新能源汽車電機電控系統介紹

新能源電動汽車性能還有巨大的提升空間，大家往往zui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、zui高速度等主要性能指標。

同時，、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*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zui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。

電控系統在新能源汽車中處于核心地位

電控系統的設計和標定與電機系統相關程度較高，根據匹配電機的不同，電控系統需要開發不同技術平臺。早期的直流電機一般采用脈寬調制( PWM)斬波控制的方式進行控制，控制手段相對單一，應用也有局限性。隨著感應電機和永磁電機的大量使用，電控系統的復雜程度迅速上升， 矢量控制技術和直接轉矩控制技術成為電控產品的技術主流，電動乘用車的普及對于電機和電控系統的集成程度要求也越來越高?？梢灶A見的是，未來電機與電控企業的業務交叉程度將逐步提高， 可提供電機電控一體化動力總成產品的企業將有助

于整車企業進一步降低車重和成本，將具有更大的競爭力。

不同類型電機采用的電控方式

國產替代勢在必行， 電機電控行業加速整合

作為新能源汽車“三大電”之二，相比動力電池行業的快速發展以及高關注度，國內電機電控行業則相對“低調”。我們認為， 電機電控行業受市場關注度低于電池主要是兩方面原因：其一， 新能源汽車電機電控產業基本與國內電動汽車市場同步啟動，整車企業對于電動汽車的研發、采購、生產和銷售等流程都處于探索和完善階段， 對于電機電控配套行業的標準和體系也尚未成型；

其二，鋰電池在 3C 等領域應用有近 20 年歷史，行業形成了相對完整的技術標準和產品體系，轉用為動力電池有一定的參考和借鑒，而新能源汽車電機與工業電機技術路線和要求差別較大，專業企業中很大一部分仍為 10 年以內的創業型企業，行業尚未形成清晰穩定的市場格局。 目前，新能源汽車驅動電機的廠商主要包括兩類：*類是具備電機電控供應鏈的電動汽車整車企業， 由其自有生產能力或關聯供應鏈企業向其供應全部或部分電機電控產品，部分整車廠的電機電控產品也少量外銷。 這類企業一般為傳統汽車制造企業， 經過多年積累， 具備完整的零部件生產能力。 目前國內的主機廠中，比亞迪、北汽新能源、江鈴新能源、長安新能源、中通客車、廈門金龍等企業均具備自主供應電機電控產品的能力。

第二類是專業從事汽車零部件供應或專業從事電機電控產品供應的企業，其中包括專業汽車零部件供應商，如采埃孚( ZF)、大陸( Continental)、博世( Bosch)、日立( Hitachi)、現代摩比斯( Mobis)等汽車供應量*； 以及國內外新興的專業電機電控制造企業，如上海電驅動、上海大郡、精進電動、中國臺灣富田電機( Fukuta)等。

此外，部分傳統工業電機、變頻器等生產企業也依靠在研發、生產上的技術積累，積極轉型介入新能源汽車電機電控相關產品的供應，如匯川技術、英威騰、臥龍電氣、方正電機、江特電機等。

國內新能源車電機裝機來源分布( 2016 年 1-7 月)

根據行業統計， 2016 年 1-7 月國內生產的超過 18 萬輛純電動汽車中，整車廠自行提供和第三方電機企業供應的電機裝機占比分別為 55.4%和 44.6%，整車廠自行提供和第三方電控企業供應的電控裝機占比分別為 56.2%和 43.8%，比例基本持平。

國內新能源車電控裝機來源分布( 2016 年 1-7 月)

目前國內電動汽車大部分仍由北汽、比亞迪等傳統汽車企業生產， 因此整車企業自供電機電控組件占比相對較大。 考慮到 16 年全年獲批的新建新能源汽車企業已經達到 7 家，且其中不乏長江汽車、敏安汽車、萬向集團等尚無整車生產經驗的企業，我們認為，隨著新能源汽車專業制造企業尤其是輕資產型互聯網汽車企業的迅速崛起，新能源汽車產業鏈分工細化成為必然趨勢，第三方供應商提供電機電控甚至動力總成的比重將逐步上升。

