智能汽车电驱动系统发展趋势分析报告

本翼资本·2021-11-29
在主流的永磁同步电机路线下,新型永磁材料的探索应用是提升电机性能的关键。电驱动厂商可从技术革新、定制化开发、成本控制等方向实现突破。

基本结论:

驱动电机的发展趋势是高效率、高功率密度、小型化、轻量化。在汽车市场加速电动化的背景下,未来汽车形态的发展将与电驱动系统技术的进步密切相关。作为电驱动系统的核心,驱动电机的发展趋势是高效率、高功率密度、小型化、轻量化,以持续提升动力性能,并增加轮毂电机、飞行汽车等未来汽车形态/方案的可行性。预计2030年全球驱动电机市场规模达到4837亿元,复合增长率37.3%。

探索新型永磁材料是提升电机性能的关键。技术方面,永磁同步电机在效率与功率密度等方面均优势显著,且成本合理,成为市场主流方案。在烧结钕铁硼方案完全成熟的背景下,永磁同步电机功率密度的突破亟待新型永磁材料的探索及应用。此外,采用圆线改扁线、水冷改油冷、SiC替代硅基器件、“多合一”集成化等方式,也可进一步提升电驱动系统的性能。由于无稀土电机路线存在瓶颈,性能及成本均缺乏竞争力,预计永磁同步电机将持续占据市场主流。

技术革新/定制开发/成本控制等方向将成为突破点。整车厂对“三电”核心技术追求自主可控,并促使“多合一”电驱动系统成为主流,目前在电驱动系统市场中占据主导权。对于电驱动系统供应商而言,引领技术革新、定制化/集成化开发、成本控制/资源整合等方向将成为突破点。

一、未来汽车形态展望:从陆地到天空

电驱动系统的演进将与汽车形态的革新相辅相成。汽车电动化为智能汽车的发展打好了电子电气基础。预计2030年起,随着智能传感器、高算力控制器、自动驾驶AI算法走向成熟,配套基础设施逐渐完善,以自动驾驶为核心的汽车智能化也将逐步实现。未来的智能汽车时代,材料、硬件、智能驾驶技术的进一步提升,有望带来汽车形态的变革式改变。驱动电机功率密度的提升将解放汽车形态的设计,促使更多天马行空的“可能性”形成可行方案。梳理当前的热点研究方向,可展望出一条未来汽车形态的可能发展路径,包括纯电动平台、轮毂电机、飞行汽车等三个阶段。 

1.1 第一阶段:纯电动平台与短前舱

汽车形态随动力系统而改变,存在一定的滞后性。第一代燃油车形态极其简约,相当于在传统马车上安装一台内燃机。随着汽车设计师围绕内燃机系统的特点进行深入研究、改良,整车形态几经迭代,逐步发展为长引擎盖的流线型,也塑造了消费者对于汽车的审美。如今电动汽车方兴未艾,传统车企采用传统平台或“油改电”平台进行过渡,而特斯拉等新势力需考虑市场认可度,因此两大阵营均参照燃油车风格进行整体设计。

图一: 初代燃油车与现代燃油车形态对比 

(资料来源:奔驰公开资料,本翼资本整理) 

短前舱是纯电动汽车的主要特征之一。随着市场需求爆发,消费者对汽车电动化的认可度迅速提升,车企积极转向纯电动平台开发,按照“三电”系统的特点来进行整车设计,汽车形态将迎来变革。以前舱为例,燃油车时代,长而高的前舱是发动机性能优越的标志。电动汽车时代,发动机和变速箱被省去,因此前舱空间出现冗余,例如特斯拉、小鹏在前舱中增加了储物舱。对于市场主流的中低端车型而言,前舱设计完全可以优化,以增强成本竞争力,如大众推出的MEB平台明显具备短前舱的特征。

图二: 大众MEB平台具备短前舱的特征 

(资料来源:大众公开资料,本翼资本整理) 

1.2 第二阶段:轮毂电机解放车轮转向

轮毂电机是一种分布式驱动的设计理念。通过在轮毂上安装集成化的电驱动装置,可省去变速器、传动轴、差速器等机械传动部分,实现和车轮360°转向,且留下更多的底盘空间给电池包。轮毂电机将使得汽车突破传统的纵向行驶约束,实现灵活的全方位驾驶,如原地转圈、横向行驶,并彻底解决掉头、侧方位停车等痛点,降低汽车驾驶门槛,有助于汽车渗透率提升。

图三: 集中式驱动与轮毂驱动对比 

(资料来源:舍弗勒公开资料,本翼资本整理) 

