新能源汽車驅(qū)動電機主要技術(shù)路線對比

新能源汽車“大三電”驅(qū)動系統(tǒng)包含驅(qū)動電機、電機控制器和減速器。驅(qū)動電機的主要功能是為新能源汽車提供動力，將動力電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能，主要構(gòu)成包括定子、轉(zhuǎn)子、殼體、結(jié)構(gòu)件；電機控制器的主要功能是將來自動力電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，根據(jù)整車控制指令來控制驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)，主要構(gòu)成包括功率半導體、控制軟件和傳感器；減速器也被稱為傳動系統(tǒng)，主要功能用來降低輸出轉(zhuǎn)速，提高輸出扭矩。?

新能源汽車“小三電”電源系統(tǒng)包含車載充電機（OBC）、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和高壓配電單元（PDU）。車載充電機的主要功能是為新能源汽車動力電池進行充電，主要構(gòu)成包括 PFC 電路、隔離 DC/DC 和低壓輔助電源；車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的主要功能是將新能源汽車動力電池組的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，主要構(gòu)成包括主控板、功率器件和電感；高壓配電單元的主要功能是負責新能源車高壓系統(tǒng)解決方案中的電源分配與管理，主要構(gòu)成包括銅排、繼電器、熔斷器、預充電阻、電流采集器等。

資料來源：英搏爾、精進電動、招商銀行研究院?

上圖：新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)功能介紹

關(guān)于電機

永磁同步電機成為主流，扁線油冷是技術(shù)發(fā)展方向?

驅(qū)動電機是電驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件，其主要功能是將動力電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為新能源汽車提供動力。驅(qū)動電機利用電磁感應原理，利用通電線圈（定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用轉(zhuǎn)子，形成磁電動力，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩驅(qū)動車輛行駛。新能源汽車技術(shù)路線主要有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機四種，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度成為衡量電機性能的關(guān)鍵指標。直流電機由于缺陷較多，已經(jīng)逐步被市場淘汰。開關(guān)磁阻電機擁有較高轉(zhuǎn)矩脈動，但振動和噪聲較大，主要運用于商用車。在乘用車領域，目前主要采用永磁同步電機和交流異步電機。

上圖：驅(qū)動電機主要技術(shù)路線對比

永磁同步電動機性能優(yōu)異，已成為新能源汽車的主流選擇。交流異步電機是由定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，最終驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。交流異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比定子轉(zhuǎn)速要慢，轉(zhuǎn)子和定子形成異步運行。永磁同步電機與交流異步電機的主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電機在轉(zhuǎn)子上放置永磁體，由永磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，省去了勵磁電流或者感應電流的環(huán)節(jié)，定子的旋轉(zhuǎn)磁場會拉動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。從性能上看，永磁同步電機在瞬態(tài)仍然可以保證較高的效率，同時有著更大的功率密度，適用于頻繁起停的工況以及較小的乘用車布置空間。?

永磁同步電機占據(jù)乘用車裝機量的 90%，交流異步電機在高端車型雙電機配置下有部分使用。從裝機量看，永磁同步電機憑借性能優(yōu)勢已占據(jù)新能源乘用車絕大部分裝機市場；交流異步電機在高速場景下性能更優(yōu)，主要作為高端車型雙電機配套方案。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 1-7 月，我國新能源乘用車配套驅(qū)動電機 279.6 萬套，其中永磁同步電機 250.2 萬套，占比 89.5%；交流異步電機 9.1 萬套，占比 3.3%。交流異步電機配套高端車型包括特斯拉Model 3、特斯拉 Model Y、蔚來 ES 6、蔚來 ES8、奔馳 EQA、奔馳 EQB、大眾ID4.X、大眾 ID6.X 等。?

