傳統汽車產業鏈主要包括四個方面:
1、產品的技術,主要是指產品的工程開發;
2、零部件的采購;
3、汽車制造廠商;
4、銷售和服務。
據統計,在整個汽車產業鏈上共有100多個相關產業:上游主要涉及鋼鐵、機械、橡膠、石化、電子、紡織等行業;下游則涉及保險、金融、銷售、維修、加油站、餐飲、旅館等行業;中游為整車及其零部件行業。
新能源汽車在傳統汽車產業鏈的基礎上進行延伸,形成了一條全新的產業鏈條。上游主要增加了電池、電機、電控系統、專用自動變速器等部件,下游充電設施、電池回收等產業也在新能源汽車的帶動下獲得了快速發展。
上游電池、電機、變速器和電控系統作為新能源汽車產業鏈中最關鍵、最核心的環節,占據了整個產業價值鏈的高端部分。在新能源汽車的成本構成中,電力驅動系統包括動力電池系統和電機驅動系統的占比是最高的,以插電式混合動力汽車PHEV為例,電池電機及相關組件成本約為燃油系統的兩倍,而在純電動汽車EV的成本構成中,電力驅動系統占比可以達到整車的50%以上。
根據預測,2017年全球新能源汽車產量將達到634萬輛,其中混合動力汽車357萬輛,純電動汽車277萬輛。以此粗略估計,2017年新能源汽車對下游產業電池的需求規模將達250億美元,而對電機的需求規模也將達144億元,電池和電機產業未來5年復合增長率將達到32%和35%。
鋰電池是當前新能源汽車電池系統的首選
如果說內燃機汽車的心臟是動力系統,那么新能源汽車的心臟則是電池系統,因為電池系統的優劣直接關系到汽車的行駛里程、使用便利性等方面,而目前新能源汽車最大的技術瓶頸也恰恰是在電池系統上,比如對比能量、比功率、充放電效率以及穩定性、成本等都有極高的要求。
目前新能源汽車所使用的動力電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等。除了輕度混合動力使用鉛酸電池、中度混合動力車使用鎳氫電池外,絕大多數的新能源汽車都是使用鋰電池作為其核心部件。鋰電池之所以能夠在新能源汽車領域獲得大規模普及,主要是由于它相比其他類型的電池,具有比能量高、循環壽命長、自放率低、使用溫度范圍寬、無記憶效應等優勢。而鎳氫電池由于比能量較低以及成本較高,性價比相對較低,將逐步被鋰電池所取代。
美國2015年實現100萬輛電動車銷量的計劃以及日本的第四代普銳斯混合動力汽車都已提出要全面應用鋰電池,而對于中國這樣擁有巨大新能源汽車潛在市場的國家而言,鋰電池無疑也是電池系統的首選,鋰電池產業在下游新能源汽車的推動下將迎來重大的發展機遇。
鋰電池全產業分析
鋰電池產業鏈主要由鋰礦資源、鋰電池原材料包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液以及電芯制造與封裝構成,其中鋰電池原材料占據了鋰電池價值鏈的主要部分,約占鋰電池總成本的75%。
根據韓國SNE公司的預測,未來幾年全球鋰電行業將保持25%的復合增長率,2016年全球鋰離子電池產量將達到950億Wh,其中便攜式設備用鋰電池628億Wh,電動汽車用鋰電池236億Wh,儲能用鋰電池87億Wh。
正極材料
正極材料是鋰電池四大關鍵材料之一,約占電池制造成本的30~40%,是決定電池安全、性能、成本和壽命的關鍵材料。智能手機與平板電腦的強勁需求支撐了鋰電池與正極材料行業的增長,2012年中國鋰電池產量約40億只,正極材料消費量約3.8萬噸。未來在動力電池與儲能電池的應用,鋰電池正極材料將有巨大的增長潛力。
目前國內市場上鋰電池正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等,其中鈷酸鋰是現有正極材料中商業化最高、技術最成熟、產量最大的品種,主要用于手機、數碼產品等小型電池領域,但由于原材料鈷和鎳金屬價格高昂、污染較為嚴重,且電池在大型化后,會有易燃易爆的危險,所以無法在動力鋰領域獲得發展。相比之下,正極材料為錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰的鋰電池安全性能會更好一些,而且成本上也更具優勢。