轮毂电机面临着多项技术瓶颈。

(1) 簧下质量过高,行驶时振动问题严重,降低了驾驶体验。

(2) 如果舍弃减速箱,电机直接驱动车轮,则只能采用低转速、高转矩,但有限的空间约束对电机的转矩密度提出了极高要求,当前的电机技术无法满足;而保留减速箱的方案会挤占空间,同样导致电机无法满足动力性能需求。

(3) 控制器/控制系统需要保持电机的一致性,对算法提出了较大考验。

(4) 轮毂电机的位置相对暴露,防水、防尘、散热均需要形成新的方案。

(5) 从整体设计角度考虑,轮毂电机的应用将使四轮区域空间极其紧张,而底盘空间相对充裕,车企需要对悬架、车身设计做出彻底调整来配合轮毂电机的设计需求。

图四: 轮毂电机示意图 

(资料来源:Protean公开资料,本翼资本整理) 

轮毂电机的商业化前景取决于电机技术的迭代发展。高功率密度的下一代电机技术将使得轮毂电机顺利实现小型化、轻量化,真正具备应用价值。预计轮毂电机将率先应用在商用车、专用车等对车速和舒适性要求较低的场景,随着电机功率密度实现突破性的提升,轮毂电机有望在乘用车领域展开大规模应用。

1.3 第三阶段:飞行汽车

图五: 飞行汽车概念图 

(资料来源: 小鹏汇天 ,本翼资本整理) 

飞行汽车应“陆空兼备”:一方面具备良好的陆上行驶性能,另一方面遇到交通拥堵或地形问题时,可在正常道路/狭窄地形快速切换为飞行模式,实现变革式的出行体验。2019年,荷兰PAL-V推出一款燃油飞行汽车,从汽车转换为旋翼机需要10分钟,且起降时需要160m的起飞跑道和30m的降落跑道。此外,价格高于40万美元,且驾驶员必须同时拥有汽车驾驶证和飞行资格证。这款产品勉强满足“飞行汽车”的定义,但在使用体验、安全性、成本等方面均缺乏竞争力,商业价值较低。

图六: PAL-V燃油飞行汽车 

(资料来源: PAL-V ,本翼资本整理) 

eVTOL飞行器是空中出行领域的研究热点。eVTOL(电动垂直起降)低空载人飞行器是无人机技术与直升机结构设计相结合的改良产品,完全按飞行器的特点设计,不具备陆上行驶能力。除了C端载具外,可广泛应用于飞行出租、货运物流、医疗急救、高楼清洁/消防等B端场景。目前波音、现代、亿航智能、Volocopter等众多企业。

图七: eVTOL飞行器 

(资料来源: 亿航智能 ,本翼资本整理) 

飞行汽车也将采用eVTOL路线,但难度高于飞行器。若采用eVTOL方案,飞行汽车起降时不需要跑道助飞/助停,满足陆/空两种模式快速切换的需求,是目前最理想的方案。技术难点主要来自三个方面。(1) 电池/电机技术:为满足飞行中的高耗电、高动力需求,动力电池的能量密度需翻倍提升,充放电速度需达到3C水平(目前为1C);驱动电机的功率密度也需要质的飞跃。(2) 整车设计:为平衡汽车系统和飞行系统的性能和空间需求,需在集成化、模块化两条路线中找到合适方案。此外高强度的轻型材料(碳纤维车身、轻型轮胎),电池/电机的位置,传动系统的架构,旋翼的数量/分布/收展方式等多种因素需综合考虑。(3) 自动驾驶:从二维道路升级为三维空间,飞行汽车的手动操控难度远高于陆上汽车,驾驶员需经过专业训练及资质认证,对于普通消费者而言并不现实。自动驾驶技术将成为飞行汽车实现商业化的必备要素。

为满足商业化需求,飞行汽车整车成本需控制在百万以内,相关配套设施、法律法规和监管制度也需要完善。沃飞长空、小鹏汇天等新锐企业已开始研发eVTOL飞行汽车,但企业给出的“2024年落地”的时间表并不现实。预计飞行汽车的商业化将分为三个阶段。(1) 合理的系统设计方案问世,电池/电机技术初步满足需求。初代飞行汽车由专业驾驶员操控,能够在没有跑道的环境中实现陆/空两种模式的快速切换,基本具备普通汽车的陆上动力性能,并在郊区等简单场景实现短距离飞行。(2) 2030年以后,自动驾驶技术的成熟有助于eVTOL飞行器实现商业化,进而推动飞行汽车“三电”技术/系统设计优化,并积累大量数据,提升空中自动驾驶能力。(3) 随着电池、电机技术进一步突破及相关监管制度的完善,飞行汽车将融入城市交通网络,与陆上汽车、eVTOL飞行器等共存。

