电驱动新技术和产业展望

第一汽车网 2024-01-08 人围观 ,发现0个评论

随着汽车的电气化、智能化发展,电驱动呈现出规模化趋势。

据盖世汽车研究院统计,2023年前10月驱动电机的装机量达到638万套,同比增加44.2%。其中,TOP10企业的占比接近80%,弗迪动力装机量第一,占比超过1/3,达到217万套,与特斯拉、日电产、联合电子和蜂巢传动位于前五。

对此,2023年12月14日,在第四届汽车电驱动及关键技术大会上,盖世汽车研究院高级分析师王健表示:“结构紧凑、更利于整车布置的三合一电驱动系统已成为主流产品,2023年前10月国内乘用车市场三合一电驱动系统配套份额53.8%,多合一产品正加速量产。同时,产业正在加速全面扁线化2023年前10月,扁线电机的渗透率约为79.6%,成为A0级及以上车型的应用主流。”

王   健 | 盖世汽车研究院高级分析师

以下为演讲内容整理:

电驱动市场现状

驱动电机装机量持续攀升,弗迪动力断层式领先。随着新能源汽车行业的持续发展,电驱动市场也不断扩大。据盖世汽车统计,仅前十个月,驱动电机的装配量已达到638万套,同比增长14.2%,电驱动赛道正在规模化发展。

在市场格局方面,比亚迪作为行业龙头,其自研自产的弗迪动力目前处于市场的领先地位。

图源:演讲嘉宾素材

三合一电驱动系统是市场主流,多合一产品加速量产。集成化是当前电驱动发展的重要方向。在过去几年中,三合一的集成方案已成为主流。然而,多合一的产品在市场上也开始占据一席之地,前十个月的市场占比达到了10.8%。从数据中我们可以看到,多合一的产品主要应用于A0级相关车型,其背后的驱动力主要是成本降低。例如,比亚迪弗迪八合一的多合一产品在市场上处于领先地位。

产业正在加速全面扁线化。提高槽满率以提升电机效率是当前的重要趋势,扁线化正是满足这一需求的市场方案。前十个月扁线电机的装机或渗透率已达到79.63%,预示着未来整个产业将向全面扁线化发展。从车型搭载情况来看,中高端车型的扁线化率越来越高,除了A00级车型仍以圆线电机为主。

新一代电驱动系统基本上已切换至油冷电机方案,B级车渗透率最高。在冷却方案方面,油冷方案正逐渐受到青睐。据统计,约三分之一的电驱动系统采用了油冷电机方案。从车型分布来看,A级、B级车以及C级车的油冷应用趋势较为明显,而A00级车则以风冷为主。值得注意的是,在下一代电驱动或新型电驱动上,大多数车企和供应商都倾向于采用油冷方案。

100-150千瓦峰值功率的驱动电机应用广泛。在功率方面,电驱动的功率分布呈现出多元化的特点。目前,大多数产品集中在60-200千瓦的区间,其中100-150千瓦的市场处于绝对的主流地位。具体到不同车型的应用,30千瓦的功率主要应用于A00级车,而60千瓦以下的功率在A00轿车、A0的SUV和轿车上应用较多。值得一提的是,领跑T03是一款具有代表性的车型,其驱动功率为80千瓦。

图源:演讲嘉宾素材

在A0级车型上,我们发现有近200千瓦的峰值驱动功率的应用,以Smart车型为代表。这为我们提供了一个思考的角度:未来汽车出海时,尤其是在那些道路狭窄且对动力诉求强烈的海外市场,如欧洲,我们需要对这一趋势进行深入理解和关注。这也解释了为什么Smart车型在中国市场表现优秀——作为全球化车型,它不仅在中国制造,还能向欧洲反向输出。对于计划进行海外出口的企业,这是一个值得关注的重点。

20000rpm以上高转速电机加速推出。近年来,电机转速从15000、18000转提高到20000转以上。据不完全统计,今年新推出的电驱动产品大多瞄准了20000转高转速的目标进行开发。这一变化不仅提升了性能,还为新能源汽车的快速发展打下了坚实的基础。

