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中金公司:电驱动或成下一个万亿赛道

新能源汽车电驱动系统单车价值量超万元,全球市场空间超万亿元,有望成为继动力电池系统之后的第二个长坡厚雪赛道。电驱动系统的单体部件优化和集成化是发展方向,我们看好独立第三方电驱动系统供应商快速崛起的机会,建议关注具有技术领先优势和快速迭代能力的企业。

文丨中金公司

电驱动系统成为下一个长坡厚雪的万亿赛道

替代“发动机+变速箱”,电驱动系统成为整车核心系统

电动化是未来,电驱动系统成为整车核心构成。汽车产业正在发生百年变革,电动化是趋势,也是智能化、网联化等技术进步的基石;汽车动力来源从最开始的蒸汽驱动,到内燃机驱动,再到目前电力驱动的新能源汽车。不论采用何种电动化技术路径(纯电动、插电混动、增程式等),不论使用何种动力电池(磷酸铁锂、三元、燃料电池等),每辆新能源汽车都需要电驱动系统实现动力输出与控制,电驱动系统逐渐成为汽车的核心系统之一。

图表1:汽车动力模式的演进路径

资料来源:中金公司研究部

从燃油车到电动车,整车动力零部件发生了深刻变化。燃油车的心脏“发动机+变速箱”,被“电机+电机控制器+减速器”取代。由于电机工作的高效区覆盖范围远优于内燃机高效区范围,以及电机本身的驱动特性等,减速器仅需单档/双档即可实现燃油车多档变速器的输出特性。电池包取代油箱后,相应也增加了电子电气控制模块,诸如:车载充电机(OBC)、直流转换器(DC/DC)、整车电压分配单元(PDU)以及电池管理系统主控模块(BCU)等。

图表2:整车驱动系统演进对比与电驱动系统企业生态构成

资料来源:华为官网,威迈斯官网,电动邦,中金公司研究部

动力体系升级,电驱动系统优化快速推进

电池对油箱的替代只是整车智能化、电动化演进的基础,而电驱动系统对发动机、变速箱的替代,才是整个动力体系升级的核心。驱动电机作为驱动单元有许多优点,比如零起特性、电能/动能双向转化特性、宽范围的恒功率调速特性、广域的高效万有特性、安静平稳的运转品质等。目前市面上同价位的燃油车和新能源车,驱动电机相较于发动机,在输出功率、最大扭矩、百公里加速等性能指标的优势非常明显。以特斯拉Model Y四驱版本为例,其百公里加速仅需3.7秒,最高车速达250km/h。

图表3:不同价位燃油车与纯电动车的动力性能参数对比

资料来源:汽车之家,中金公司研究部

永磁同步电机系统是趋势,双电机布置占比上升。目前市场上的新能源车型,不论是纯电动、插电混动还是增程式,基本都配置了永磁同步驱动电机。单驱动电机多见于低配版车型,纯电动车将驱动电机前置或后置,混动车型一般将驱动电机前置。双驱动电机一般为高配版车型,纯电动、插混和增程式都涉及,前后各部署一个驱动电机,其中永磁同步驱动电机的占比在迅速上升。我们认为,随着行业对车辆动力性能的不断追求,双电机车型的市场占比或将进一步上升。

图表4:主要量产新能源车型的电机系统性能参数对比

资料来源:汽车之家、中金公司研究部

终端市场的销量是主机厂的核心目标,而终端消费者对最高车速、爬坡性能、加速性能等车辆性能的追求是持续的。具体到新能源汽车驱动系统,就是对高转速、大扭矩、高功率密度的追求。电驱动系统的优化升级,主要有两个方向:

► 部件层面:以单体部件为目标进行升级优化,主要通过工艺改进、材料替代等实现。例如,永磁同步电机、扁线电机的应用,SiC元器件的应用等。

► 系统层面:以集成化为主,实现多部件融合的系统级改造、优化;例如,将电机、电机控制器、减速器、OBC、DC/DC、PDU等独立部件融合为“三合一”、“多合一”,并逐步从硬件融合,向电气融合、芯片融合演进。