1.4 小结

未来汽车形态对驱动电机发展提出的需求存在一致性。例如轮毂电机需要在轮毂处的有限空间安装集成式的电驱动系统,而eVTOL飞行器/飞行汽车需要在旋翼下方的紧凑空间布置电机。因此无论是轮毂电机还是飞行器/飞行汽车,对驱动电机的需求均体现为高效率、高功率密度、结构紧凑、轻量化。如果驱动电机能够以更紧凑的结构和更轻的质量,实现更高的效率和动力性能,那么一方面动力电池组的空间将增大,助力整车续航里程提升;另一方面,满足消费者更多需求的新型汽车形态将具备更高的可行性,并带来使用体验的变革。

二、电驱动系统技术发展前景

2.1 电驱动系统产业链

电驱动系统主要由驱动电机、电机控制器、传动系统三部分组成。驱动电机利用电磁感应原理将电能转换为机械能,为汽车提供动力,是电驱动系统的核心,被视为新能源汽车的“心脏”。驱动电机主要由稀土永磁材料、硅钢片、铁芯、壳体等组成,其性能直接决定汽车的最高车速、加速性能、最大爬坡度等动力性能。电机控制器负责控制驱动电机的电流及电压,使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作,主要由功率模块、MCU、电容等组成。传动系统以减速器为核心,将电机产生的动力传递到车轮。

(1) 稀土永磁材料是电机转子的核心原材料,决定了电机功率密度的上限,目前主流方案是烧结钕铁硼。由于稀土储量集中在国内,我国企业掌握稀土永磁材料85%左右的产能。海外主要企业为日立金属、信越化学,主要供应日系市场需求,其他海外市场均由中国企业掌控。烧结钕铁硼的多项核心专利由日立金属掌控,国内厂商必须得到日立金属的专利授权才可出口。(2) 功率模块是电机控制器的核心部件,主要通过功率半导体高频开关进行DC-AC转换,并调节驱动电机的电流、电压,实现精确控制。目前英飞凌、三菱电机等海外巨头掌握绝大部分市场份额。(3) 下游系统集成主要为Tier 1供应商及整车厂。目前电驱动系统仍处于发展期,标准化程度较低,因此整车厂自产、供应商定点开发两种模式占据主流。

图八: 电驱动系统产业链 

(资料来源: 精进电动 ,本翼资本整理) 

2.2 现状——主流方案为永磁同步电机

(1) 技术路线:目前驱动电机的主流方案为永磁同步电机,配套占比达96.6%,覆盖绝大多数品牌及车型;交流异步电机占比2.8%,主要配套蔚来ES8/EC6的后置电机、特斯拉Model 3/Model Y的前置电机及岚图FREE、奔驰EQC等车型。此外,宝马X3EV配备他励同步电机,市场占比仅为0.6%。

图九: 驱动电机技术方案格局(2021年9月) 

(资料来源: 第1电动网 ,本翼资本整理) 

永磁同步电机转子由永磁体构成。永磁体本身能够产生稳定磁场,因此不需要持续消耗额外的电能进行转子励磁,运行时转子没有铜损和铁损,也没有集电环和电刷的摩擦损耗,产生的热量少,对散热方案的要求低。因此永磁同步电机具备效率高、体积小、重量轻,功率密度高四大优势,成为主流技术路线。此外,稀土永磁材料产能集中在国内,供应链角度也具备成本竞争力,低端车型的永磁同步电机价格在千元级别,高端车型的永磁同步电机成本也可控制在2万以下。缺点在于振动、高温等极端情况会使得永磁体产生“退磁”现象,导致电机性能下降。

图十: 永磁同步电机构造示意图 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理) 

交流异步电机(感应电机)转子由铜/铝材料制成,转子的转速总是慢于定子旋转磁场的转速,在磁场内切割磁感线,产生感应电流,并通过电流的磁效应获得转矩。异步电机不需使用稀土永磁材料,原材料成本低于永磁同步电机。缺点在于功耗高且占用空间大,在效率与功率密度方面均不及永磁同步电机。高端车型空间相对宽裕,电池组容量大,续航能力强,因此交流异步电机在高端细分市场占有一定份额。

表一: 不同种类驱动电机指标对比 

(资料来源: 精进电动 ,本翼资本整理) 

(2) 数量:驱动电机是电动汽车必不可少的核心部件,理论上每辆电动汽车(包括混动、纯电动、燃料电池汽车)都必须配备至少一台驱动电机。后置单电机方案目前在中低端市场占据主流。此外,特斯拉、蔚来、理想、小鹏等高端品牌普遍采用双电机方案,通过配备前、后两台驱动电机实现“四驱”,提升动力性能及驾驶体验。

图十一: “双电机四驱”方案示意图 

(资料来源: 富田电气 ,本翼资本整理) 