目前整個產業投入主要集中在錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰這三種材料。磷酸鐵鋰由于具有另外兩種材料所不具備的循環壽命和材料成本方面的潛在優勢,被業界普遍看好,代表著動力電池正極材料的未來發展方向,但目前在技術方面尚不成熟,離大規模產業化仍有較長一段時間。而三元材料則融合了鈷酸鋰和錳酸鋰的優點,在小型低功率電池和大功率動力電池上都得到了應用,但由于鈷是一種貴金屬,價格波動大,所以對其價格競爭力影響較大,隨著性能更加優異的磷酸鐵鋰的技術開發,三元材料大多被認為是磷酸鐵鋰未大規模生產前的過渡材料。
近年來鈷酸鋰的市場份額已經在逐步下滑,而三元材料增長最為迅猛,目前已經超越鈷酸鋰成為份額最高的正極材料。與此同時,其他類型的正極材料如錳酸鋰、磷酸鐵鋰也都獲得了較快的發展,鋰電池正極材料已經從單一的鈷酸鋰產品進入到鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等多種類型共同發展的階段。
從全球范圍的競爭格局來看,目前鋰電正極材料生產商主要分布于中國、日本、韓國這三個國家,其中韓國優美科和日本日亞化學仍然占據了全球前二的市場份額,但近年來國內正極材料企業發展迅速,已經躍居為全球供給量最大的國家,國內上市公司杉杉股份和當升科技更是國內企業中的佼佼者。
與國內企業相比,日本和韓國的正極材料企業在整體技術水平和質量控制能力具有較大優勢,而且國內企業在生產方法上參差不齊,在關鍵技術的提高上仍需較長一段時期。因此,目前國內企業若要超越日韓企業,難度依然很大,尤其是在高端鋰電池市場,目前幾乎是由日韓所壟斷,由于技術門檻較高,國內企業進入高端市場的難度較大。近期非常暢銷的TeslaModelS就是定位于高端市場,由于對汽車的品質、性能、安全性要求較高,且其足夠高的售價也使它能夠選擇最好的上游材料,所以日韓企業的正極材料仍然是其首眩
國內相關上市公司介紹:
l杉杉股份600884
公司是最早涉足鋰電池行業的企業之一,從最早只生產負極材料,逐步形成目前的正極、負極、電解液三大產品體系。公司正極材料主要由子公司湖南杉杉新材料公司生產,除了主導產品鈷酸鋰,公司還在積極開發錳酸鋰、多元系、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等產品,產能共10000噸,是國內第一、全球第三的正極材料生產商,國內市場占有率約14%。公司客戶主要分布在國內市場,與國內大部分鋰電生產商都有供貨關系。
l當升科技300073
公司主要從事鈷酸鋰、多元材料及錳酸鋰等小型鋰電、動力鋰電正極材料的研發、生產和銷售,產能為7000噸。公司產品同時面向中、日、韓三個國家的鋰電生產商,公司在國際前6大鋰電巨頭中擁有5家客戶,包括三星SDI、LG化學和深圳比克等。
l中信國安
公司擁有豐富的鋰資源,可以為正極材料的生產提供關鍵原材料,并擁有相對完整的鋰電池產業鏈。公司正極產品有鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳酸鋰,產能為2000噸,是目前國內最大的正極材料鈷酸鋰和錳酸鋰的生產商。
l中國寶安
中國寶安雖然主營房地產和醫藥,但在鋰電池正極材料領域其擁有較高的行業地位,是國內磷酸鐵鋰正極材料標準的制定者。公司控股的貝特瑞公司主要生產磷酸鐵鋰和錳酸鋰,產能分別為1500噸和600噸,主要給大型電池廠商實驗供貨,如天津力神、江蘇雙登等。
l金瑞科技
公司參股的湖南長遠鋰科有限公司主營鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料等鋰電池正極材料,是國內正極材料最為齊全的公司之一。公司在生產正極材料前驅體方面具備明顯優勢,其產品質量甚至優于日本企業,國內幾家正極材料的龍頭企業都從公司購買前驅體,同時,公司是松下國內唯一三元材料前驅體供應商,松下的18650電池單元使用的正極材料選用鎳鈷鋁鋰LiNiCoAlO2,其前驅體的供應商就是公司的控股子公司金天能源材料有限公司。目前公司正極材料產能可達到2000噸,未來準備將產能進一步擴至10000噸。