继动力电池之后的又一个万亿元赛道

目前新能源车电驱动集成系统单车价值量超过1万元,我们按照全球汽车每年销量近亿辆的规模测算,新能源汽车电驱动系统将成为继动力电池之后的又一个万亿元市场。华为成立智能电动业务部,宁德时代公告成立电控系统合资公司,科技双巨头下场布局。2021年7月,按中汽协口径,新能源汽车当月渗透率达到14.5%,乘用车渗透率到达16.5%,创历史新高。我们认为主要系驱动力从政策补贴主导,转为供给端改善刺激 C 端市场释放带来,新能源车普及加速。同时,叠加新能源车型价格下降和续航提升带来的内生性增长,我们上调2021年新能源车销量预测至280万辆。我们预测2025/30年中国新能源汽车销量达到810/1,660万辆,电动化将催生电驱动系统成为继电池系统之后的第二个长坡厚雪赛道,预计2025/30年中国新能源汽车电驱动市场规模将达866/1,572亿元。

图表5:新能源汽车电驱动主要部件市场空间

资料来源:盖世汽车,公司公告,中金公司研究部

从主机厂的视角来看电驱动系统,集成化是将原有的多个独立部件通过重新设计、排布进行融合,相比于从各个部件自身的原理出发进行工艺和材料优化,通过集成化来提高驱动系统的效率,见效更快、操作性更强。集成化是目前主机厂和Tier1供应商优化新能源汽车电驱动系统的主要方式。本报告通过介绍电驱动系统的部件构成以及从系统集成化的视角进行研讨分析,梳理投资逻辑;部件层面的行业变革,我们将在后续的系列报告中详细呈现。

电驱动系统三大投资机会:集成化、工艺创新、材料弹性

电驱动系统的六大部件

驱动电机

驱动电机的主要功能是将电能转化为转子转动的机械能,并通过减速器向下传导,进而驱动车辆行驶。电机主要构成包括定子、转子以及传感器、连接件、壳体等,工作原理是电磁感应定律。在电动车行业的发展早期,直流电动机被广泛应用,但由于体积、过载能力、最高转速、维护成本等短板,直流驱动电机被行业淘汰,目前市场上新能源量产车型的驱动电机都是交流电机,有交流异步电机和永磁同步电机两种。

图表6:永磁同步电机构成图

资料来源:大众汽车官网,中金公司研究部

相比于交流异步电机,永磁同步电机在电机效率、功率密度、灵敏度、体积等方面具有优势,成为市场主流。以永磁同步电机为例,电机工作时,利用电机控制器输出的可变三相交流电,通过在定子上产生旋转变化的磁场,进而带动转子旋转,完成电能到机械能的转化,驱动车辆运行。

图表7:永磁同步电机(左)和交流异步电机(右)内部结构简图

资料来源:知网,中金公司研究部

电机控制器

电机控制器(MCU)是电驱动系统的核心控制单元,将来自动力电池的直流电转换成三相交流电,根据档位、油门、刹车等指令来控制驱动电机的运转。电机控制器主要由主控板、驱动板、功率器件、薄膜电容、电流传感器等构成。电机控制器是电驱动系统的核心。电机控制器的本质是集成电路,通过主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间等进行工作,它包含了大量的控制理论、滤波算法、空间矢量控制、PID控制器、传感器理论等核心技术。电机控制器的技术门槛高于电机单体,是电驱动系统的灵魂,我们预计其未来的系统地位和单车价值量将进一步提升。

图表8:华为电机控制器MCU

资料来源:华为官网,中金公司研究部

图表9:电机控制器示意图

资料来源:电动汽车资源网,中金公司研究部

减速器

减速器是位于驱动电机之后的传动装置,用来降低驱动电机轴的转速并增大扭矩,属于精密机械部件。减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、差速器、箱体及其附件组成。电驱动系统最简单的架构是电机直驱,但目前的技术水平要做出大扭矩、低转速、重量轻的电机,既贵且难;高速电机与减速器的组合,目前是行业主流方案。要实现电机高转速下的大传动比、小体积,对减速器的设计、制造水平等要求很高。转速在6000rpm-15000rpm之间的减速器,噪音、发热、密封、轴承等都是技术难点。以Tesla的Roadster为例,设计之初是“180kW电机+2档减速器”,最终因减速器质量问题被迫改用固定齿比减速器,为达到相同性能不得不将电机功率提到240kW。