2.3 技术发展趋势

电驱动技术的革新将为汽车动力性能、整车设计的变革赋能。在永磁同步电机优势显著的背景下,业内主要通过探索新型永磁材料、圆线改扁线等方式来提高永磁同步电机的功率密度。部分欧洲国家/车企力推无稀土电机路线,但目前缺乏实际进展。另一方面,SiC功率器件的产业化将显著提升电机控制器的性能,并使电驱动系统的性能表现得到进一步优化。

(1) 永磁同步电机的改良:新型永磁材料的探索至关重要

新型永磁材料:转子永磁材料的磁性是影响永磁同步电机功率密度的关键因素。磁性主要由剩磁、磁能积、矫顽力等指标衡量。剩磁、磁能积越高,电机的功率密度越高;矫顽力越高,热稳定性越强,在极端环境下不易退磁。目前主流的烧结钕铁硼方案,同时具备高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的优点,是迄今为止磁性最强的材料。近年业内主要通过晶界渗透技术,增强钕铁硼的剩磁及矫顽力,并降低制备过程中镝、铽等重稀土的添加量,从而降低材料成本。

经过近40年发展,钕铁硼的制备工艺已完全成熟,其最大磁能积已接近理论值,提升空间有限,磁能积的进一步提升亟待新型永磁材料的研发应用。信越化学从需求角度出发,建立了寻找新型永磁材料的理论体系,但目前未能找到有应用价值的替代方案。展望未来,磁性远强于烧结钕铁硼的新型永磁材料,将助力电机功率密度实现翻倍提升,并使得轮毂电机、飞行汽车等未来汽车形态真正具备可行性。因此新型永磁材料的探索与应用将长期作为驱动电机技术发展的关键主线。

扁线定子绕组:与传统的圆线绕组相比,扁线绕组(Hair-pin)的集成度更高,可以提高定子的槽满率,更好地利用空间。同等条件下,绕组的有效横截面积大幅增加,旋转磁场的磁性增强,从而提高电机的功率密度。此外,扁线绕组的电阻更小,端部尺寸较短,具备铜损低(效率更高),散热性能更好的优势。

图十二: 圆线方案与扁线方案(4层)对比 

(资料来源: 知乎 ,本翼资本整理) 

扁线方案的层数越少,导线越粗,但导线过粗会导致“趋肤效应”,电流只通过导线表面,造成中间面积的浪费,因此不能一味追求横截面积提升。根据北汽新能源的研究数据,4层扁线方案在高转速工况下铜耗极高,温升超限值,缺乏实际应用价值,而8层扁线方案在效率、续航里程、散热等维度的表现优于4层方案。目前可行方案集中在6层(比亚迪)、8层(上汽、吉利、纬湃科技)、10层(特斯拉)三种。在成本端,扁线方案已初具竞争力,特斯拉、比亚迪、吉利威睿的扁线电机已开始量产装车。随着工艺精度的进一步优化,成本逐渐下降,扁线绕组的渗透率有望持续提升,成为市场主流。 

图十三: 高转速工况下4层方案铜耗远高于8层方案(横轴单位:r/min) 

(资料来源: 《电气技术》、北汽新能源 ,本翼资本整理) 

(2) 无稀土/少稀土电机:

稀土永磁材料产能集中在中国,且出口会受到日立金属的专利约束,其供应在成本端及政策端均存在一定风险,因此部分欧洲政府/车企积极探索无稀土/少稀土驱动电机的研发,以减轻对稀土永磁材料及永磁同步电机的依赖。 

图十四: 宝马i3配备的同步磁阻电机 

(资料来源: 《Engineering》 ,本翼资本整理) 

无稀土路线中,最热门的研究方向是同步磁阻电机,利用磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理,通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。其定子及旋转磁场设计与永磁同步电机一致,区别在于转子永磁体仅起到辅助转矩作用,因此采用磁性较弱、成本低的铁氧体永磁材料便足以满足需求,不需使用稀土永磁材料。缺点在于效率、功率密度低于永磁同步电机;转子结构设计复杂,导致工艺复杂、设备要求高,成本优势不明显。2013年宝马在i3系列中配备永磁同步磁阻电机,但由于定价过高且性能缺乏竞争力,市场反应平淡。新发布的i4系列将采用无稀土电机,但具体技术路线暂未公布。

(3) SiC功率模块

功率半导体正从硅基向宽禁带半导体(SiC)方向发展。物理性质方面,SiC具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高、电子饱和漂移速率高等优势,制成的功率器件具备耐高温高压、散热性能好的特点,可以实现更高的工作频率与功率密度,更适用于高速电机的控制。此外,SiC 器件的开关损耗和导通损耗均大幅低于硅基IGBT,有助于降低功耗,提升整车续航里程。硅基IGBT耐压上限仅为750V,在电机控制器中应用SiC也有助于电驱动系统与高压充放电平台适配。综上所述,SiC器件将解放电机控制器的性能瓶颈,满足高转速电机的控制需求,并优化电机效率。