l橫店東磁
公司于04年和上海交通大學聯合開發正極材料,目前已擁有正極材料生產技術的知識產權,其磷酸鐵鋰正極材料已于今年3月進行批量試產。
l江特電機
公司的控股子公司江西江特鋰電材料有限公司主要生產富鋰錳基正極材料新型材料和三元正極材料,產能為1000~1200噸,下游客戶主要為動力電池生產商。
l江蘇國泰
公司控股的江蘇國泰鋰寶新材料有限公司建設1100噸/年正極材料錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料的產業化項目正在逐步推進當中,目前已在進行市場推廣、客戶評價和試銷。
負極材料
負極材料是生產鋰電池過程中另一個關鍵材料,它直接影響著鋰電池在安全性能上的表現。
作為鋰電池的負極材料,需滿足以下要求:
l正負極的電化學位差大,從而可獲得高功率電池;
l在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小;
l鋰離子的可逆容量大,理離子嵌入量的多少對電極電位影響不大,這樣可以保證電池穩定的工作電壓;
l高度可逆嵌入反應,良好的電導率,熱力學穩定的同時還不與電解質發生反應;
l循環性好,具有較長循環壽命;
l鋰離子在負極的固態結構中具有高擴散速率;
l材料的結構穩定、制作工藝簡單、成本低。
目前無論是國內還是國外,在負極材料的選擇主要還是以石墨天然石墨、人工石墨、中間相碳微球、碳纖維為主,其中天然石墨占據了全球50%以上的份額,而人造石墨和中間相碳微球在動力電池領域更具競爭力。
石墨具有導電性好、結晶度高、充放電比容量高的優點,但也存著一些難以克服的弱點,比如石墨在電解液中會形成鈍化膜,會引起能量的損耗,而且當電池充電時,石墨負極表面會析出金屬鋰從而引起電池短路。隨著溫度的升高,石墨負極將首先與電解液發生放熱反應,有可能會生成易燃氣體,發生燃燒的風險較大,所以石墨并不是最理想的負極材料,未來被非碳負極材料取代的可能性很大。
盡管世界各國都對各種非碳負極材料進行了深入研究,特別是近年來納米結構的非碳負極材料如錫的復合氧化物、鈦氧化合物及鈦酸鹽類化合物等,受到了廣泛關注,但是這些材料仍存在很多問題尚未解決,無法實現大規模應用,還需要在生產路線和工藝進行不斷改進。
由于石墨負極材料技術含量較低,因此國內企業在該領域發展極為迅速,負極材料也是國內鋰離子電池四大關鍵組件中唯一實現產業化的材料。目前深圳貝特瑞新能源材料、上海杉杉科技等都已經躋身世界級公司,其中,深圳貝特瑞市場占有率為全球第二,客戶包括松下、三星等130多家廠商。除了國內企業,全球負極材料生產企業主要來自日本,其中日立化成一直穩居全球第一。
國內相關上市公司介紹:
l中國寶安000009
公司控股的深圳貝特瑞是國內第一、全球第二的負極材料供應商,是國內鋰電池碳負極材料標準制定者。公司產品主要有天然復合石墨、人造石墨、球形石墨以及天然微粉石墨的負極材料,年產能共26000噸,國內市場份額70%以上,全球市場份額23%。公司產品不僅面向國內40多家鋰電生產商,包括TCL、比亞迪、比克、力神等,還大量出口至日本、韓國、美國等多個國家,客戶覆蓋韓國三星、日本松下、三洋等多家國際鋰電巨頭。
l杉杉股份600884
公司是國內負極材料的龍頭企業之一,其技術和產品性能都處于國際領先地位。公司負極材料主要由子公司上海杉杉科技生產,其負極產品可以分為中間相、人造石墨、天然石墨、綜合型四大系列,并積極開發硬炭等新品種,年產能達到12000噸,國內市場份額約24%。公司目前負極材料主要應用于消費電子鋰電池,而且主要是滿足國內鋰電企業的需求,其動力鋰電業務產能雖然較小,但未來發展空間較大,公司已經與德國動力電池企業EVONIK簽訂動力電池供貨協議。
隔膜
隔膜是保證鋰離子電池安全穩定工作的核心材料,主要難點在于復合材料、厚度、強度、孔徑等。隔膜是鋰電材料中技術壁壘最高的一種高附加值材料,毛利率一般可以達到40%以上。由于具備較高的技術壁壘,目前世界上只有日本、美國等國擁有電池隔膜的先進生產技術和相應的規模化產業。
