6 萬輛，同比分別增長 160.8%、 161.6%。上半年生產純電動乘用車約 70000 輛，其中永磁同步電機的裝機占比約為 65.7%，比 15 年同期增長 21.25 個百分點，比 15 年全年增長了 19.99 個百分點。
同期，國產新能源乘用車用交流異步電機的市場分額在逐漸減小，從 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%；而混合勵磁同步電機的占比則從 0.03%上升至 1.10%，盡管絕對占比仍相對較小，但裝機率有望保持小幅穩定的增長態勢，未來有可能在純電動乘用車領域率先獲得突破性進展。
2015-2016 年國產純電動乘用車電機裝機量變動情況
電控系統集成化是未來發展趨勢
電機控制器在傳統汽車的車載電機中已有應用，通過功率半導體、微處理器等電力電子器件，采用中低壓變頻等方式實現對車用空調壓縮機、轉向助力泵電機等進行調控的功能。電動汽車電機控制器作為控制電動汽車驅動電機的設備，通過接收整車控制器和控制機構(制動踏板、油門踏板、換擋機構) 傳送的控制信息，對驅動電機轉速、轉矩和轉向進行控制，并可同時對動力電池的輸出進行相應控制。
目前，部分“多合一”的電控產品已經在電動汽車中投入應用，同時集成了傳統汽車分立的空調壓縮機、轉向助力泵電機、氣泵電機控制器，以及混合動力車型中采用的 BSG/ISG 電機等。 隨著微芯片在整車及總成控制中的應用逐步廣泛，多合一電控產品的成本有望進一步下降，單一控制器將逐步被集成化“車輛中央控制器”所取代。
電機電控企業發力在即， 百億藍海市場尚待開發。
2016 年 12 月，國務院批復與公布了《十三五國家戰略性新興產業發展規劃》，明確提出到 2020 年，新能源汽車實現當年產銷 200 萬輛以上，累計產銷超過 500 萬輛。 考慮到產業實際與完成情況，我們預測 2017 年新能源汽車總銷量可達到 65.8 萬輛，其中客車、乘用車、專用車分別達到 13 萬、 40.8 萬、 12 萬輛，其中乘用車和專用車提供了主要增量部分。 由此測算， 2017 至 2020 年，新能源汽車電機、電控市場規模將從 240 億元上升至480 億元， 年均增長率約為 26%。
2016-2020 年我國新能源汽車產銷量預測(單位：萬輛)
十三五期間電機電控市場規模測算
電機、電控行業目前仍處于產品技術快速更新換代的階段， 技術投入占比較高，資產規模一般不重， 市場競爭也較電池行業為輕。 考慮目前新能源汽車電驅動系統的企業大多由傳統工業電機、變頻控制等企業轉型而來，產能的快速上量對于全行業而言并非難以實現的瓶頸，因此行業存在產品定型后競爭突然加劇的風險。目前電驅動行業企業數量眾多，尚無任何企業能對市場實現控制或壟斷，僅考慮第三方供應商市場， CR10 甚至小于 50%；此外，電機、電控企業處于新能源汽車產業鏈中游，在產能足夠的情況下，企業將同時受到來自上游原材料及核心零部件企業，和下游整車企業的雙向成本壓力。
因此，在下游新能源汽車市場快速增長的過程中， 同時具備技術和市場優勢的供應商才能在逐步激烈化的電機、電控市場中擴大市場份額，這一方面要求企業在技術上需要具備電機、控制系統的技術、生產優勢， 和較強的動力總成系統集成能力， 從而在設計和生產兩方面降低產品成本，另一面要求企業在市場方面具備較強的客戶粘性，與下游整車企業形成較為堅固的產業聯盟或合作協議。