電機市場集中度略有下降，整車廠獨占鰲頭，第三方供應商競爭激烈。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 H1 我國新能源乘用車驅(qū)動電機搭載量為 231.8 萬套，同比增長 129.3%。由于新能源整車市場火爆，驅(qū)動電機市場新進入者較多，TOP10 供應商市場占有率從 2020 年的 81.6%下降到 2022 年 H1 的 75.6%。

2022 年 H1 我國新能源乘用車驅(qū)動電機 TOP10 供應商為比亞迪、特斯拉、方正電機、日本電產(chǎn)、匯川技術(shù)、蔚來驅(qū)動科技、上海電驅(qū)動、聯(lián)合電子、巨一動力、雙林汽車。其中，比亞迪和特斯拉依靠整車銷售優(yōu)勢市場份額持續(xù)擴大；第三方供應商競爭激烈，方正電機穩(wěn)定占據(jù)市場第三，其他供應商競爭優(yōu)勢不顯著。

上圖左：2022年4-7月新能源乘用車驅(qū)動電機裝機量

上圖右：2022年H1新能源乘用車驅(qū)動電機市場份額

持續(xù)提高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，扁線、油冷成為電機主要技術(shù)發(fā)展方向。驅(qū)動電機其性能和效率直接影響整車的功率、扭矩和可靠性。隨著電機技術(shù)的不斷進步，在電機繞組形式、電機冷卻方式上出現(xiàn)多種技術(shù)革新，其中扁線繞組、油冷電機成為主要的技術(shù)發(fā)展方向，具有高功率、高效率、散熱性能更好等優(yōu)點。?

扁線電機功率密度更高，滲透率快速提升。扁線繞組電機的顯著特點是定子繞組中采用截面積更大的扁銅線，提高電機槽滿率。與普通圓漆包線繞組相比，扁線繞組在相同的體積下，具有能量密度更高、電機效率更高、散熱能力更強、機械噪音和電磁噪音更小的特點。2020 年，全球新能源汽車扁線電機滲透率為 15%，我國扁線電機滲透率約為 10%。2021 年，隨著特斯拉、大眾、寶馬、比亞迪、蔚來等車企開始大規(guī)模換裝扁線電機，扁線滲透率大幅提升。

2022 年上半年，中高端新能源車型幾乎全部采用扁線電機，截至 2022 年 7月，我國新能源乘用車扁線電機滲透率達到 41%。?

油冷電機可進一步提升電機熱管理效率，配套扁線電機滲透率將持續(xù)提升。電機的功率效率受制于電機熱管理能力，提高電機冷卻散熱能力可提高功率密度，提升電機使用壽命。常用的電機冷卻方式包括風冷、水冷、油冷。風冷電機主要利用機殼外部的散熱鰭片，通過流動的氣流將熱量帶走，特點是體積小、重量輕，散熱性能相對較差。水冷電機采用電機機殼中增加水道的方式，通過熱交換將熱量帶走，特點是散熱好，已成為目前最主要散熱方式。油冷電機將水冷中的散熱介質(zhì)換成特種油品材料，特點是降溫效果好，尤其適合扁線電機場景，是未來主要發(fā)展方向。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 7 月我國新能源乘用車油冷電機滲透率達 27%，液冷電機滲透率保持在 60%左右。

上圖左：2022年4-7月新能源乘用車電機裝機量（繞組型）

上圖右：2022年4-7月新能源乘用車電機裝機量（冷卻類型）

關(guān)于電機控制器

以提升體積功率密度為核心，IGBT 和功率模組是主流解決方案?

電機控制器是電驅(qū)動系統(tǒng)的核心控制單元，將來自動力電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，根據(jù)整車控制指令來控制驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)。電機控制器主要由主控板、驅(qū)動板、功率器件、薄膜電容、電流傳感器等構(gòu)成，以高頻高功率模塊為核心，圍繞其進行硬件與軟件開發(fā)、電力電子設計、控制算法優(yōu)化，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、角度、響應時間的精確控制。?

電機控制器需要硬軟件緊密配合，提升體積功率密度是其核心目標。在硬件方面，電機控制器既要滿足車輛各項電氣性能指標，又要追求高功率密度和高性價比。硬件依賴高頻高功率半導體工藝技術(shù)，通過提升硬件電路設計能力、提供電磁兼容能力、提升散熱效果，最終實現(xiàn)電機控制器整體性能改進。