成本端,SiC衬底制备需使用物理气相传输法(PVT),生长周期长、控制难度大,良品率低。此外,SiC硬度极高且脆性高,切割耗时远远高于普通硅片。因此SiC制备成本高于硅基器件。头部企业已开始加速推动SiC量产装车应用。2018年,特斯拉率先在主驱逆变器中使用SiC MOSFET。目前比亚迪汉EV性能版和保时捷Taycan已实现整车配备SiC,博世、采埃孚、纬湃科技也已公布2022-2023年量产800V SiC平台的计划。

图十五: SiC物理性质具备四大优势 

(资料来源: 天岳先进 ,本翼资本整理) 

(4) “多合一”集成化

驱动电机、电机控制器、传动系统“三合一”已成为电驱动系统的发展方向。电驱动系统集成化有助于优化整车内部空间并减轻整车重量,续航能力可得到进一步提升。据NE时代数据,2021年上半年“三合一”电驱动系统配套比例超过51%,9月进一步提升至57%。

图十六: “多合一”电驱动系统配套比例 

(资料来源: NE时代 ,本翼资本整理) 

技术领先的厂商已开始探索更高层次的集成化。比亚迪推出“八合一”动力总成,将电驱动系统与电控核心器件全部整合,整体体积降低16%,重量降低10%。日本电产推出“3+3”方案,将DC-DC、OBC、PDU整合为一体的高压充配电系统,再与电驱动系统整合为“六合一”。 

图十七: 比亚迪“八合一”电动力总成 

(资料来源: 比亚迪公开资料 ,本翼资本整理) 

2.4 小结

新能源汽车的设计面临着续航能力、动力性能、安全性、舒适性之间的取舍,需在有限的空间内平衡动力电池组、电驱动系统的空间占比,并尽可能实现轻量化。永磁同步电机具备效率高、功率密度高、体积小、重量轻的优势,且成本合理,成为主流方案。为使永磁同步电机的功率密度得到突破性提升,新型永磁材料的探索及应用是关键点。此外,通过扁线绕组、油冷散热、SiC功率器件、“多合一”集成化等方式也可进一步提升驱动电机的功率密度。无稀土驱动电机是部分欧美国家/企业的研究热点,但目前并未出现有竞争力的可行方案。

三、市场空间测算

电动化时代伊始,电机市场的增量主要来自整车销量的增长。在强劲需求驱动下,2030年全球驱动电机市场规模将达到4585亿元,复合增长率36.6%。预计2030年起,自动驾驶技术的成熟将彻底解放驾驶员,汽车成为生活中的“第三空间”,使用门槛大幅降低,用户体验及渗透率迎来飞跃式提升。随着驱动电机功率密度的突破,轮毂电机等多电机方案逐渐推广,每辆车的平均电机配套量有望翻倍,成为电机市场规模增长的第二驱动力。

3.1 2021-2030:电动化高速推进

2021年9月,全球新能源汽车销量68.5万辆,1-9月累计销量达426万辆,占汽车总销量7%。欧盟将于2035年禁售燃油车,而美国也已提出2030年销量占比50%的目标。车企端存在一定分歧,比亚迪、戴姆勒、通用等6家车企已承诺2040年在全球范围内停止销售内燃机汽车(包括燃油车和混动汽车);大众也提出2035年在欧洲停售燃油车的目标;丰田最为保守,坚持认为混动方案优于纯电动方案。大多数传统车企加速推进纯电动平台的开发及应用,并在各类展会中将纯电动车型作为宣传重点。预计2030年全球新能源汽车销量将超过6730万辆,市场占比75%。

图十八: 全球新能源汽车销量预测(2021-2030) 

(资料来源: EV Volume ,本翼资本整理) 

中国市场销量持续领跑全球。受益于完备的供应链体系,中国市场的汽车电动化引领全球。2021年10月,中国新能源汽车销量为38.3万辆,1-10月累计销量达到254.2万辆,占全球销量比例增长至50%以上。传统四季度为汽车销售旺季,假设11-12月平均销量40万辆,全年销量将突破334万辆,同比增长143%,占汽车总销量12.7%。国务院提出的新能源汽车销量占比目标为2025年达到20%,2030年达到40%。在强劲的下游需求驱动下,销量远超预期,预计2022年将提前达成占比20%的目标。乐观情境下,2030年销量有望达到2689万辆,占比达到80%。

图十九: 中国新能源汽车销量预测(2021-2030) 

(资料来源: 汽车工业协会 ,本翼资本整理) 

单车配备驱动电机数量:轮毂电机技术实现突破之前,预计高端车型配套双电机,中低端车型使用单电机的格局会持续。目前B级车销量占比约为27%,对应平均配套量1.27台。结合销量与平均配套量测算,2030年全球驱动电机配套量将达到8412万台,复合增长率为35.4%。