图表10:减速器结构示意图

资料来源:驱动视界,中金公司研究部

车载充电机(OBC)

车载充电机的作用,是在交流充电时,将外界的三相交流电转化为直流电,为动力电池充电。新能源汽车的充电方式,分为直流充电和交流充电。OBC是涉及充电体验、效率和功率的核心部件,主要由PFC电路、隔离DC/DC和低压辅助电源构成。低压辅助电源用来在充电过程中给汽车电子电气系统供电。目前OBC功率主要有3.3kW和6.6kW两种,随着整车高压平台化、快充技术发展等,OBC在向更高功率发展。

图表11:车载充电机OBC

资料来源:欣锐科技官网,中金公司研究部

图表12:OBC结构示意图

资料来源:意法半导体,中金公司研究部

DC-DC转换器

DC-DC变换器(DC-DC Convertor)是将来自某一直流电源电压转换成任意直流电压的变换器。新能源车的DC-DC,它主要为车内的低压用电器(动力转向系统、空调等)以及低压蓄电池提供电能。DC-DC也是集成电路,主要由主控板和功率器件(IGBT、电感等)组成。

图表13:DC-DC 转换器

资料来源:欣锐科技官网,中金公司研究部

图表14:DC-DC电路结构图

资料来源:清研车联,中金公司研究部

高压配电单元

高压配电单元PDU(Power Distribution Unit),负责新能源车高压系统解决方案中的电源分配与管理。通过母排及线束将高压元器件电连接,为整车提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。结构上看,PDU主要由铜排、继电器、熔断器、预充电阻、电流采集器等构成。由于和整车电子电气布置密切相关,每个车型的PDU都有差异,难以成为标准品。PDU配置灵活,市场上主流方式有两种:一种是针对具体车型定制开发PDU产品;另一种是将PDU功能集成到其他零部件中,开发集成化产品。

图表15:电压分配单元PDU

资料来源:威迈斯官网,中金公司研究部

图表16:PDU电路结构图

资料来源:兆舜科技官网,中金公司研究部

电驱动系统集成化:架构演进必由之路,产业升级最快的剑

新能源汽车的续航问题被逐渐解决后,开始向整车智能化加速迈进。对于整车零部件厂商而言,软件定义汽车、软硬件解耦的发展节奏加快,硬件的集成化、平台化成为趋势。相比于独立部件的各自优化,系统层面集成的效率会更高。我们认为,对于电驱动产业的升级来说,相比于分部件优化,系统集成化将是见效最快的途径。具体到整车动力系统,原有的驱动电机、电机控制器、减速器从独立单体开始向“二合一”、“三合一”演进,称为驱动总成。与此同时,整车电压电控的相关模块,例如车载充电机(OBC)、DC-DC转换器、电压分配单元(PDU)等也开始向集成化发展,出现独立的“三合一”电源总成(OBC、DC-DC、PDU),以及与电机、电机控制器等融合的“五合一”、“七合一”等。

集成化的推动因素主要包括降低成本、提高效率、优化车企流程、智能化演进等:

► 多个独立部件的一体化,可以减少壳体铸件、连接件、线束的使用量,降低成本的同时,助力整车轻量化。

► 降低原有多个零散部件对于车身、底盘空间的占用,加之相应减少的车内线束连接,可以为车身、底盘的设计优化腾出空间。

► 一体化的紧凑设计,可以减少传输损耗,提高整个系统的效率。

► 车企可优化供应链管理,降低内部总装时间、售后服务、工位配套等成本,集成化也使整车开发和验证等流程加快。

► 硬件集成化,进而通讯接口的归一化,为整车电子电气架构从分布式向域控制、中央计算的演进铺路。

图表17:新能源车动力系统集成化发展趋势

资料来源:《全球新能源汽车供应链发展白皮书(2019)》,中金公司研究部

随着终端用户在成本、空间、效率等方面的综合要求持续提高,相关企业从分立部件供应商向集成系统供应商布局,以具备系统级别的设计研发生产制造集成能力,从而进一步提升企业的竞争力。

