1、新能源电驱动系统概述
新能源动力系统可以分为电驱动系统和电源系统。电驱动系统包括驱动电机、电机控制器和减速器,电驱动系统是新能源车辆的核心,新能源车辆通过电驱动系统实现动力的输入和控制。
以新能源车辆为例,与传统燃油车相比,其动力系统发生很大变化。传统燃油车以发动机和变速箱作为动力系统核心,其结构较为复杂、零部件较多且供应链庞大。
电驱动系统是指利用电能作为动力源,通过电机、电控系统等组成的一种驱动系统,电机驱动特性决定了电动车的爬坡、加速能力及最高车速等汽车行驶的主要性能,它具备效率高、响应快、环保等优点。
电驱动系统包括三大总成:驱动电机(将动力电池的电能转化为旋转的机械能,是输出动力的来源)、控制器(基于功率半导体的硬件及软件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制,并持续丰富其他控制功能)、减速器(通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩,以保证电驱动系统持续运行在高效区间)。
电驱动系统相比传统燃油动力系统,大幅提升了功率密度,同时大幅减少成本、体积、重量,降低了新能源整车开发和供应链管理难度。
2、新能源电驱动系统行业发展趋势
(1)新能源汽车领域
A、集成化动力系统发展趋势明显
近年来,新能源汽车领域电驱动系统集成化趋势较为明显,其中主要组成部件如下:
a、驱动电机
驱动电机历经多年发展,主要的技术路径聚焦在交流异步电机和永磁同步电机。从装机量角度看,永磁同步电机由于其优异的综合性能,一直占据最高比例。近年来,持续选择交流异步电机技术路径的特斯拉,在其新推出的 Model3 车型中,也开始采用永磁同步电机方案。
b、控制器
控制器以高频高功率半导体技术为核心,围绕其进行硬件开发与软件设计,实现对电机转速、转向、角度、响应时间的精确控制。只有具备较强的电力电子设计能力、控制算法优化能力,方能满足这些要求。
从硬件开发角度,对外依靠高频高功率半导体工艺技术持续进步,对内则需要硬件电路设计能力的改善、电磁兼容能力的提高、散热效果的提升,最终实现控制器总成整体性能改进。控制器的核心指标是体积功率密度。
近年来,国内控制器的主要指标已经接近国际水平。从软件设计角度,控制器的进步则体现在可扩展性、易维护性、功能安全性等方面的不断提高。可扩展性,是指在软件开发设计时就引入可移植性及功能复用性的理念,对通用功能模块进行固化,减少重复投入进而降低成本;易维护性,是指在软件的后续使用过程中,及时响应并实现远程更新升级与性能优化的能力;功能安全性,是指电驱动系统的控制器总成对新能源汽车的动力输出进行直接的调节控制,是保证功能安全性的重要一环。
c、减速器
减速器正在经历从单级到多档的产品演变过程。电驱动系统的整体 NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能,很大程度上取决于传动总成中减速器的设计加工装配的能力。同时,减速器的小型化、轻量化也是电驱动系统减小体积、降低重量的重要环节。目前,主要组件减速器的领先企业主要为国际零部件供应商,包括博格华纳、博世、吉凯恩、采埃孚、麦格纳、加特可、AVL 等。
“多合一”驱动系统较由单一部件组装成的驱动系统具有体积更小、质量更轻、综合性能更强等优势,高集成度的趋势之下,只有企业在各个部件的相关领域均具备较强的技术积累,才能最终完成综合性能具有优势的产品。这对企业的电机设计能力、电力电子设计能力、控制算法优化能力、精密机械加工制造能力、成本控制能力等综合实力,提出了更高的标准。在各自主要部件领域具备一定优势的企业,都在积极拓展其他部件领域,以适应行业的发展趋势,实现完整的产品布局。
B、新能源汽车关键零部件面临重大发展机遇
长期以来,核心零部件领域的优势企业主要是发达国家的跨国外资公司,特别是发动机、自动变速箱、ABS 制动、发动机电控、柴油发动机、高压燃油共轨等领域,我国零部件企业竞争力较弱。汽车行业历经数百年发展,正处于“电动化”、“智能化”的急剧变革时期,新技术层出不穷,既有汽车及零部件竞争格局正面临重新洗牌。