驱动电机均价:一方面,需求大增将带来稀土价格上涨,促使电机成本提升,且技术进步有助于提升电机附加值;但另一方面,在高度竞争的环境下,工艺优化带来更好的成本控制。预计材料/结构设计实现突破之前,电机价格提升空间有限,均价主要受不同车型比例所影响。据厂商披露的数据测算,当前驱动电机均价约为0.52万元/台。随着A级车电动化进程加速,预计驱动电机均价呈上升趋势,2030年达到0.58万元/台,对应全球市场规模4837亿元,复合增长率37.3%。 

表二: 全球驱动电机市场规模预测(2021-2030) 

(资料来源:公开资料,标黄部分为核心假设,本翼资本整理)

3.2 2030-2050+:智能汽车、轮毂电机带来渗透率飞跃

预计2030年前后,自动驾驶技术有望走向成熟并开启大规模商业化,汽车驾驶门槛会逐步降低,最终走向零门槛;同时,智能座舱的普及将使出行体验迎来变革式提升,智能汽车成为“第三空间”,商业逻辑重构。

参考智能手机的发展史,可以对智能汽车渗透率的提升路径进行估算。以初代IPhone面世的2007年为起点,经过14年的发展,全球智能手机保有量约为60亿部,渗透率接近80%。汽车的价格是智能手机的10倍以上,价格门槛高,更换周期很难缩短到3-4年以下,因此智能汽车的渗透率提升速度将会慢于智能手机。预计2050年智能汽车渗透率将提升至50%,对应保有量达到50亿辆。考虑到自动驾驶技术完全成熟的背景下,其事故率将远低于人类驾驶。这一情境下,政府或将出台时间表,全面禁止人类驾驶,或禁售不具备L5自动驾驶功能的车型。智能汽车将全面取代非智能汽车,渗透率提升速度也将进一步加快。

图二十: 全球智能汽车保有量及渗透率预测(2021-2050) 

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

假设电机技术出现变革式突破,实现功率密度翻倍提升,轮毂电机的可行性将大幅提升。采用轮毂电机方案的汽车,至少需要2台电机来分别驱动两个后轮,且部分车型会选择四轮全驱方案以追求更优的行驶体验;此外,功率密度极高的新型电机也可装配在旋翼下方的紧凑空间,并满足强劲的动力性能需求,有助于推动eVTOL载人飞行器、飞行汽车实现商业化。飞行器/飞行汽车的电机数量由旋翼数量决定,且理论上每个旋翼需配备2台电机以保障硬件冗余。电机平均配套量将提升至3-4台,对应2050年驱动电机保有量约73亿台,每年配套量约4亿台,市场空间将达万亿级。

图二十一: 全球驱动电机保有量及平均配套量预测(2035-2050) 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理) 

四、竞争格局:电驱动厂商如何脱颖而出

4.1 市场格局现状——以中国市场为切入点

中国新能源汽车销量占全球销量比例超过50%,因此以中国市场作为切入点分析市场格局现状,有较大的参考价值。电驱动系统市场参与者可分为整车厂、海外零部件巨头、国产供应商三大类。按驱动电机配套量口径,比亚迪、特斯拉两家龙头车企市场份额超过10%,另有方正电机、上海电驱动、蔚然动力、日本电产4家企业市场份额超过5%,行业CR5为57.2%,CR10为78.2%。而“多合一”电驱动系统方面,配套量前列基本被整车厂占据,仅日本电产、上海电驱动、汇川技术三家独立供应商上榜前十。

图二十二: 中国驱动电机市场竞争格局(2021年9月) 

(资料来源:NE时代,本翼资本整理)

整车厂根据自有产品定位及技术储备情况,确定电驱动系统的供应模式。微型车对驱动电机性能要求较低,需要更优的成本控制,因此车企普遍选择独立供应商来开发/生产电机,仅比亚迪海豚等少数车型为车企自供;中高端车型领域,车企选择的供应模式可分为四类:(1) 自产自供:特斯拉、比亚迪、蔚来及多数传统车企;部分零部件来自外购。(2) 与供应商成立合资企业:上汽与博世,广汽与日本电产,江淮与巨一科技等。(3) 部分自产,部分外购:奇瑞、吉利等电机布局较慢的传统车企。(4) 完全外购:理想、小鹏、威马等新势力。后两种模式下,一般由多家独立供应商竞争,不存在对某一供应商的依赖。 

图二十三: 部分已实现电驱动系统自产自供的车企 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理) 