在軟件方面，電機控制技術(shù)普遍采用矢量變頻調(diào)速控制軟件。由于電機參數(shù)的差異，以及車輛運行時電機參數(shù)隨溫度變化較大，需要對電機參數(shù)通過軟件進行實時監(jiān)測并調(diào)整控制器的工作參數(shù)。通過對電機參數(shù)識別，才能精準控制電機，保證驅(qū)動系統(tǒng)的運行效率，減少系統(tǒng)發(fā)熱，增加行駛里程。電機控制器的核心指標是體積功率密度，過去十年電機控制器體積功率密度持續(xù)提升，從2010 年的基于 IGBT 的 11KW/L，到 2017 年基于 IGBT 的 22KW/L，到 2022 年基于 SiC 的 60KW/L。體積功率密度的快速提升，促進了新能源汽車實現(xiàn)爆發(fā)式增長。

上圖：電機控制器主要技術(shù)指標

電機控制器需求快速增長，市場集中度持續(xù)提升著。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 H1 我國新能源乘用車電機控制器搭載量為 231.8 萬套，同比增長129.3%。其中，TOP10 供應商市場占有率持續(xù)提升，從 2020 年的 69.9%提升到2022 年 H1 的 77.1%。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 H1 我國新能源乘用車電機控制器 TOP10 供應商為比亞迪、特斯拉、匯川技術(shù)、日本電產(chǎn)、陽光電動力、英搏爾、蔚來驅(qū)動科技、聯(lián)合電子、巨一動力、上海電驅(qū)動。其中，比亞迪和特斯拉依靠整車銷售優(yōu)勢市場份額持續(xù)擴大；第三方供應商匯川技術(shù)穩(wěn)定占據(jù)市場第三位。

上圖左：2020-2022H1新能源乘用車電控裝機量

上圖右：2022年H1新能源乘用車電控市場份額

在電機控制器成本構(gòu)成中，功率模塊占據(jù)重要地位。電機控制器主要構(gòu)成包括功率模塊、PCB 板、傳感器、殼體和控制軟件等，功率模塊性能對電機控制器產(chǎn)品可靠性及穩(wěn)定性影響較大，功率模塊有 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、MOSFET 功率場效應晶體管、SiC-MOSFET（碳化硅）等解決方案。以IGBT 解決方案的成本構(gòu)成來看，功率模塊占比約 37%，驅(qū)動電路占比約 12%，控制電路占比約 16%，殼體占比約 12%，電流傳感器占比約 5%，門驅(qū)動芯片占比約 4%。?

國內(nèi)供應商在功率模塊領域取得重大突破。功率模塊占電控成本比重最高，價格波動對電機控制器的成本影響較大，市場主要參與者為國外芯片巨頭。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，功率模塊市場主要供應商包括英飛凌、意法半導體、博世、德州儀器、安森美。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 H1 我國新能源乘用車功率模塊 TOP10 供應商為英飛凌、比亞迪半導體、斯達半導體、中車時代、意法半導體、安森美、博世、富士電機、博格華納、日立。其中，比亞迪半導體、斯達半導體、中車時代取得重大突破，成為國內(nèi)汽車功率模塊主要供應商，并快速擴大其市場占有率。

上圖左：電機控制器成本構(gòu)成

上圖右：2022年H1新能源乘用車功率模塊市場份額

IGBT 是目前最主流的功率芯片，SiC-MOSFET 是未來發(fā)展趨勢。電機控制器功率模塊主要采用 IGBT、Si-MOSFET、SiC-MOSFET 三種功率芯片。IGBT 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的新能源汽車領域，憑借性能和成本優(yōu)勢成為目前最主流的裝機功率芯片。Si-MOSFET 相對性能差耐壓低，更擅長小功率的電機控制器，主要應用于 AOO、A0 級車型，包括五菱榮光Mini、奇瑞 QQ、北汽大貓、朋克多多、東風風神 E70、東風小康 MINI、榮威Clever、寶駿 E200 等。SiC-MOSFET 具有高開關(guān)頻率、高效率、高功率密度等優(yōu)點，但目前成本較高，主要用于中高端 B 級、C 級車，包括特斯拉 Model Y、Model 3、蔚來 ET7、比亞迪唐 EV、比亞迪漢等。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 7 月，電機控制器功率模塊整車出貨中，IGBT 占比約 85%，Si-MOSFET占比約 12%，SiC-MOSFET 占比約 3%。?