新能源汽车关键零部件领域,技术路径不断更新尚未固化,性能改善潜力较大,相关专利与工艺壁垒仍在逐渐积累。因此,各细分行业尚未形成具有稳定绝对垄断地位的国际寡头,我国新能源汽车关键零部件企业仍有机会通过研发创新最终胜出。
另一方面,为贴合中国市场,外资车企加大新能源汽车在华产能投入之后,相关零部件的本土化程度将直接决定终端产品的成本水平与竞争优势。因此,外资车企将推动对新能源零部件供应商的培育与本土化。这在占据新能源汽车成本比例最高的动力电池领域已经充分体现,而率先实现在华独资设厂的全球新能源汽车领军企业特斯拉也持续推动零部件本土化,以提升产品的竞争能力。未来,外资企业加大引入在华本地供应商的趋势也会延展到电驱动系统等其他核心零部件上。对于熟悉外资企业开发与采购流程,已经通过相关供应链管理体系认证,并经过批量产品检验的境内新能源汽车零部件企业,将迎来发展机遇。
C、整车企业自产电驱动系统与独立电驱动系统供应商将长期共存
汽车行业属于资本密集、技术密集型行业,需要同时平衡成本控制、产品质量、性能优势等多个领域。前期的高技术投入、高资本投入,必须通过最终产品的大批量生产上市销售,才能得到合理分摊。因此,实力较强的整车企业对于核心零部件通常采取的策略为:小批量时自行研发或者与战略合作零部件供应商同步研发;大批量时依靠外部零部件供应商或与其设立合资公司,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。
为了提升自身核心零部件业务部门的市场化竞争水平,整车厂往往会选择分拆零部件业务独立发展的方式。随着新能源汽车的渗透率不断提高,为了加速形成规模效应,比亚迪、长城汽车等行业内整车企业,也在积极推动其新能源汽车零部件业务部门的分拆独立运营,并加大了相应零部件的对外采购比例。因此,整车企业自产电驱动系统与独立电驱动系统供应商将长期共存。
(2)工业车辆领域
A、受环保政策要求工业车辆电动化为全球大势所趋
全球各地对非道路机械的排放法规日趋严格,政策引导下推动工业车辆加速电动化进程。根据EUROMOT 欧洲内燃机制造协会的政策解读报告,2019 年底低于欧 V 排放的内燃机已全部停产,2039 年低于欧 V 排放产品有望全部退出市场。
根据 AstuteAnalytica 分析报告,2022 年欧盟指令要求所有建筑设备到 2025 年应将碳排放量减少至少 20%,这同样导致对电动和混合动力建筑机械的需求增加;技术咨询公司 EV 在德国制造业联合会(VDMA)的报告上表示,2030 年 19~56kW 级小型挖掘机,电驱(包括油电混动,电池纯电)市场比例提升到 9%,56~160kW 级大型挖掘机市场比例会达到 20%。近年来,国家和地方政府同样大力鼓励工业车辆电动化转型。
2018 年,生态环境部印发《非道路移动机械污染防治技术政策》,鼓励混合动力、纯电动、燃料电池等新能源技术在非道路机械上的应用。2020 年,工信部发布《推动公共领域车辆电动化行动计划》,推进电动车辆电动化,加快工业车辆行业向新能源转型。2022 年以来,部分省市对工业车辆行业的政策也相继出台,其中浙江省率先出台老旧柴油叉车淘汰替换相关政策,明确鼓励工业车辆向新能源、电动化进行转型。
B、电动化作为重大技术变革有望重塑全球竞争格局
以史为鉴,工业车辆发展过程中如发动机、液压技术等重大技术变革都会带来行业格局的重塑,电动化作为又一重大技术变革有望重塑全球竞争格局。参照叉车行业,受益于锂电化浪潮,中国电动叉车的性能实现了重大突破,开启了中国叉车加速走向世界的新征程。
2018 年至今是我国叉车高质量发展期,随着我国工业水平不断提升,创新驱动让中国锂电产业领跑全球。2020 年开始行业细分结构增速出现拐点,内燃叉车(4/5 类车)增速持续低于行业增速,价格更高的电动平衡重叉车(1 类车)与电动乘驾式仓储叉车(2 类车)增速开始高于行业增速,并且在 2022 年分别达到 16.92%和 13.03%的同比增速,显著高于-4.68%的全行业叉车销量增速,成为细分结构中成长较高的板块。