功率模块国产替代加速,SiC市占率为9.3%,中高端车型是搭载的主力。在新能源汽车应用端,功率模块的应用场景日益丰富,尤其是主驱碳化硅的应用成为了重要的研究方向。这主要得益于主机厂推出的快充相关车型或800V相关平台车型的需求推动。在这样的背景下,碳化硅在车上的应用得到了优先考虑。

图源:演讲嘉宾素材

基于当前的市场情况,2023年前10月碳化硅在市场中的应用比例约为9.3%。目前,800V车型主要集中在B级车市场,而碳化硅的应用主要集中在20-35万及B级车相关产品上。然而,碳化硅的成本相对较高,为了实现800V快充产品,需要整个平台高压化,这会导致成本的快速上升。因此,目前在20万以下的相关车型中,很少看到800V的快充能力。

此外,我们不能忽视IGBT和MOS供应商格局的变化。目前,英飞凌是主要的IGBT供应商,但以比亚迪为代表的国内自主相关的功率模块供应商正在快速崛起。

四驱比例提升明显,中高端BEV和REEV是前后双电机搭载主力。从2022年和2023年前十月的对比数据中可以看出,四驱的比例明显提升,占比达到14.7%。四驱产品在BC级轿车和SUV上有着广阔的发展和应用前景。在四驱的实现方式上,永磁同步+感应异步+双永磁同步都有应用,其中永磁+异步的比例稍高一些。

电驱动产业趋势及新技术

主机厂自研自产的趋势明显,但多样化供货渠道仍是主流。近年来,主机厂自研的趋势愈发明显,这一趋势其实在早几年就已经初现端倪。尽管主机厂在自研方面有所动作,但对于第三方供应商来说,仍然存在大量的市场机会。

图源:演讲嘉宾素材

以下有几个方面可以供大家深入探索:

一是可借鉴传统发动机的发展经历。供应商可以专注于核心部件和核心系统方案的研发。此外,在四驱赛道上,感应电机和永磁同步电机的组合方案目前占据了超过一半的市场份额。这意味着在感应电机领域,供应商仍有一定的市场机会。最后,供应商还可以考虑在超大功率领域寻求发展机会。从市场应用来看,200千瓦以上的电驱动系统是当前相对较少涉及的功率段,因此为供应商提供了潜在的发展方向。

我的主要结论是,尽管主机厂正在加强自研,但自研的主要目的是为了降低成本并实现系统的可控性。最终,市场化的竞争将促使主机厂寻求性价比最优的解决方案。对于供应商而言,提供具有极致性价比的解决方案将成为未来发展的不错选择。

超高效率、高功率密度、高压化、低碳化和低成本是发展方向。追求效率是永远不会过时的趋势。此外,如何将系统做得更小型化并提高功率密度也是关键的发展方向。在纯电动平台上,800V高压化的趋势非常明显。同时,随着双碳目标的推进以及中国进入欧洲市场面临的碳贸易壁垒,产品的低碳化成为行业关注的焦点。目前,70%-80%的碳排放来自制造环节,未来如何在这一环节实现减排是行业需要解决的重要问题。

为了实现高效率和高功率密度,技术路线主要聚焦于集成化。主机厂或以主机厂为核心的供应商更倾向于开发多合一的相关产品,掌握度相对较高。而以供应商为代表的当前技术路线则主要集中在三合一的产品上。此外,高转速、油冷、扁线电机以及碳化硅的功率模块都是行业公认的重要技术路线。

轴向磁通电机有望加速分布式驱动的落地。今年产业内热议的话题之一是轴向磁通电机。这一技术并非新鲜事物,但它的优势在于能够使轴向尺寸更短,从而显著提高功率密度。未来应用前景方面,轴向磁通电机可以作为分布式轮边电机或轮毂电机的理想选择。对于传统的混动车型,PHEV产品的市场接受度正在逐渐提高。目前,许多自主品牌对PHEV的关注度、布局度和投入度都在大幅增加。因此,轴向磁通电机在PHEV的动力系统中具有广阔的应用前景,特别是在前舱空间有限的场景中。