图表18:国内外电驱动相关企业的集成化布局情况统计

资料来源:《精进电动招股书》、中金公司研究部

“三合一”动力总成:电机+电机控制器+减速器

作为替代传统燃油车“发动机+变速箱”的部件,新能源车的电驱动系统对于整车性能与安全至关重要。传统电驱动系统包括三大部件:

► 驱动电机:将电能转化为旋转的机械能,输出动力;

► 电机控制器:基于功率半导体的软硬件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制。

► 减速器:通过齿轮组调节输出扭矩,保证系统持续运行在高效区间;

图表19:新能源车驱动系统三大传统独立部件

资料来源:驱动视界,中金公司研究部

在电驱动系统集成化方面,最早先采用“二合一”(电机+减速器),代表车型是雪佛兰Bolt。随着一体化设计的进步,“三合一”产品被从主机厂推动起来,以特斯拉、蔚来的EDS系统、比亚迪的“e”平台等为代表。2018年开始,搭载驱动系统“三合一”的整车开始大规模推向市场,如Model 3、蔚来ES8、比亚迪元EV360等。

图表20:蔚来的动力总成“三合一”EDS系统

资料来源:汽车之家,中金公司研究部

由主机厂推动起来的技术路线,对于零部件供应商具有较大牵引力。以特斯拉、蔚来、比亚迪为代表的主机厂自研动力总成“三合一”系统,其他大部分主机厂的驱动系统来自Tier1供应商。国外的博世、大陆、日电产、博格华纳、采埃孚、舍弗勒等企业,国内的汇川技术、精进电动、大洋电机、英搏尔、华为等企业,也陆续推出了多款三合一产品。

将电机、电机控制器和减速器集成在一起,可以减少壳体用料、线束和连接件等,从而减轻重量、降低成本;其次,部件的融合可以节省出宝贵的车内空间;集成化的动力总成“三合一”,在提高系统效率的同时,也为主机厂降低了供应商层面的管理成本、沟通成本,也减少了原有分散采购多个零部件的配套成本等。

随着集成化程度越来越深,动力总成“三合一”系统的外观也在发生变化。从原有的简单三件套拼接外形,向着一体化设计融合发展。电机和减速器作为动力输出模块,其内部的零部件和结构设计也在变化。为了提高传动效率,电机轴和减速器轴从分立走向一体化;电机转速提高后,对于轴和轴承的可靠度,以及电机内部的散热等要求都更加严格;而整车的高压化发展,也使得电机控制器的散热需求上升。为了增加散热,三合一系统的冷却方式从外部水冷,向双面水冷、内部油冷+外部水冷等发展。油冷主要是利用油泵,将减速器腔体内的油传输到电机腔体内,给电机定转子等部件降温。集成化三合一系统的散热水路需要重新设计,同时还要考虑与整车热管理系统的集成。

图表21:国内外主要厂商动力总成“三合一”驱动系统

资料来源:公司公告,公司官网,驱动视界、中金公司研究部

从动力总成“三合一”来看,系统核心是电机控制器和电机。电机控制器通过与车内信号系统、电机内传感器等交互,实时获取指令、输出策略并将其转换成控制电机运转的电信号,电机具体完成电能到机械能的转换。随着集成化程度加深,电机电控领域具有优势的企业,尤其是电控策略方面技术领先、迭代迅速的企业,更容易在竞争中取得先机。