未来随着中国“三电”技术逐步成熟,电池、电机等核心零部件的制造成本不断降低,产业化规模逐步加大,工业车辆从研发成本至采购成本都在不断降低,电动化产品的产品力也将在全球处于较为领先的地位,产品在全球终端市场的竞争力逐步提升。借鉴过去工业车辆市场格局被核心技术变革重塑和叉车凭借锂电出海的经验,中国工业车辆有望借助电动化加速全球化布局。
C、工业车辆下游应用领域广泛
工业车辆包含牵引车、电动工业车(内燃叉车和电动仓储车辆)、轻小型搬运车和固定平台搬运车等,广泛应用于制造业、交通运输、仓储物流中心等场所的物资装卸、堆垛、流转、仓储以及短距离搬运和牵引作业,与公众日常生活密切相关。随着我国经济发展水平、工业化程度的不断提高,全社会物流总额保持高速增长,给工业车辆行业发展带来了广阔的需求空间,并在我国现代工业生产和社会服务中占据着重要地位。
同时,随着行业龙头企业全球竞争力的持续增强,我国工业车辆产品出口数量不断增加,产品结构和附加值不断优化和提高。受益于国内需求及出口量的持续增长,我国工业车辆行业实现快速发展,自 2009 年起连续位列全球第一大叉车生产国和消费市场。
3、新能源电驱动系统下游市场空间及规模
(1)新能源汽车领域
基于驱动技术的重大升级和转型,新能源汽车作为汽车产业降低碳排放和应对能源安全问题的重要突破口,已成为全球各国推动制造业转型升级和参与气候变化谈判的战略抓手。围绕 2050 年碳中和目标,欧盟在 2019 年 12 月发布《欧洲绿色协议》,提出到 2025 年达成零排放以及低排放汽车保有量 1300 万辆,并部署约 100 万座公共充电站与替代燃料加注站;2021 年 7 月,欧盟发布“Fitfor55”减排一揽子方案,要求到 2030 年减少温室气体排放量 55%,2035 年开始在欧盟地区禁止销售燃油车;大多数欧洲国家都制定了更为严格的国内政策,宣布从 2025 年或 2030 年开始停售燃油车。2021 年 8 月,拜登签署行政命令,设定了到 2030 年电动汽车、氢燃料电池和插电式混合动力汽车占美国汽车销量 50%的目标。中汽协年度数据显示,在政策和市场的双重作用下,国内新能源汽车连续 9 年位居全球第一。
2023 年,新能源汽车产销分别完成 958.7 万辆和 949.5 万辆,同比增长 35.8%和 37.9%,市场占有率达到 31.6%,高于上年 5.9 个百分点。
(2)工业车辆领域
工业车辆是工程机械业的重要组成部分,主要包括牵引车辆、电动工业车(内燃叉车和电动仓储车辆)、轻小型搬运车和固定平台搬运车等 6 大类产品,下游应用广泛。2020 年全球工业车辆销售额约 313 亿美元,中国市场占据 33.7%。传统工业车辆为强周期行业,受下游需求影响较大,但近年来电动化趋势逐渐渗透到工业车辆领域,带来新的成长空间。
A、政策层面,近几年国家和地方政府相继出台相关环保和产业政策,大力鼓励工业车辆新能源化、电动化转型;
B、技术层面,由于新能源汽车的快速渗透,动力电池技术已经比较成熟;
C、成本层面,随着化石能源价格上涨,电动工业车辆在生命周期内年均综合成本优势显著;
D、产业层面,传统工程车辆巨头均已制定新能源战略,抢占电动化转型制高点。未来工业车辆电动化有很大概率复制新能源汽车产业路径,从政策驱动转向市场驱动,带来新的增长空间。根据中国工程机械工业协会工业车辆分会的数据,我国机动工业车辆销售量从 2013 年 32.88 万台增长至 2022 年的 104.80 万台,复合年均增长率达 13.75%。
近年来,国家环保政策陆续出台,各地排放监管力度不断加大,企业对绿色环保、节能减排日益重视,电动技术不断进步,电动叉车的销售量增速显著,市占率日益提升。根据中国工程机械工业协会工业车辆分会的数据,从 2013 年到 2022 年,我国电动叉车的销售量从 8.89 万台显著增长至 67.48 万台,年均复合增长率达到 25.25%,而同期内燃叉车的销售量则从23.98 万台增长到 37.32 万台,年均复合增长率为 5.04%,电动叉车市场的增长速度明显快于内燃叉车,2020 年,电动叉车的销售量首次超过了内燃叉车,占到了机动工业车辆总销售量的 51.27%。
2022 年,电动叉车市场份额进一步增加,达到了 64.39%,显示出电动叉车在市场中的主导地位逐渐加强。