欧美企业正在加速推动电励磁电机的量产。刚才我们讨论了低碳发展的重要性,以及如何通过减少稀土或采用无稀土方案来解决转子制造过程中的碳排放问题。如今,欧美地区已经成为无稀土方案的主要推动者。这背后的原因主要有两个:一是对于稀土资源的担忧,担心未来的供应不足;二是希望减少对国际环境的影响,确保产品的持续供应。因此,宝马、法雷奥、纬湃科技等知名企业都推出了无稀土电机的产品。特斯拉也在其第三届展望中宣布下一代电机将采用无稀土方案。

碳纤维包覆转子有望成为高速电机的选择。对于高速电机,我们面临的一个重要问题是转子表面磁芯在离心力作用下的脱落问题,这对其可靠性产生了一定的影响。目前,产业内的常见解决方案是采用碳纤维包覆的转子特斯拉、上汽以及一汽红旗都在进行相关的研发工作,有的正处于研发阶段,有的已经进入量产阶段。

新型定子绕组方案不断涌现。在提高电机效率方面,大家都在尝试不同的创新方案。首先,通过减少同线材料和焊点数量,可以进一步优化工艺并提高槽满率,从而改善系统电机的效率。此外,一些企业正在探索减少材料和焊点的创新方案,以进一步提高槽满率并改善系统电机的效率。这些创新有助于进一步提升电驱动系统的效率。

此外,我们看到了一些大胆的产业创新,如X-pin和采埃孚的编织波绕组和艺达电驱动的双层Hari-pin等。

定子油冷创新方案加快量产。关于油冷技术,仅仅从“油冷”这两个字中可能无法完全理解其背后的复杂性。油冷技术涉及油道的设计,以减少机油的损失并提高冷却效果。此外,电机的定转子温度分布不均匀的问题也是业界关注的重点。目前,针对定子油冷技术的创新性方案正在不断涌现,旨在实现更均匀的温度控制和进一步改善电机的性能。

SiC功率半导体模块的封装工艺向塑封、双面冷却、银烧结发展。目前,碳化硅是业界关注的热点之一。尽管大家目前采用的传统罐封封装方式在一定程度上发挥了作用,但这种方式未能充分发挥碳化硅产品的性能潜力。因此,业界正在探索新的封装模式,例如塑封和双面冷却技术。同时,铜支撑件或铜夹片等相关产品方案也被引入到碳化硅模块中以提高其性能和可靠性。在焊接层方面,银烧结和铜烧结等创新方案也在不断涌现,旨在进一步提高整个碳化硅产品的性能和可靠性。

功率半导体器件向模块化、低成本的方向发展。目前,一些企业正在基于功率半导体和整个产品进行创新。其中,有一家公司在上半年推出了逆变砖的方案,将电路驱动板、供电模块、水道智能冷却等相关组件集成在一个产品中,旨在适配200千瓦以下的HEV、PHEV、BEV等电驱动系统。

除了这种集成化的解决方案,在IGBT模块中进行逆导技术的实践,将IGBT芯片和二极管芯片进行集成化开发。最近,特斯拉宣布将在下一代产品中减少75%的碳化硅使用量。经过系统梳理和专家采访,我们认为有几个潜在的实现路径:

第一,提高电压平台至800伏。然而,碳化硅目前是平面型的,具有硬且脆的特性,供应商面临较大挑战。未来,高性能碳化硅可能会成为一种解决方案。

第二,未来重要方向之一是硅和碳化硅的结合。要实现减少75%碳化硅的应用,需要多种技术的组合,而不仅仅是单一技术。因此,我们呼吁行业内的各方发挥想象力,探索更多新的方案。这些创新将有助于降低电驱动系统的成本,对新能源汽车行业产生积极影响。

(以上内容来自盖世汽车研究院高级分析师王健于2023年12月14日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《电驱动新技术和产业展望》主题演讲。)

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