电动汽车电机控制器国内外发展现状

电动汽车驱动电机与电机控制器国内外发展现状

1、国外驱动电机在新能源汽车上的应用

电机方面：

全球范围看，有刷直流电机、一般同步电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长，产品更新换代不断，迄今还在应用。上世纪80 年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与1990 年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场，并在电动汽车与混合动力汽车上获得应用。

根据电动汽车、混合动力车车型的开发应用年代，日本的产业水平与市场偏好，成本核算等方面考虑，先采用感应电机，而近几年来在批量生产的日本电动汽车车型上以采用永磁同步电机为主流。

近年来美、欧开发的电动汽车多采用交流感应电机。其主要优点是价格较低，性能可靠；缺点是起动转矩小。日本近年来问世的电动汽车与新型混合动力车大多采用永磁电机。其主要优点是效率比交流感应电机高，但价格较贵。永磁材料耐热温度低于120℃，而开关磁阻电机(SRM：Switched Reluctance Motor)结构新型、简单、起动性能好，无大的冲击电流，但噪声大。

驱动电机系统的驱动方式与控制方面：

车辆的电机驱动系统的驱动方式可分为集中驱动与车轮独立驱动。集中驱动结构简单，可以沿用内燃机汽车的部分传动装置，是目前应用最多的电驱动方式，容易处理电机冷却、防振以及电磁干扰等问题。但是集中驱动传动系统复杂、传动效率低，不能对两侧驱动轮转矩进行单独控制，影响车辆的操纵稳定性。

车轮独立驱动的范例是三菱汽车公司应用开发的轮毂电机电动汽车，和日产汽车公司开发的轮毂电机电动汽车。

车轮独立驱动的优点是简化传动系统，布置方便；由于每个电机可以单独控制，能实现车轮驱动力的单独调节和施加横摆力矩控制，容易实现车辆底盘系统的电子控制，改善车辆驱动性能和行驶性能。但轮毂电机驱动系统会使车轮质量过大，对于整车动力性能造成影响，还可能带来其它问题，如电机散热、防水、防尘难度大等。

正因为上述问题，三菱在推出新一代电动汽车“iMiEV”时，不再采用轮毂电机，仍采用集中驱动系统，驱动电机采用永磁电机。

至于电机驱动系统的控制，涉及到电压波形与调制率控制、矩形波电压相位控制、直流电流失调反馈(DC offset feedback)控制，与可变电压系统控制。此外，在电机控制的硬件方面，例如混合动力车用电机控制在100us 程度的抽样周期中必须进行多项控制计算，再加上保险失效处理功能(fail safe)，其编制程序极其繁复。

从驱动系统的实际应用中，因为仍以传统的集中驱动方式作为主流，而永磁电机由于其优点突出，在日本纯电动汽车与混合动力车上得到更多应用。而从成本角度来看，采用集中驱动可以尽可能沿用基型车的车身和悬架而降低成本，往往比采用轮毂电机驱动系统成本低。而iMiEV 纯电动车采用传统的集中驱动系统，即驱动方式通过减速器、差速器、驱动轴把电机输出扭矩传递到左右车轮，驱动车辆行驶。

2、国内驱动电机行业现状

电机业中的小行业、但制造门槛高

作为电机行业的细分领域，电动汽车驱动电机是一个小行业。主要是由于市场处于起步

阶段，这一行业总体上规模不大，但门槛不低，驱动电机作为电动汽车的能量转化工具，必须具有高效率、高适应性。由于受到空间和整车售价的限制，电机的高密度、小型化、轻量化、低噪声和低成本也显得至关重要。电动汽车驱动电机输出1kw 只需0.6kg 重量，这是一般电机不可想象的。这就要求企业采用强制水冷结构、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速以及超短端部长度绕组等技术，使电机小型轻量化。此外，由于车辆振动及发动机的高温环境，车用电机处于振动大、冲击大、灰尘多、温湿度变化大的恶劣条件下运行，车用电机必须适应环境，使车辆稳定、安全运行。

专业电机企业数量少、高新企业居多

我国电动汽车驱动电机生产企业全国有30 多家，多数企业规模小、实力还较弱。驱动电机是新兴的电传动行业的一个分支，新兴的高新技术企业是这一行业的主力军之一，它们一般依托于高校或者科研院所，具有较强的技术水平，但由于成立不久，这些企业大多实力较弱，融资渠道单一，生产能力不强。