电源“三合一”,电驱系统“多合一”迅速发展

回到整车架构的视角,与燃油车相比,新能源车除了电池系统、电驱动系统之外,还多了一套整车电压电流管理系统,主要包括OBC、DC-DC、PDU等组件。OBC、DC-DC、PDU被合称为“小三电”。相对于电机、减速器等动力部件的集成化,“小三电”同属于电压管理系统,又不涉及大的机械部件,因此其集成化更为迅速。目前市场上已经有非常成熟的电源总成“三合一”模块,将OBC、DC-DC、PDU融合在一起,代表企业如欣锐科技、威迈斯、得润电子、英威腾、富特科技、华为等。

图表22:新能源汽车总成部件结构图

资料来源:《欣锐科技招股说明书》,中金公司研究部

图表23:新能源汽车电源模块三大独立部件

资料来源:欣锐科技官网,威迈斯官网,中金公司研究部

动力总成“三合一”中的电机控制器,其作用是通过功率模组的有序开关,将直流电转换成三向交流电输出给交流电机,从整车架构的视角来看,它既是电驱动系统的控制器件,也是整车电压平台的核心模组。因此,动力总成“三合一”系统也开始向上集成,以电机控制器为依托,融合OBC、DC/DC、PDU等,出现系统总成“多合一”产品。

图表24:华为、英搏尔电源“三合一”、电驱系统“多合一”产品

资料来源:公司官网、中金公司研究部

以华为DriveOne“七合一”系统为例,为业内首款超融合架构动力域解决方案,将驱动电机、减速器、电机控制器、PBC、DC/DC、PDU、BCU(电池管理系统主控单元)七大部件集成在一起。其120kW系统的尺寸仅为410mm x 400mm x 330mm,整体质量75kg,峰值效率93%。

图表25:华为DriveOne“七合一”电驱动系统图示

资料来源:《电子工程世界》,中金公司研究部

图表26:动力总成 “三合一”、 电驱系统“多合一”产品参数

项目

资料来源:华为公司官网、汽车之家,中金公司研究部

电源“三合一”,相对于动力“三合一”来说,集成化更容易实现。OBC、DC-DC、PDU由主控模块、功率模块等构成,而这些模块均由IGBT、电感、电容、继电器等基础电子元器件所组成的。硬件层面公用基础元器件,系统层面同属于整车电压管控平台,使得OBC、DC-DC、PDU的电源“三合一”集成化进程非常迅速。与此同时,OBC、DC-DC、PDU与电机控制器的集成也在快速发展。

集成化产品市占率快速攀升,独立电驱动系统供应商势头渐起

新能源车辆销售数据显示,集成化电驱动系统的配套比例在迅速上升。根据NE时代数据,2020年新能源电驱动整体装机量为135.7万套,其中三合一及以上电驱动系统配套装机量达50.6万套,占比37.3%。2021年1-6月份,新能源乘用车电驱动装机量115.4万套,其中59.1万套的电驱动为三合一及以上产品,占比升至51.2%。

图表27:搭载“三合一”电驱动的纯电动代表车型

资料来源:易车网,新浪汽车,中金公司研究部

随着新能源车销量的迅速攀升,以及集成化电驱动的技术发展,独立电驱动系统供应商的产品装车进程加快。2021年H1“三合一”电驱动系统的Top10供应商中,特斯拉、比亚迪、小鹏、零跑等为主机厂,部分或全部自制;蔚然动力、上海变速器、蜂巢电驱动为主机厂体系内供应商;日本电产与主机厂有合资。独立电驱动企业的集成化产品迅速成熟且具有成本、性能等方面的优势,因此独立电驱动企业的多合一产品装车增加,如汇川、上海电驱动、联合电子、采埃孚等。以汇川技术为例,配套的新势力车型快速放量,订单爆发式增长,其新能源电驱业务在2020全年营收同比增长69%的基础上,2021年H1营收达9.08亿元,同比大增175%;“三合一”驱动产品的市占率进入全国前十。以英搏尔为例,其2021H1的新能源行业营业收入已超过2020年全年;分产品维度,其动力总成、电源总成的营业收入占比,从2020年的23%,提升至2021年H1的34%。