根據中機中心公布的新能源汽車裝機數據統計， 2016 年 1-7 月，第三方電機企業達到 92家，第三方電控企業達到 98 家，分別提供了 44.6%和 43.8%的裝機量。第三方電機、電控企業，在第三方市場中的zui高市*率僅分別為14.5%和 18.4%，在整體電機、電控市場的市*率更是僅為 6.48%和8.07%。整個電機、電控市場仍處于未定型的競爭格局， 尚無任何企業對市場形成統治性優勢， 轉型企業、新興企業均有機會在市場中脫穎而出，迅速獲得較大的*。

新能源汽車第三方電機裝機占比( 2016 年 1-7 月)

新能源汽車第三方電控裝機占比( 2016 年 1-7 月)

進口替代任重道遠，產業鏈細化勢在必行

2016 年 10 月 26 日中國汽車工程學會年會上發布的《節能與新能源汽車技術技術路線圖》，在純電動與插電式混合動力汽車技術路線中，提出 2020 年純電動乘用車續航里程要達到300km，電動客車單位載重電耗水平要降至 3.5kWh/100km*t，同時提出 8 項發展重點，其中 4 項與電機電控直接相關：動力電機與底盤集成技術、純電動汽車動力系統集成及控制技術、高性能動力電機技術、新型電機控制器技術。

新能源汽車續駛里程(左軸)與電耗水平(右軸)發展目標

相比動力電池在國內已經初步建立起研發技術體系，高性能電驅動系統的研發在國內仍處于起步階段，大部分具備創新結構的高性能電機(如) 仍處于樣件開發甚至設計階段。電驅動系統產業鏈的快速發展，使得各個企業均有機會在產品和技術上脫穎而出，快速搶占下游電動汽車市場。

原材料成本占比高， 集成化輕量化是電機降本必經之路

與動力電池系統不同的， 驅動電機系統對于原材料的要求相對簡單，主要包括釹鐵硼等稀土永磁材料( 永磁體)、鋼材( 鐵芯疊片、驅動軸體)、 銅(繞組)、鎂鋁合金(機殼) 等基本金屬。因此， 原材料成本和加工成本占據電機成本中的絕大部分。

永磁同步電機各組件成本占比(%)

根據 ANL 統計數據，在永磁同步電機中， 永磁體組件的成本占整個電機物料成本的 45%左右；在感應電機中，鐵芯疊片的成本占電機物料成本的 58%左右。因此，稀土材料、鋼材、銅鋁等有色金屬材料的價格將對電機成本產生zui直接的影響。

交流感應電機各組件成本占比(%)

根據華域電動等企業數據，稀土磁鋼的重量僅占據整機重量的 2.5-4.5%，但成本已經占了整個車用驅動電機成本的 20-30%，稀土價格上漲時甚至可以達到 50-60%。 因此，原材料成本的波動對于電機生產成本具有直接的影響。

2015 年取消稀土出口配額制以來，我國年稀土氧化物的開采量指標維持在 8-10 萬噸左右，考慮到非法稀土開采和分離量，全年國內稀土的供給量約在 16 萬噸左右。在下游需求保持穩定的情況下，稀土永磁材料的價格總體整體呈現穩中下降的趨勢，但稀土價格已經基本位于底部，未來繼續大幅下降的空間不大。 16 年 12 月， 釹金屬的價格已達到為 32.15 萬元/噸，相對去年上漲了 10%，zui高漲幅已接近 20%。

原材料方面，鋼材受到上游焦炭、鐵礦石等原材料價格上漲的影響，無取向硅鋼價格在2016 年出現了快速上漲，從 15 年 12 月的 3250 元/噸迅速上漲到年底的 7500 元/噸高位，接近了 2011 年的價格高點。 同時， 截至 17 年 1 月 5 日，長江、華南地區現貨銅價均達到為 4.54 萬元/噸， 較 16 年初每噸上漲了約 1000 元。

考慮到稀土收儲與打私政策的配合執行，以及包括特斯拉在內的歐美電動汽車廠商轉向永磁同步技術路線，未來 2-3 年可能迎來稀土供給側收緊和需求側放大的雙重擠壓，稀土價格或將大幅上漲；在供給側改革和環保稅開征的雙重壓力下，鋼鐵去產能仍處于“三去一降一補”， 17 年價格處于高位盤整的可能性較大。多重因素共同作用下， 電機廠商在物料成本端承壓將快速上升，電機廠商只能通過技術革新，迅速降低單體電機金屬用量，提高電機功率密度，才可能應對來自上游整車價格下降和下游原材料成本上升的壓力。