我国人力资源丰富，具有丰富的稀土资源，为电机业的发展提供了很好的环境。我国车用电机在全球资源条件下具有明显的比较优势，较易进人全球分工体系，如果引导得力，我国驱动电机完全可以发展成具有中国特色道路的优势产业。但从行业现状看，这种资源优势并未充分发挥出来。目前，除了新成立的高新企业外，我国有相当一部分驱动电机企业是由传统电机制造商转型而来。我国拥有数量庞大的电机企业，其中很多企业具有成熟的技术工人，较好的制造能力和一定的研发能力。但这些企业在驱动电机领域尚处于起步阶段，而且很多企业采取观望态度，试一试的心态很普遍。

外资电机企业虎视眈眈

如博世、大陆、SKF、日立、富士、三菱电机等企业目前仅向我国出口电机，暂未在我国生产驱动电机。但在首批上市的新能源汽车中（尤其是混合动力客车），外企电机企业仍迅速抢占市场抢夺了批量订单，国外供应商的进人，对于本土企业来说是一大挑战。

新技术层出不穷、产业化较慢

在“863 计划”项目的支持和推动下，我国驱动电机技术进步较快。目前，比较常见的两类是永磁电机和异步电机。部分企业、研究单位和高校还对一些新原理的电机系统，如基于双机械端口电机的电力无极变速系统（EVT），混合励磁电机系统等进行了探索。我国在一些驱动电机共性基础技术上，如满足各种整车封装需求的电机转子位置传感器、绝缘材料和永磁材料技术取得了突破，并在已经上路的电动汽车上得到了良好应用。

虽然我国驱动电机新技术层出不穷，在有些关键技术上也取得了突破，但总体而言我国驱动电机产业化进程较慢。做出样机的企业较多，有的也进行了台架试验和装车，但能够实现批量供货的企业较少。

我国存在驱动电机产业化优势

我国是电机制造及应用大国，有较好的工业基础。但对电动汽车用电机，起步时间不长，尚需要从汽车应用的角度入手，整车厂与电机厂共同携手研究制造出满足汽车专用电机。

我国人力资源丰富，具有丰富的稀土资源，为电机业的发展提供了很好的环境。我国车用电机在全球资源条件下具有明显的比较优势，相对较易进人全球分工体系。

突破产业化瓶颈尚需时日

电动汽车驱动电机要真正实现产业化，还有很长的路要走。目前主要有以下瓶颈：1）

电机转矩密度、功率密度、效率、寿命等综合性能有待进一步提高；2）产品可靠性、生产一致性不高。很多企业生产的样机质量不错，但是一上批量，就会出现问题，这与企业的工艺水平不高有很大关系。3）成本过高。这一方面要求企业提高技术水平，另一方面要求企业提高生产能力。只有达到一定批量，单台电机价格才能真正降下来。

我国在稀土永磁电机领域具有明显的竞争优势（主要是稀土资源、人力丰富），然而产品可靠性、耐久性和工艺水平需要进一步提升。更为重要的是，我国在电力电子模块等关键零部件领域开发与供货能力尚较弱。

3、国内驱动电机系统差距与不足

国家863 电动汽车重大专项的实施以来，经过十多年的发展，电动汽车用电机系统研究进步较大，我国电机驱动系统基本功能和性能方面已接近国际先进水平，但产品对汽车用环境的适应性不足，产业化之路还存在较多瓶颈。

目前我国车用驱动电机系统尚需提高的地方：

产品一致性、可靠性与汽车业使用要求尚有差距

国内电机驱动系统的可靠性及耐久性尚未得到充分验证，和汽车行业的严格要求还有一定差距。由于我国新能源汽车在示范运行阶段，产量不大，因此造成在制造工艺方面也有很大差距。手工绕线圈、手工装配等传统落后工艺比之国外自动生产线大批量生产，其产品生产一致性差，而导致可靠性差。