图表28:2021年H1国内乘用车“三合一”子市场电驱动装机Top10

资料来源:NE时代,中金公司研究部

产业链整合加速,主机厂自产体系与独立供应商体系将长期共存,天平向独立供应商倾斜

伴随近年来新能源汽车补贴退坡、低速电动车市场整治等大环境的变化,以及新冠肺炎疫情影响,电机电控行业内的中低端产能逐渐出清;叠加2020年至今的新能源汽车销量持续超预期,主机厂对于产品性能要求的不断提升,电机电控头部企业的订单情况、盈利情况相对改善,行业拐点来临。而中低端产能出清后的市场需求快速增加,加之电控部分芯片供应影响,直接导致2021上半年出现产能结构性不足,部分量产车型出现驱动系统供应链危机。回顾现阶段市场上的新能源汽车电机电控供应商,除了精进电动等行业老兵,主要来自四大发展路径:

► 传统电机业务的头部企业,向新能源电机业务横向拓展:以卧龙电驱、方正电机、大洋电机为代表。

► 低速电动车电机业务的头部企业,向新能源驱动电机业务升级:以英搏尔为代表。

► 逆变器等工控领域的头部企业,向新能源汽车业务升级:以汇川技术为代表。

► 原有电机零部件供应商,向部件总成转型:以长鹰信质为代表。

随着驱动系统向集成化演进,“三合一”、“多合一”产品的批量搭载,原有的整车零部件供应链的整合演进也在加速:

► 对技术实力、部件整合能力要求高,市场从分散走向集中,马太效应加剧;

► 核心部件供应商横向延伸:如电机电控企业向上整合OBC等电子电气部件、向下整合减速器。

► 供应商归一化,对应的单车价值量将增加,弱势单体部件供应商逐渐消失;

► 对企业的软件控制算法能力要求提高,与整车通信如OTA等开始关联。

主机厂自产电驱动系统与独立电驱动系统供应商将长期共存。汽车工业属于技术密集型、资本密集型行业,需要均衡考虑产品质量、性能优势、成本控制、品牌定位等多因素。从全生命周期来看,早期在技术、资本方面的高投入,必须通过最终产品的量产销售,才可以得到合理分摊。百年汽车工业的历史告诉我们,具有较强实力的主机厂对于关键零部件,一般会在小批量时自行研发或者与战略供应商同步研发;大批量时依靠外部供应商,或参股合资,充分利用规模效应带来的成本优势,并减少自行研发的风险。与此同时,主机厂通常会始终维持一定的自产比例,作为安全边界。

具有自产电驱动系统能力的头部新能源车企开始引入独立供应商,开放电驱动系统供应链,并呈扩大态势。根据工信部信息,比亚迪申报的宋PLUS EV新增一款搭载华为电机版本。欣锐科技的OBC、DC-DC等“小三电”产品,已在比亚迪秦PLUS DM-i、宋PLUS DM-i、唐DM-i等车型相继搭载上市。独立供应商的崛起和壮大,有如下驱动因素:

► 整车销量攀升带来对电驱系统产能的需求增加,拥有自制能力的主机厂,其自身产能建设不一定跟得上终端需求;

► 电机电控系统与传统主机厂的业务单元重叠度较小,从0到1新建业务部门,人员、成本、能力等均面临挑战。

► 作为新能源汽车的核心系统,电池系统领域的技术进度开始放缓,而电驱动领域在之前的几年里并没有大的技术发展,随着业内对电机电控领域的技术关注度提升,我们判断,电驱动系统将迎来快速而密集的技术改造、升级。在技术快速迭代的趋势下,主机厂希望提高车辆的市场竞争力,就需要考虑与优秀的独立供应商合作。

► 独立供应商在产品研发和生产过程中,需要面向多个主机厂的多款车型,由此积累下来的技术和方案储备,可以在面向新车型开发需求的时候,快速的进行模块拆分重组、迁移延伸改造,比如不同主机厂类似车型的共平台产品等,可降低开发和生产成本。同时,我们判断,规模效应也将进一步加强独立供应商的成本竞争力。