國家十三五新能源汽車重點研發計劃明確提出， 2020 年，我國驅動電機峰值功率密度應達到 4.0kW/kg，連續功率密度應達到 2.2kW/kg，基于 IGBT 功率模塊的電控器功率密度達到 17kW/L，基于第三代寬禁代半導體的 Sic 功率模塊的電控器功率密度達到 36kW/L，較目前性能均實現倍增。在此目標下， 實現電機電控成本的下降一般通過兩種方式實現：

1) 通過推出集成度高的電驅動總成來降低系統總重，從而提高公里密度，降低成本，如大陸、麥格納等企業推出的，電力電子與驅動電機總成、驅動電機與減速器總成、混合動力總成模塊等，此種方式一般為歐美等企業采用；

2) 通過采用部分組件非金屬化降低系統重量和成本，包括轉動樞軸、支撐組件等，采用耐磨非金屬材料進行替代， 或通過結構設計對包括電機極槽比、齒槽比與裂比等進行多重優化，從而提高單臺電機材料用量， 此種方式多為日韓等電機企業采用。

國產電機的峰值和連續功率離*水平仍有相當的差距(kW/kg)

核心零部件國產化將大幅降低電控系統成本

電機控制器作為整車驅動系統的zui重要組成部分，主要由逆變器(主要是 IGBT 功率模塊)、逆變驅動器、電源模塊、中央控制模塊、軟啟動模塊、保護模塊、散熱系統信號檢測模塊等組件組成。其中， IGBT 模塊作為核心高壓控制開關組件， 其成本占據電機控制器成本的 40-50%； 據行業統計， IGBT 器件占據新能源汽車整車成本的 10%左右。 因此， 作為新能源汽車核心零部件， IGBT、 DSP 等核心元器件的成本直接決定了電機控制器等總成的成本下降空間。

IGBT 在電動汽車中的應用與變頻器國產化已經初步完成、 國內品牌*反超國外品牌的情況不同的是， 目前IGBT 芯片和模塊在國內尚未*形成產業布局， *仍與外資品牌存在較大差異。 國內 70%以上的 IGBT 器件市場，尤其是高功率半導體依然主要被英飛凌、 三菱、仙童、 東芝、富士、SEMIKRON、 Sanken、 IXYS、 ST 等美日企業占據， 比亞迪、中車時代電氣等企業通過自建或收購海外 IGBT 產能分享了剩余的市場。

電機控制成本拆分

隨著電動汽車電驅動系統向高調速范圍、高功率密度(包括高速和高轉矩密度)、輕量化、率、能量回饋、高可靠性和安全性及低成本等方向逐步演進， 電機、電控、 BMS 等總成對于高功率半導體開關器件的應用將越來越廣泛。

2015 年中國 IGBT 市場國內和國外品牌市**

此外，高鐵調速系統、柔性直流輸電、風電/光伏逆變器、充電樁直流模塊等領域都將對 IGBT 及其模塊化產品有大規模的需求，預計十三五期間僅新能源車及充電樁市場即可帶動每年 IGBT 需求達 200 億元左右。在下游市場的刺激下，國內 IGBT 產業已經出現加速擴張態勢，華潤上華、中芯、宏力半導體、華虹 NEC 等企業紛紛加速產能建設，高壓和超高壓、中大功率 IGBT 期間有望在市場規模擴大的同時實現價格持續下降。

2014 年中國 IGBT *排名

根據行業統計，國產 IGBT 比進口器件的成本可下降 15-20%，且仍擁有 30%以上的毛利率，隨著 IGBT 價格的進一步下降，電機和控制器的成本也將隨之下降 20%以上。

電機電控企業發力在即， 百億藍海市場尚待開發。

2016 年 12 月，國家批復與公布了《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、車分別達到 13 萬、 40.8 萬、 12 萬輛，其中乘用車和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*，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。

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