动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够

以电机控制器为例，我国驱动电机的集成度水平尚处于丰田第一代和第二代之间(大约在2000 年左右)。与当今的丰田第三代相比较，主要存在以下差距：

1）机电一体化集成度不够。丰田已经把电机与变速器有机地集成在一起，从而可以通过调整速比进一步优化电机的输出功率和尺寸。我国则受制于变速器的工业设计、制造能力，从而造成这方面进展比较缓慢。尤其没有合适的速比可达10∶1 的电机减速器。

2）丰田利用其整车制造能力，改进传统电机和电力电子产品的制造能力。如丰田的第三代系统在控制器的散热方面利用了很多汽车散热器技术，开发出了一套高性能的散热系统，从而提高了集成度。

3）丰田通过采用不同的电力电子技术来改变传统电机控制系统的构造，使得系统的效率进一步提高。如在丰田第二代的THS 双电机系统中，引进了一个大功率的DC/DC 转换器，使电机的母线电压和蓄电池的母线电压可以分开。这样一方面把电机的母线电压从300V 逐步提升到了500V，甚至到650V，从而大大提升了电机系统的输出功率；另一方面解决了提升蓄电池的电压，势必增加单体电池串联的个数，从而有可能降低了蓄电池系统可靠性的问题。

丰田之所以能够在比较短的时间内连续推出三代产品，就是因为有了一定规模的销售，使其能够很快积累了实际应用中出现的问题，并加以改进。

尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系

虽然具备了小批量供货的能力,但产品通过TS16949 质量体系标准认证的还极少。我国的电机性能和试验标准大大落后于国外标准。同时试验设备缺少也是造成我国电机产品质量与国外有很大差距的原因。

4、政策扶持加快产业步伐

在2009 年 3 月国家颁布的《汽车产业调整和振兴规划细则公布》中，新能源汽车三年规模目标为“改造现有生产能力，形成50 万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。主要乘用车生产企业应具有通过认证的新能源汽车产品。”

中央财政对“13 城千辆”新能源公务车进行补贴，加大新能源相关配套设施建设。新能源汽车行业有望为中国汽车提供赶超国际汽车先进国的机会。

政策有利于国内新能源车关键零部件企业

在《规划》的“产业调整和振兴的主要任务”中提出“实施新能源汽车战略要推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块（电机、电池及管理系统等）的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技术。建立动力模块生产体系，形成10 亿安时（Ah）车用高性能单体动力电池生产能力。发展普通型混合动力汽车和新燃料汽车专用部件。”

如我们前文所述，与国外电机巨头企业相比，我国专门从事电机驱动系统的众多新兴企业规模小、起步较晚，在市场化竞争上处于劣势。

我们判断，后续新能源车扶持政策将更加偏向于扶持国内关键零部件企业，成为其与外资巨头抗衡的最有力武器。如目前针对新能源客车的补贴政策要求零部件的一定国产化率，外资配套商将以前采购自三菱、博世的电机订单转移了部分至国内企业。后期随着国家政策的细化，国内电机企业将面临更好的发展机遇。

新能源汽车政策扶持

2009年2 月《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》

2009年3 月《汽车产业调整和振兴规划》

2009年6 月《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》发布,“13城千辆计划”

2010年6 月《“节能产品惠民工程”节能汽车（1.6升及以下乘用车）推广实施细则》2010年6 月《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》

资料来源：平安证券研究所

驱动电机系统产业规模初探

新能源汽车及其关键零部件产业在国家相关政策扶持下快速成长，将带动相关投资机会：

1）混合动力车产业链：除了行驶系统、动力系统、车身系统将传统汽车产业链进行延伸以外增加了电池、电机、电控系统等组件组成的新能源动力系统；

2）纯电动汽车业产业链：与混合动力相似，但去掉了传统的发动机、油箱等组件，汽车的行驶能量完全由电池组储能提供，因此对电池储能规模、电机功率大小的要求比混合动力汽车更大，但其结构上更为简单。

电机驱动系统是最可能进入整车企业内部体系的部件。

目前大客车电机驱动系统均价在20 万元以上，国内新能源客车中电机驱动系统占整车售价比例超过1/5—1/6，轿车电机驱动系统均价约 3 万—5 万不等，我们按照产业规划中的新能源汽车规模目标测算，电机驱动系统将在3—5 年内形成200 亿—300 亿产值的产业规模。