我们判断,以汇川技术、英搏尔、欣锐科技、华为等为代表的第三方独立电驱动系统供应商,其市场份额将随着整车销量的增长而快速提升。在现阶段的市场成长期,具有技术领先优势和快速迭代能力的企业将脱颖而出;待新能源汽车渗透率增长放缓后,具有成本和客户优势的独立供应商将进一步扩大份额,彼时的头部主机厂,其电驱动业务部门不排除分拆后独立发展的可能。

电驱集成化发展路径

1、电机电控企业发展路线(汇川、英搏尔、卧龙电驱等):①基于自身电机、电控的优势,向下合并减速器,向上逐渐合并OBC、DC/DC、PDU等整车充电控制模块;②从低端产品、低端市场逐渐向上生长,客户群和配套车型改善,单车价值量、利润提升。③提供模块化、平台化产品和解决方案。

2、电源模块企业发展路线(欣锐科技、英威腾等):①基于电源模块的技术优势,将OBC、DC/DC、PDU整合成电源“三合一”;②部分厂商尝试向动力域整合,将电机控制器MCU整合,但因为电机电控技术门槛较高,挑战较大。

3、整车零部件企业(博世、大陆等):从现有体系进行系统化整合集成。

工艺优化带来新的投资机遇:扁线绕组、一体化轴、SiC替代、系统热管理等

关注电机内部绕组铜线的工艺优化,扁铜线对于圆铜线的替代。扁线相对于圆线,在效率、功率密度、散热能力、体积重量等方面具有优势。扁铜线之间的排布会更加紧密,裸铜槽满率可提升20%~30%,有效降低绕组电阻进而降低铜损耗,产生更强的磁场强度,提升电机功率密度;扁线之间接触面积大,相比与圆线的热导性能更好,温升更低。扁线电机还可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率、降低端部发热损耗,降本增效。目前特斯拉、上汽新能源、极氪、比亚迪等新能源车企都加快了将圆线电机替换成扁线电机的步伐。

图表29:扁线电机技术路线分析

资料来源:长城汽车官网,中金公司研究部

关注转子轴从分立轴向一体化轴、油冷空心轴的发展,以及电机高速化对应的高速轴承、减速器齿轮等的产品升级。系统集成化使得电机和减速器从硬件层面快速融合,从分立的实心轴向一体化轴、油冷空心轴演进。为了提高传动效率,电机轴和减速器轴从独立轴合并成一体轴;与此同时,随着永磁同步电机逐渐替代异步电机,永磁体的高温退磁风险叠加电机高转速的发展趋势,电机内部定转子的冷却要求越来越高,除了利用电子油泵对电机内部腔体进行喷淋冷却之外,通过将电机的转子轴空心化,并在其上增加油孔,从而使得减速器腔体内的油可以通过转子的高速旋转,甩溅到定子绕组,从而实现冷却目的。此外,电机的高速化对于减速器的传动齿轮、高速轴承等也提出了更高的要求。

图表30:电驱动系统齿轮、轴等机械部件

资料来源:双环传动官网,电动汽车观察,中金公司研究部

关注IGBT模组的国产化替代机会和SiC器件的材料替代。2019年,全球IGBT市场规模为450亿元,其中新能源汽车占比20%且呈快速上升趋势;中国是第一大消费国,占比41%。在整车电子电气架构中,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率模组的关键组成部分,其系统地位和成本占比都值得重视。国内企业以前在IGBT领域长期依赖进口,市场主要被英飞凌、三菱、富士电机等巨头垄断;随着国内的技术进步,出现了以斯达半导、中车时代等为代表的优秀企业,逐步推动IGBT的国产化进程。与此同时,SiC作为第三代半导体材料,正在逐步替代传统的Si基器件。SiC具有体积小、重量轻、散热强、能量损耗低、高频等物理性能方面的优势,我们认为,随着成本端和制造端压力的逐步解除,SiC模块对于IGBT的替代或将加速。