目前全球隔膜市場仍主要被日本旭化成工業、日本東燃化學、美國Polypore、韓國的SK等企業主導,按照市場份額可以分為三個梯隊:第一是旭化成、Polypore和東燃化學,市場占比約64%;第二梯隊為日本宇部、SK和美國Entek,占比約28%;第三梯隊主要來自中國隔膜的“三巨頭”,包括星源科技、金輝高科和新鄉格瑞恩,國產隔膜主要集中在中低端市場,市場占比約6%,目前我國80%以上的鋰電池隔膜需求仍然依賴于美日的進口,而動力鋰電隔膜基本全部由國外供應。預計到2015年,國內隔膜需求量約4億平方米,其中動力鋰電隔膜約1億平方米,2012年國內鋰電池隔膜企業總產量僅為1.8億平米,隨著未來國內隔膜尤其是動力鋰電隔膜產能的進一步擴大,國內隔膜產品將有極大的進口替代空間。
國內相關上市公司介紹:
l佛塑科技
公司是國內隔膜行業的龍頭,其參股的星源科技和金輝高科為國內前兩強隔膜生產商,它們也是國內少數能夠大規模生產動力鋰電隔膜的企業。其中,星源材質是公司的控股子公司,其同時擁有鋰離子隔膜干法和濕法生產線,產能可以達到9000萬平方米,而金輝高科是公司與比亞迪共同組建的一家合資企業,公司持有32.125%股權,金輝高科是國內第一家使用濕法工藝生產鋰離子電池隔膜的廠家,經過幾次擴產項目后,目前公司產能已超過1億平方米。
l南洋科技
公司參與發起的浙江泰洋鋰電池材料股份有限公司持股85%,經營范圍為鋰離子電池隔膜及鋰離子電池其他材料。2011年,公司開始建設年產能為1500萬平方米鋰離子隔膜項目,并于2012年實現量產。
l深圳惠程
公司控股子公司江西先材納米纖維科技有限公司于2011年提出規劃建設年產2億平方米聚酰亞胺PI納米纖維電池隔膜產品生產基地,項目總投資額約6億元,2014年項目達產。公司于今年3月公告稱公司聚酰亞胺PI隔膜鎳鈷錳鋰離子電池已通過北方汽車質量監督鑒定試驗所的檢測,這證明聚酰亞胺PI隔膜在動力電池及儲能電站方面具有廣闊的應用空間。目前,公司已經在加快電池隔膜的技術開發及產業化進程,預計下半年將批量推向市場,并將成為未來隔膜行業的有力競爭者。
l滄州明珠
公司定位于動力鋰電隔膜的生產,是國內除了星源材質、金輝高科、新鄉格瑞恩以外第四家能夠實現動力鋰電隔膜量產的生產商。公司募投的2000萬平方米鋰電隔膜項目已經開始試生產,主要下游客戶包括比亞迪和蘇州星恒等。
電解液
電解液是鋰電池的關鍵材料之一,被譽為鋰電池的“血液”,電解液在電池中正負極之間起到傳導電子的作用,是鋰電池獲得高電壓、高比能等優點的重要保證。
電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽六氟磷酸鋰,LiPF6、必要的添加劑等原料,在一定條件下,按一定比例配制而成,新型鋰鹽Li2B12F12由于具有優良的高溫穩定性也受到廣泛關注。目前,電解液領域的研究重點仍然集中在添加劑的選型與配比上。
近年來,全球鋰電池電解液產業發展平穩,市場主要集中于三菱化學、韓國Panax-Etec和日本宇部,三家公司約占全球市場份額的70%。緊隨其后的依次為:張家港國泰榮華、富山化學、三井化學、岸田化學及國內其他企業。國泰榮華是國內電解液的龍頭,市場份額為全球第四,約15%,國內其他主要企業包括新宙邦、東莞杉杉、天津金牛、北化所等10余家,電解液產能都在每年千噸級以上,覆蓋高、中、低端各個市場,除滿足我國鋰電池生產的需要外,還實現了部分出口。
國內相關上市公司介紹:
l江蘇國泰002091
公司控股子公司國泰華榮化工新材料有限公司是國內生產鋰電池電解液的主要產商,國內市場占有率超過30%,全球市場份額15%,產能為10000噸。公司電解液定位于高端市場,國內客戶主要有比克、力神、萬向等電池廠商,同時它也是國內首家實現出口的企業,目前產量的30%用于出口,客戶包括韓國三星、LG、日本索尼等國際鋰電巨頭。
l新宙邦300037