功率模組是目前最主流的電機控制器功率器件封裝路線。功率芯片在新能源汽車中的應用可分為模組和單管并聯(lián)兩條技術(shù)路線。單管并聯(lián)方案采用IGBT、MOSFET 單管通過并聯(lián)來擴展功率的方式制作，單管成本顯著低于模塊，具備高性價比優(yōu)勢，缺點是工藝復雜、可靠性較差，主要應用于成本要求較高的 A 級以下車型，國內(nèi)匯川技術(shù)、陽光電動力、英搏爾均推出單管并聯(lián)的方案并實現(xiàn)量產(chǎn)。模組方案采用特定規(guī)格的標準化 IGBT、SiC-MOSFET 模組產(chǎn)品，優(yōu)勢是高度集成、可靠性強、降低系統(tǒng)設計復雜度，缺點是成本較高，主要應用于中高端 B 級以上車型。模組主要供應商是英飛凌、意法半導體等海外巨頭，上海電驅(qū)動推出了基于國產(chǎn)功率模塊的量產(chǎn)產(chǎn)品。根據(jù) NE 時代的數(shù)據(jù)，2022 年 7 月，電機控制器功率封裝類型出貨量中，單管拼接占比 19%，模組占比約 81%。

上圖左：2022年4-7月新能源乘用車電控裝機量（按功率器件類型）

上圖右：2022年4-7月新能源乘用車電控裝機量（按功率器件封裝形式）

關(guān)于減速器

單級是目前主流方案，多擋是未來發(fā)展趨勢?

配置減速器是新能源汽車的主流方案。減速器也被稱為傳動系統(tǒng)，主要由傳動零件(齒輪或蝸桿)、軸、軸承、箱體及其附件組成，一般安裝于驅(qū)動電機后方，或與驅(qū)動電機集成為“驅(qū)動+傳動”二合一集成產(chǎn)品。減速器的主要功能是降低輸出轉(zhuǎn)速，提高輸出扭矩。如果不配置減速器，電機輸出到車輪的扭矩太小，在爬坡等大扭矩場景難以滿足需求。為了提升車輪扭矩，選擇大扭矩電機又會導致價格極高、整車性價比較差的問題。從技術(shù)成熟度和成本兩方面因素考慮，電機配套減速器成為新能源汽車的主流方案。按照傳動等級分類，減速器可以分為單級減速器、兩擋減速器以及多擋減速器。由于電機具有與傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同的工作特性，無需增加多擋減速器，只需增加一個單級減速器或者兩擋減速器即可。?

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上圖：減速器主要技術(shù)特點和應用

單級減速器是目前純電動汽車的主要選擇。單級減速器憑借較高的傳動效率、豐富的可選資源、開發(fā)難度小、成本低等優(yōu)勢，不但可以滿足中小型新能源整車要求，也降低了選用電機的適配門檻。因此搭配單級減速器的解決方案，成為目前全球主流純電動汽車采用的方案。?

兩擋、多擋減速器有望成為未來發(fā)展趨勢。單級減速器在高轉(zhuǎn)速場景下，電機使用效率偏低，扭矩會急速下降。將單級減速器增加一擋，可使電機盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而達到降低損耗、提高續(xù)航里程的效果，兩擋減速器已經(jīng)成為純電動汽車的發(fā)展潮流。多擋減速器可以降低電耗，提升電動車的續(xù)航能力，成為插電混動車型的主要選擇。?

減速器市場集中度有所下降，整車配套企業(yè)占據(jù)領先優(yōu)勢。根據(jù) NE 時代的統(tǒng)計，2022 年 7 月我國新能源乘用車單級減速器滲透率達 77%，兩擋和多擋減速器滲透率在 23%左右。其中，TOP10 供應商市場占有率有所下降，從 2021年的 72.6%下降到 2022 年 H1 的 69.5%。2022 年 H1，我國新能源乘用車減速器TOP10 供應商為比亞迪、特斯拉、五菱工業(yè)、株齒、雙環(huán)傳動、青山變速器、麥格納、美橋、蜂巢傳動、上海變速器。其中，比亞迪、特斯拉、五菱工業(yè)依靠整車銷售優(yōu)勢占據(jù)前三；第三方供應商中，株齒成為領先者，穩(wěn)定占據(jù)第四位。

上圖左：2022年4-7月新能源乘用車減速器裝機量

上圖右：2022年H1新能源乘用車減速器市場份額

關(guān)于電源系統(tǒng)

多合一集成化成為行業(yè)趨勢?