图表31:SiC的性能优势

资料来源:Rohm,ResearchGate,中金公司研究部

关注油冷方式的兴起,重点聚焦电子油泵、油冷却器等增量部件机会,以及集成化散热对于整车热管理系统的影响。随着电机功率密度和转速的不断提升,以及集成化对于单体部件体积的缩小,传统电机的风冷或者外壳水冷方式已经无法满足散热需求,油冷电机路线逐渐兴起。油本身因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性,对电机磁路无影响,散热效率更高。首先将电机腔体和减速器打通,然后通过电子油泵或者机械设计,使得减速器内部原有的冷却润滑油能够进入到电机内腔,实现对定转子的物理降温,然后再通过油冷却器将温度传导至外界。另一方面,原有的新能源汽车电机电控系统通常是和电池包等的冷却形成一个完整的热管理系统;在电机壳体的内部,也有类似于内燃机缸体内部那样的水道,冷却液通过水泵的驱动在中间流动,从而达到散热效果。随着集成化的发展,各部件壳体的融合,以及控制模块的布置方式变化等,均需要对原有的热管理体系进行适应性优化设计。

图表32:华为DriveOne“多合一”油冷示意图

资料来源:华为官网,中金公司研究部

材料端弹性:市场起量叠加功能升级,量价齐升

新能源汽车终端销量的上升,带动了电驱动系统市场迅速起量;伴随整车平台高压化,电驱动系统向高功率、高转速的发展,以及单电机向双电机模式的升级,材料和部件的单车价值量开始上升。

关注永磁体磁材生产加工、钕铁硼材料改良等行业机会。随着永磁同步电机对于交流异步电机的替代,以及双电机占比上升,电机高功率化,电机转子所需的永磁材料需求快速增长。2020年全球新能源汽车销量324万辆,对应钕铁硼永磁体的需求量在11500吨左右,按照钕铁硼磁体价格约350元/千克计算,我们预计对应市场规模约40亿元。目前新能源车正在从单电机模式向双电机模式演化,随着双电机模式占比的上升,对于永磁体等相关电机材料的需求也会等比例增加。此外,电机的高功率化,使得单体电机的磁材用量也在上升。考虑到新能源整车销量增加,叠加稀土资源的稀缺性,我们认为,永磁体生产企业有望在新能源汽车市场迎来新一轮快速增长。

图表33:现代“E-GMP”平台双电机示意图

资料来源:汽车信息网,中金公司研究部

关注定转子硅钢片工艺优化的机会。提高电机功率密度的主要途径中,除了降低绕组发热等铜损,降低定转子的铁损也非常重要。在电机工作过程中,定转子硅钢片内部会因为电流磁场等变化而产生涡流,为了减小这部分的涡流损耗,硅钢片的厚度越来越薄,从0.35mm逐渐发展到0.3mm以下,硅钢片的叠片方式也在不断改进。此外,为了优化电机内部的磁场分布从而提高电机效率,针对转子铁芯的磁道设计也越来越被关注。

图表34:硅钢片、定转子铁芯及其总成产品图

资料来源:长鹰信质官网,搜狐汽车,中金公司研究部

投资建议:立足系统集成化,向部件工艺优化、材料量化齐升延伸

回顾我们对于新能源汽车电驱动系统的描述分析,整个系统由电机、电机控制器、减速器、OBC、DC-DC、PDU等部件构成。随着集成化的发展,电机、电机控制器、减速器融合成动力总成“三合一”;OBC、DC-DC、PDU融合为电源总成“三合一”。与此同时,以电机、电机控制器这两个部件为核心,出现了“多合一”总成系统。从部件层面来看,各单体部件也由相应的零部件构成,例如永磁同步电机由定子、转子、铜线绕组、永磁体、轴等构成;电机控制器由主控模块、IGBT模块、薄膜电容等构成。

三大投资方向

我们认为,电驱动系统的投资可以围绕集成化、工艺优化、材料端量价齐升这三大方向展开。从整个电驱动系统来看,集成化发展迅速,市场参与者相对清晰,集成化产品的价值量最大,产品直接面向主机厂,是行业技术升级的焦点所在。因此,我们认为,投资方向可以先系统后部件,立足集成化,向工艺优化和材料端变化延伸。

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