公司電解液業務已進入國內前列,并在海外市場取得快速發展,目前產能為3600噸,今年南通項目達產后產能將新增5000噸,新產能一部分通過舊有客戶需求增長以及新大客戶引入消化,一部分作為動力及儲能電池電解液產能儲備。公司已獲得日韓多家鋰電廠商的供應商資格,索尼、松下、三星等均為公司下游客戶,其電解液出口量占國內企業總出口量的20%左右。
l杉杉股份600884
公司的控股子公司東莞杉杉是國內最大的聚合物鋰電池電解液生產商,自成立以來一直保持穩健的發展勢頭,國內市場份額14%,位居國內第三,全球市場份額為7%,現階段擁有5000噸的年產能。公司主要客戶有東莞新能源科技、深圳比克科技、天津力神、深圳比亞迪等。
電芯制造與封裝
作為電池生產過程中最重要的部分,電芯的質量直接決定整個鋰電池的質量。目前市場上實現大規模應用的電芯主要有三種,傳統的圓柱型電芯以18650電芯為代表和方形電芯以及近年來剛剛興起的聚合物電芯。
聚合物電芯與前兩者的內在區別主要體現在電解質上,傳統電芯中電解質使用的都是LiPF6。
從產品設計和生產的角度看,聚合物擁有最大的設計彈性,完全可以根據終端產品的設計要求進行定制化設計和生產,充分利用產品空間,其生產自動化水平也正在不斷提升之中。
從價格來看,聚合物電芯的單位電量價格約為傳統圓柱型電芯的2倍,而方形電芯價格則介于兩者之間,隨著聚合物鋰電池逐漸成為市場主流,鋰電池總體價格將持續提升。
目前來看,圓柱型鋰電池與方型鋰電池仍然占據市場主導地位。但如果價格能夠降到合理水平,聚合物鋰電池或將逐步替代圓柱型與方型電池,成為鋰電池未來的發展方向。
目前的全球電芯企業主要集中在中日韓三個國家,近年來發展迅速的韓國三星SDI已經躍居為全球最大的電芯制造商,占據了23%的市場份額,其次為日本三洋、松下、LG化學、SONY。國內企業比亞迪、比克、力神經過多年的努力,也已經取得一定的市場地位。但目前國內企業生產的電芯主要應用于消費領域,最終應用于動力領域的企業比較少。
從過去幾年的發展情況來,全球幾大電芯企業的產品增量主要來自于消費電子產品如手機、筆記本以及Pad的需求爆發,但從長遠來看,便攜鋰電池的需求增速將有所減緩,而動力鋰電池隨著新能源汽車的興起將成為未來的重要需求來源。
2012年全球電動汽車用動力鋰電池市場規模約為18億美元,高工鋰電產業研究所預計,2020年其市場規模有望擴增至150億美元,未來7年復合增長率為35%。
基于全球動力鋰電池巨大的市場需求增速,傳統便攜鋰電池的生產商都在積極布局。從市場份額來看,傳統鋰電池生產企業仍然是動力鋰電池市場的主導者,其中日韓鋰電池企業占據了絕大部分市場份額,2012年前七大生產企業中,僅有1家是美國企業,其余分別是4家日本企業,2家韓國企業。
鋰電池產能將繼續向中國轉移
對于鋰電池產業鏈上的相關企業來說,全球鋰電池需求的快速增長給它們帶來了巨大的發展機遇,尤其是日、韓企業,它們憑借先進的技術實力和嚴格的質量管理占據了全球鋰電產業鏈的頂端。
相比之下,國內鋰電行業相關企業在多個環節與日韓企業仍具有較大差距,其收入增長主要來源于兩個部分:全球范圍的鋰電池需求增長以及產能向中國的轉移。
從整個產業鏈的各個環節來看,碳酸鋰行業的最大壁壘在于鋰資源,誰掌控了鋰資源誰就擁有行業主導權。
而對于技術壁壘較低的負極材料、電解液以及封裝行業,國內企業在人力成本、規模等方面相比國外競爭對手擁有較為明顯的比較優勢,在全球范圍內擁有較強的競爭力,產能轉移較早開始。
正極材料、隔膜、電芯制造屬于高技術壁壘、高附加值的行業,在這些領域里日韓企業擁有較高話語權,尤其是在高端市場,而國內企業則主要在中低端市瞅者某個細分領域搶占份額,產能轉移難度相對較大。
國內企業若要在正極材料、隔膜、電芯制造領域實現大規模產業轉移,難度依然較大,但也不是完全沒有可能:
首先,國內新能源汽車產業剛剛起步,隨著國內需求的逐步增長,國內相關企業將首先受益。由于目前國內企業的下游需求主要來自全球鋰電池的需求增長,而國內需求的增長將對國內企業起到明顯的帶動作用;
其次,中低端市場空間依然巨大,國內企業可以憑借局部優勢在某些細分領域獲得發展;
第三,國家政策支持以及資本投資將成為產能轉移過程中的關鍵驅動因素,由于這些領域技術進步相對較快,研發投入大,因此若能在政策層面給予足夠的支持,加大資本投資,將會有效提高國內企業的技術實力以及在全球市場的競爭力。