国际零部件巨头:以驱动电机配套量口径,日本电产、博世(联合汽车电子)、博格华纳、法雷奥西门子四家国际巨头长期位列中国市场前20。其中日本电产配套量稳定在第5名左右,保持在第一梯队。此外,采埃孚主要供应奥迪、宝马、奔驰,但随着微型电动车逐渐放量,采埃孚淡出了配套量前20。其他主流供应商包括欧洲的大陆集团(纬湃科技);北美的麦格纳、雷米电机;日本的电装、爱信精机、日立汽车系统;韩国的LG和现代摩比斯等。 

图二十四: 部分国际巨头的下游客户整理 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理) 

国内专业厂商主要以电机或电机控制器为切入点,向电驱动系统解决方案提供商方向发展。目前专业厂商呈现微型车领域占比大、客户集中度高两大特点,方正电机、上海电驱动配套车型较多,初步实现平台化;汇川技术、精进电动在高端市场实现突破。 

表三: 国内专业厂商的下游客户整理 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理)

微型车对动力性能要求较低,电机峰值功率50kW以下即可满足需求,技术门槛较低,因此车企普遍把微型车的电驱动系统外包给独立供应商来生产,以实现成本最优化。以五菱宏光MiniEV为例,这款热销的微型车,电机供应商包括方正电机、双林股份、上海电驱动,电机控制器供应商包括阳光电动力、英搏尔、央腾电子。除上海电驱动以外,其他5家厂商的第一大客户均为上汽通用五菱,占出货量比例均超过50%。而上海电驱动出货量超过50%配套长安奔奔E-Star,其他配套车型同样集中于微型车领域。多数国产独立供应商面临着微型车领域占比大而技术门槛低、客户集中度高的问题。

在高端市场领域,汇川技术近期拿下理想ONE、威马W6电驱动系统的A供订单,从联合汽车电子、博格华纳手中赢取市场份额,并新增20个定点车型项目,覆盖长城、奇瑞、一汽、广汽,在国内传统车企客户方面取得突破。前三季度新能源汽车业务营收17.81亿(其中第三季度9.78亿),同比增长182%。此外,精进电动为小鹏P7供应电驱动系统,为菲亚特克莱斯勒供应油冷电机,且新开发客户上汽科莱威,对微型车市场实现降维竞争。华为发布DriveONE “多合一”电驱动系统,目前已配套上汽大通MAXUS、北汽ARCFOX等品牌,其123kW驱动电机进入比亚迪宋PLUS EV供应链。 

表四: 典型车型的电机配置情况 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理)

4.2 电驱动厂商的突破点

现有市场格局下,独立供应商的发展机会主要来自微型车领域以及电驱动技术储备较薄弱的车企,而车企系的电机厂商基本只供应自有品牌。展望未来,在电动化和智能化背景下,汽车向着智能终端方向发展已成为大势所趋。以苹果、小米等企业为代表,大批不同产业背景的“新势力”将涌入汽车赛道。这些“新势力”的三电技术储备参差不齐,将给各环节供应商带来可观的发展空间。汽车市场的商业模式会变得更多元化,电驱动系统的市场格局也将迎来洗牌,涌现更多发展机会。对于电驱动系统供应商而言,引领技术革新、定制化/集成化开发、成本控制/资源整合等方向将成为突破点。

(1) 引领技术革新:如前所述,在永磁同步电机路线下,探索应用新型磁性材料,是实现电机功率密度质变式提升的关键。率先开发出新型永磁材料并实现产业化的供应商,将在市场份额及知识产权等方面成为行业引领者。此外,厂商若能通过改变电机原理/结构,设计出性价比更佳的新型电机,将有望成为新一代电机的定义者。

(2) 定制化/集成化开发:电驱动系统供应商需根据具体车型的空间规划、动力性能需求、成本预算等特点,定制驱动电机或整套解决方案,并与整车厂开发车型的周期保持同步。一般从收到车企《定点通知》到订单量产需要1-2年时间,开发周期较长,对于资金和人员投入要求高。个性化定制能力对厂商的工艺技术储备、开发经验积累、响应速度均提出较高要求,涉及电磁设计与优化、高效控制算法、散热结构、功能安全、试验测试等多维度,并需要与车企及其他部件供应商紧密配合。

“多合一”电驱动系统能够优化空间布局与系统总重量,提升续航里程,市场占比已由2020年的37%提升至2021年9月的57%,预计未来绝大多数车型都将采用“多合一”方案。与普通的电机厂商相比,具备驱动电机、电机控制器协同开发的能力的厂商,集成化开发能力更出色,在个性化定制能力、响应速度等方面均会具备明显优势,更快更好地满足车企的需求,提升产业链定位。

图二十五: “三合一”电驱动系统示意图 

(资料来源: 公开资料 ,本翼资本整理) 