新能源汽車電源系統(tǒng)也叫“小三電”，一般包括車載充電機（OBC）、車載DC-DC 轉(zhuǎn)換器和高壓配電單元（PDU），其主要功能提供動力電池組充放電、電能轉(zhuǎn)換及電能分配。?

車載充電機成為必配系統(tǒng)，可根據(jù)功率等級、電壓等級進行選擇。新能源汽車的充電方式主要包括交流電充電和直流電充電兩種。車載充電機主要應用于交流電充電方式的場景中，即通過交流電源給新能源汽車充電。當使用交流電充電時，由于動力電池輸入端口要求為直流電，需使用車載充電機將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；當使用直流電充電時，直流電可直接適配動力電池輸入端口，此時無需使用車載充電機。從整車廠的角度而言，為滿足用戶充電場景的多樣性，車載充電機成為必配系統(tǒng)。從功率等級看，可分為 3.3kW、6.6kW、11kW、22kW，其中 6.6kW 雙向充電機將是主流配置，11kW 和 22kW 將成為中高端車型選配。從電壓等級看，可分為低壓、中壓、高壓平臺，200V-500V 中壓平臺仍是主流，700V-1000V 高壓平臺將成為中高端車型選配。

上圖：新能源汽車不同充電方案對比

車載充電機市場集中度有所提升，以第三方供應商為主。車載充電機市場高度集中，市場競爭格局將持續(xù)優(yōu)化，頭部供應商競爭力持續(xù)增強。根據(jù) NE時代的數(shù)據(jù)，2022 年 H1 新能源乘用車車載充電機裝機量 2,083,407 套。車載充電機市場集中度有所提升，TOP10 供應商市場占從 2021 年的 91.3%上升到2022 年 H1 的 94%。2022 年 H1，我國新能源乘用車車載充電機 TOP10 供應商為比亞迪、威邁斯、英搏爾、富特科技、特斯拉、欣銳科技、鐵城科技、科世達-華陽、華為、松下。車載充電機市場以第三方供應商為主，其中威邁斯穩(wěn)居第三方供應商首位。?

上圖左：2022年4-7月新能源乘用車OBC裝機量

上圖右：2022年H1新能源乘用車OBC市場份額

DC-DC 轉(zhuǎn)換器主要功能是新能源汽車電壓變換裝置。車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將動力電池高電壓側(cè)能量轉(zhuǎn)換為低電壓側(cè)能量，給全車低壓用電設備及低壓蓄電池供電。新能源汽車低壓用電設備運行時無法直接從高壓動力電池取電，而是從低壓蓄電池取電或通過 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從高壓動力電池取電；低壓蓄電池中儲存的能量亦是通過 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從高壓動力電池取電獲得。車載 DC-DC 按功率可分為 2KW 平臺、3KW 平臺和 5KW 平臺，其中 2KW、3KW 將是主流配置方案，5KW 平臺是中高端車型選配。車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器封裝方式包括水冷、風冷、自然風冷、模塊方式。

高壓配電單元主要功能負責新能源車高壓系統(tǒng)中的電源分配與管理。高壓配電單元為整車提供充放電控制、高壓部件上電控制、電路過載短路保護、高壓采樣、低壓控制等功能。高壓配電單元將動力電池的高壓電分配給電機控制器、驅(qū)動電機、電動空調(diào)壓縮機、DC-DC 等高壓用電設備，同時將充電接口高壓充電電流分配給動力電池用于充電。高壓配電單元具有水冷、風冷等散熱結(jié)構(gòu)。?

電源系統(tǒng)多合一集成化設計成為趨勢。隨著新能源汽車在電源系統(tǒng)上要求越來越高，將車載充電機、車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和高壓配電單元集成的產(chǎn)品逐步成為車載電源的主流方案。通過車載電源系統(tǒng)的集成，大功率、小型化、集成化、智能化、高性價比成為車載電源產(chǎn)品的發(fā)展方向。?

上圖：電源多合一集成設計是趨勢

編輯：黃飛

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