電機驅動系統
電機驅動系統和蓄電池系統、控制系統一起并稱為新能源汽車的三大核心,電機驅動系統因為是整車的動力輸出單元,也被成為電動汽車的“心臟”,其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標,其重要性凸顯無疑。
電動汽車的整個驅動系統包括電機驅動系統與機械傳動機構兩個部分,其中電機驅動系統主要由驅動電機、功率轉換器、電機控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構成。
新能源汽車用電機驅動發展到至今,伴隨著電機設計、制造技術的進步和電機控制技術及電力電子元器件技術的發展,逐漸演化形成如今的三大電機系統:永磁同步電機系統、感應電機系統異步電機以及開關磁阻電機系統。
直流有刷電機系統
直流有刷電機的主要優點是控制簡單、技術成熟,具有交流電機不可比擬的優良控制特性。在早期開發的電動汽車上多是采用直流有刷電機,但由于存在電刷和機械換向器,不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高,而且如果長時間運行,勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外,由于損耗存在于轉子上,使得散熱困難,限制了電機轉矩質量比的進一步提高。因此,目前所生產的電動汽車已基本不使用直流有刷電機。
l永磁同步電機系統
永磁同步電機的一大特點就是應用了高磁能積、高矯頑力的稀土燒結釹鐵硼永磁材料。稀土燒結釹鐵硼永磁材料的磁性能優異,它經過充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場,用來替代傳統電機的電勵磁場所制成的稀土永磁電機不僅效率高、結構簡單、運行可靠,而且還具有體積孝重量輕的優點。既可達到傳統電勵磁電機所無法比擬的高性能,又可以制成能滿足其他特定運行要求的特殊電機。
永磁同步電機系統因為永磁材料和電力電子器件的應用取消了傳統的電刷、滑環,因此也叫永磁無刷電機。根據電流控制方式的,又可以區分為永磁無刷直流電機系統和永磁同步電機系統。
三相異步電機系統
三相異步電機系統同樣包含三相異步電機及其控制器,其主要特點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、低扭矩脈動、低噪聲、不需要位臵傳感器、轉速極限高。
三相異步電機的矢量控制調速技術已經比較成熟,這也使得異步電機驅動系統具有明顯的優勢,因此被較早應用于電動汽車的驅動系統,但目前已被其它新型無刷永磁電機逐步取代。
開關磁阻電機
開關磁阻電機驅動系統主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、轉子位臵傳感器四大部分組成。控制器內包含控制電路與功率變換器,而轉子位臵傳感器則安裝在電機的一端。
開關磁阻電機驅動系統的主要優點是電機結構緊湊牢固,適合于高速運行,并且驅動電路簡單、成本低、性能可靠,在寬廣的轉速范圍內效率都比較高,而且可以方便地實現四象限控制。這些優點使開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛在各種狀況下運行,是電動車用電機中極具潛力的機種。
但是,開關磁阻電機驅動系統存在轉矩脈動大、噪聲大的缺點,而且相對于永磁電機而言,功率密度和效率偏低;另一個缺點是要位臵傳感器的使用增加了電機結構的復雜性,可靠性會有所降低。
電機驅動系統性能比較
縱觀全球范圍內新能源汽車電機系統的發展,早期一直是采用控制性能最好和成本較低的直流有刷電機,但隨著電機技術、機械制造技術、電力電子技術和自動控制技術的不斷發展,永磁同步電機和開關磁阻電機顯示出比直流有刷電機更加優越的性能。