(3) 成本控制/资源整合:驱动电机市场竞争程度激烈,独立供应商议价能力偏弱,2019年以来毛利率出现明显下滑,目前普遍低于15%。巨一科技、精进电动等供应商的电驱动系统业务仍未实现盈利。供应商需要在保障产品质量的同时,对工艺流程的各环节持续优化改良,以实现更好的成本控制,增强盈利能力。

上游稀土永磁材料价格波动性较大,对电机供应商的成本造成一定影响。长期来看,能够实现向上游垂直整合的电机厂商,将收获更稳定的盈利增长,也有助于技术创新。此外,通过合资企业等形式,与客户实现深度绑定,可形成相对稳固的基本盘,加深对车企需求的理解,结合品牌效应和产业资源进行市场份额扩张。

图二十六: 独立供应商电驱动系统业务毛利率呈下降趋势 

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

4.3 案例分析:日本电产

日本电产成立于1973年,以小型精密电机为起点,逐步覆盖各类家电/商用/工业用电机、机器装置、电子/光学零部件等业务。2006年收购法雷奥的电机与驱动器业务,进入车载电机领域。日本电产多项产品市占率全球领先:硬盘驱动器用步进马达、手机用振动马达和电动助力转向系统用电机的全球市场份额分别达到85%、40%和30%。在中国驱动电机市场,日本电产配套量长期排在第5名左右,稳居第一梯队。

2021财年总营收1.62万亿日元(约合966亿元),同比增长5.4%;归母净利润1220亿日元(约合68.29亿元),同比增长108.7%;车载事业部实现营收3581亿日元(约合200亿元),占比22%。日本电产的愿景是建立包括电驱动系统、制动系统、转向系统、热管理系统等全栈零部件在内的“新能源汽车平台”技术体系,成为智能汽车时代的龙头供应商。

图二十七: 日本电产业务布局图 

(资料来源: 日本电产 ,本翼资本整理) 

产品结构紧凑,集成水平保持领先。日本电产以小型电机起家,在结构集成方面技术储备深厚,生产的驱动电机结构紧凑,重量轻,在功率密度方面具备明显优势。2018年,日本电产率先发布E-Axle“三合一”电驱动系统,目前已推出“3+3”集成化方案,将三合一的电驱动系统与三合一高压充配电系统(包含DCDC、OBC和PDU)集成为六合一产品,在集成化方向保持领先地位。 

表五: 日本电产电驱动系统产品布局 

(资料来源: 日本电产 ,本翼资本整理)

重视成本控制及响应速度:日本电产总结日本传统制造业厂商的失败教训,坚持低价竞争+市场占有率的战略,并确立了快速响应的决策机制。工艺方面,参照小型电机生产经验及商业模式,主打极致的成本控制。重视零部件自制率,目前除功率半导体以外,其他电机零部件均已实现自产自供;响应速度方面,日本电产深耕智能手机振动马达领域,在智能手机一年两三次高频迭代中,积累了丰富的快速响应经验。中国车企电动化战略推进迅速,如广汽选择供应商时给出了极其严苛的时间规划。而日本电产凭借快速响应能力脱颖而出,顺利与广汽达成合作。吉利几何C开发过程中,日本电产仅用一年时间完成了电驱动系统开发到车型配套的全流程。

深度绑定广汽,抓准A级车主流市场:2019年,日本电产与广汽集团合资成立广州尼得科,实现深度合作绑定,为广汽埃安及其它合资品牌供应电驱动系统,明确定位前景最广阔的A级车市场。2021年前三季度,埃安总销量79489辆,排名中国市场第六;Aion S、Aion Y月销量均已突破5000辆,在A级车市场仅次于比亚迪。截至10月,日本电产E-Axle电驱动系统已搭载10款EV车型,覆盖哪吒、吉利等品牌。

加速推进供应链本土化,提升生产、运营效率:日本电产已在平湖、大连建立驱动电机工厂,建设速度、产能规划均处于业界领先位置。平湖工厂已于2020年12月投产,规划产能100万台/年;大连工厂一期于2021年6月投产,二期将于2022年4月投产,两期总规划产能360万台/年,将成为全球最大的驱动电机生产基地。欧洲市场方面,计划投资2000亿日元在波兰和塞尔维亚建设工厂,推动市场拓展。

小结:日本电产的策略为低价低成本,迅速抢占市场份额,在小型电机领域成效显著,并将成功经验应用于驱动电机市场。产品端推动电机+电控核心部件集成化,提高零部件自制率;市场端利用快速响应能力来匹配中国车企的速度,与广汽成立合资企业,并开拓哪吒、吉利等客户;产能端高速推进供应链本土化,提前满足发展需求。 

图二十八: 日本电产愿景 

(资料来源: 日本电产 ,本翼资本整理) 

本文来自微信公众号 “本翼资本CapitalWings”(ID:capitalwings),36氪经授权发布。

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