永磁同步電機和交流異步電機和已經成為當今新能源汽車的主流驅動電機,在乘用車領域永磁同步電機憑借高轉矩密度、高效率以及轉速范圍寬等優勢,已經基本占領了國內外市場;在商用車領域,考慮到商用車空間相對較大,交流異步電機可靠性比較高,因此仍有大量廠商采用交流異步電機的技術路線;而開關磁阻電機系統雖然有較好的性價比和可靠性,但是固有的轉矩脈動大,噪聲大的缺點使得它在乘用車等非常重視舒適度的車輛上幾乎無法使用。因此從綜合性能來看,永磁同步電機系統仍然是最優的選擇,但最后還是要根據新能源汽車自身的特殊要求來決定電機的類型。
電機驅動系統產業化現狀
電機驅動系統的產業鏈驅動模式可以簡單概括為在下游需求,尤其是汽車產業需求快速增長的推動下,電機驅動獲得了很好的發展機遇,進而對上游原材料和電子產業起到良好的拉動作用。
電機驅動系統主要由驅動電機和電機控制器兩部分構成。從電機驅動系統的產業價值鏈來看,驅動電機和電機控制器所占的成本之比大致相同。根據設計原理與分類方式的不同,電機的具體構造與成本構成也會有所差異。
1、永磁材料。
永磁材料是永磁電機的重要構成部分,而永磁材料必需依賴釹等稀土資源,以Pruis為例,Pruis的每臺電機就需要一公斤的釹。釹鐵硼作為第三代稀土永磁材料,具有較高磁能級、較強矯頑力和高性價比等優點,因此在汽車領域有著廣泛應用。由于全球絕大部分稀土產量均來自中國,隨著一系列稀土產量調控措施的出臺,全球稀土供需狀況將更為緊張,我國在永磁電機生產的資源優勢也將逐步顯現。自2003年起,燒結NdFeB磁體在美國已完全停止生產,在歐洲也已基本停產,世界磁材產業逐步向中國轉移,中國也憑借價格優勢和資源優勢迅速成為世界磁材產業的中心。
目前國內進入該領域的上市公司主要有中科三環和寧波韻升,兩者是國內最大的兩家釹鐵硼供應商。隨著全球汽車產商在電動汽車領域的加速擴大,將會進一步刺激對釹鐵硼的需求,國內企業將受益明顯。據估計,每臺混合動力汽車電機約需使用5kg高性能釹鐵硼永磁材料。
2、硅鋼材料。
硅鋼是含硅量在3%左右的硅鐵合金,它也是目前產量最大的金屬功能材料,主要應用于各種電機、發電機和變壓器的鐵芯,它的性能會直接影響到電機的效率。硅鋼材料生產工藝較為復雜,在制造技術上也非常嚴格,國外的生產技術都以專利形式加以保護,而我國在硅鋼材料的生產技術、設備、管理等方面與國外相比,仍存在著較大差距。
國內驅動電機產業化現狀
作為電機行業的細分領域,電動汽車驅動電機是一個小行業。由于這一行業處于起步階段,總體上市場規模并不大,但隨著下游電動汽車行業的快速興起,預計未來驅動電機的市場規模將逐步擴大。
由于驅動電機需滿足各種特殊要求,技術門檻較高,所以我國目前電動汽車驅動電機生產企業數量并不多。新成立的高新技術企業是這一行業的主力軍,它們一般是通過與清華大學、北京理工大學等高校或者科研院所進行合作獲得相應技術,這些企業的市場地位很明確,就是專注于電動汽車驅動電機的生產和研發。除了新成立的高新企業外,我國還有很多驅動電機企業是由傳統整車及零部件生產企業或電機制造商轉型而來,這些企業具有較為成熟的生產體系以及研發能力,所以也能夠較好的滿足驅動電機的生產要求。
雖然目前驅動電機行業規模還較小,但其成長潛力吸引了一大批優秀的外資電機生產商參與到這一領域的競爭。如博世、電裝、日立等世界最大的幾家電機生產商都已通過合資或直接投資的形式成立驅動電機生產部門,它們憑借在在電機領域的先進生產經驗以及高品質的產品迅速占據國內市場的一部分份額,對國內企業形成了巨大的威脅。
國內企業在驅動電機生產方面與外資企業相比優勢在于:
首先,我國擁有豐富的稀土資源,可以為驅動電機的生產提供重要的原材料釹鐵硼;其次,我國的電機產品在性價比上具有一定優勢,能夠在中低端產品上具有一定競爭力。
當然,國內的驅動電機生產與外資企業仍然有不小差距,主要體現在:
首先,由于國內驅動電機生產尚處于起步階段,所以制造工藝相對落后,在產品的可靠性、一致性以及集成化水平上還有待進一步提高;其次,國內在硅鋼、電機高速軸承等核心原材料上研發能力較弱,進口依賴較為嚴重,而進口產品成本往往較高,影響驅動電機產業的發展。
整車控制系統——新能源汽車的大腦
在電動汽車中,整車控制系統主要是指整車控制器,它在汽車中就相當于人體的大腦,在汽車行駛過程中執行多項任務,包括:1接收、處理駕駛員的駕駛操作指令,并向各個部件控制器發送控制指令;2針對關鍵信息的模擬量進行狀態的采集輸入及控制指令量的輸出;3接收處理各個零部件信息,結合能源管理單元提供當前的能源狀況信息。
整車控制器的開發包括軟、硬件設計,核心軟件一般由整車廠研發,硬件和底層驅動軟件則一般由汽車零部件廠商提供。
國外生產已趨于成熟,產品標準化將成為重要趨勢
國外由于在電動汽車領域起步較早且已積累豐富的生產經驗,所以在整車控制器的生產技術上已經趨于成熟,無論在控制策略,還是在節油效果上,都表現良好,其可靠性也得到了市場的廣泛認可。
目前,全球各大汽車零部件生產商如德爾福、大陸、博世集團等都紛紛進行整車控制器的研發和生產,而其他部分汽車設計公司也為整車廠提供整車控制器技術方案,如AVL、FEV、RICARDO等,在電動汽車整車控制器領域也有不少成功的例子。
從未來的發展趨勢來看,控制器日趨標準化將成為企業開發過程中的重要趨勢。由全球汽車制造商、部件供應商及電子、半導體和軟件系統公司聯合建立的汽車開放系統架構聯盟已經就整車控制器的開發形成了AUTOSAR標準,該標準大大簡化了開發流程,有利于整車控制行業的發展。
國內以“產學研合作”模式為主,進口依賴較為嚴重
國內的整車控制行業主要是采勸產學研合作”的模式,以高校為依托進行技術研究,為整車控制器生產提供必要的軟、硬件開發技術。目前,清華大學、同濟大學、北京理工大學等高校都已掌握較為完備的開發技術,基本可以滿足電動汽車的需求。盡管如此,國內市場無論是這些高校還是一些企業,在產品技術水平和產業化能力上都與國外有較大差距,目前只能進行小批量生產和銷售整車控制器產品,而國內大部分電動汽車生產商也更傾向于選擇國外供應商的產品。
國內整車控制器在產業化過程中主要存在以下問題:
首先,我國電動汽車行業起步較晚,基礎數據庫不完善,不利于整車控制器設計水平的提高;
其次,國內企業能夠完成整車控制器硬件結構的設計,但由于芯片集成度較低,所以在可靠性和穩定性上仍有很大的提升空間;
第三,國內控制器基礎硬件和開發工具基本依賴進口,成本往往較高。
新能源汽車下游產業鏈價值也相當可觀
新能源汽車下游產業主要包括與新能源汽車配套的基礎設施建設和服務,其中基礎設施建設有充電站樁和電池更換站,而服務主要包括電池租賃和其他配套服務。
充電站樁
一般而言,充電站給電動汽車充電的方式主要有普通充電和快速充電兩種模式,而對于一些續駛里程長而又沒能及時充電的情況,換電或許是更佳的一種選擇方案。
在國家政策和地方政府的合力扶持下電動汽車充電站已經進入了快速建設時期,尤其是在北京、上海、深圳等大中城市,充電站已較為普遍。
雖然國內充電站建設已形成規模,但在充電方式的選擇上一直存在著充電與換電的模式之爭。其中充電模式以國內汽車制造商為代表,如比亞迪、江淮等,而換電模式則以電網及石油企業,如國網、南網。由于兩個陣營的利益之爭,對于充電模式的選擇在短期內仍難有定論,兩種模式也將在融合中探索最佳的方案。
這其中國家電網在電動汽車充換電站的建設上走在前列,其推崇的是換電模式,其中青島薛家島智能充換儲放一體化示范電站安全運營兩周年。目前,該站共計安全運營713天,換電138633次,服務車輛行駛里程1810萬公里、消耗電量1788萬千瓦時,各項關鍵運行數據屢創新高。對電動汽車充電模式的選擇具備一定的示范作用。
在充電站的建設過程中需要很多設備,包括充電樁、充電機、電能監控系統、有源濾波裝臵以及變壓器等,相關的上市公司也將在充電站建設中直接受益。
配套服務
電池租賃是新能源汽車配套服務中的一個新興產業,消費者只需向廠家繳納一定數額的押金和每月固定費用的租金,就可以擁有電動汽車的使用權。租賃模式是由廠家來承擔新能源汽車的較高成本,最大限度地降低消費者購買和使用新能源汽車的“門檻”。對于汽車生產商,可以通過消費者的租賃使用獲得第一手反饋信息,發現產品需要改進的地方;而對于普通消費者來說,能夠更容易接觸和使用新能源汽車,體會新能源汽車帶來的全新低碳生活。

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