2023年新能源汽车产业报告——驱动电机及控制系统_陆柏生.pdf

CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 14INDUSTRY PERSPECTIVE产业观察2023年新能源汽车产业报告驱动电机及控制系统新能源汽车产业是一个战略性的新兴产业，不仅可以促进产业向高端发展，而且是促进节能减排的有效措施。针对日益突出的能源危机和环境问题，新能源汽车已经成为实现我国低碳环保发展的重要抓手，为实现国家“可持续发展”战略和我国浙江省新能源汽车电机/驱控产业起步较早，驱动电机系统技术取得了很大进步，形成了基础扎实、优势突出、协同融合的链式发展态势，基本能满足目前新能源汽车的应用需求。但距世界先进国家技术实力还存在较大的差距。车的关键部件，直接影响新能源汽车的性能和可靠性。从20 世纪80 年代开始，伴随着新能源汽车产业的发展，国内外有大量的研究机构和企业进行新能源汽车电机/驱控系统的研究开发。通过多年的发展，国外电机/驱控系统的研发、制造水平均取得了明“十三五”经济发展目标，我国从2021年到2035年制定了新能源汽车产业发展规划（20212035年），旨在不断推进新能源汽车行业的可持续发展，促进改善空气质量、提升能源利用效率和加强汽车行业数字化转型。电机/驱控系统作为新能源汽卧龙控股集团有限公司 陆柏生 刘憬奇 电器工业202304设计排版.indd 222023.4.25 11:39:37 AM2023.04.DQGY 15CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察显进步，技术实力一直领跑整个行业。我国从20世纪90年代开始进行电机/驱控系统研究，起步时间较晚。但是随着国内新能源汽车行业的快速兴起，特别是从2001年起，科技部开始实施“十五”至“十三五”连续四个五年计划的新能源汽车重大专项计划，加上国家发展改革委、财政部、工信部等部委的各种政策支持。目前已构建了较为完善的电机/驱控产品开发体系和生产制造体系，开发出一系列具有较强的竞争力的电机/驱动系统产品。一、浙江省行业现状浙江省一直走在国内新能源汽车电机/驱控产业的前沿，特别是前瞻性地规划布局了新能源汽车产业发展方向，2021年4月8日，浙江省发改委发布浙江省新能源汽车产业发展“十四五”规划，提出要坚持产业集群发展，围绕整车制造优化布局产业链和创新链，着力打造环杭州湾汽车产业集群，积极建设温台沿海汽车产业带，特色推进各地方汽车产业协同发展，逐步形成“一湾一带多基地”的专业化、协作化、联动化的新能源汽车空间发展格局。近年来，浙江省新能源汽车电机/驱控产品制造能力不断提升，部分领域达到国内领先水平，已形成较为完整的产业链，浙江省已形成以杭州为中心的新能源汽车电机/驱控产品制造核心区域，以宁波、温州、台州等为代表的关键零部件及新材料配套项目集中区，产业链企业加速汇集。（一）电机电控产业链竞争力不断增强以杭州市为中心的新能源汽车电机/驱动产业在不断积聚的同时，浙江省其他城市也加快引进培育新能源汽车电机/驱控产业链企业，加速推进新能源汽车电机/驱控产业集群发展载体建设，不同产业集群载体重点发展的产业链环节有所区别，产业集群差异化发展更好地推动了浙江省新能源汽车电/驱控产业链建设的完善和产业规模的扩张。出现了很多新的发展趋势。（1）传统电机/驱控企业加速转型新能源汽车产业传统电机/驱控产品制造企业利用自身在相关产品设计、制造、加工的人才、设备优势，通过持续不断的技术研发和设备升级，成立专门的事业部或生产车间，加速向新能源汽车电机/驱控行业转型，借助新能源产业东风，快速扩张。（2）新能源汽车电机/驱控企业注册数量持续攀升浙江省新能源汽车电机/驱控产业发展基础位居全国前列，企业营商环境优异，吸引了大量新能源汽车电机/驱控产业企业落地省内发展，近年来，浙江省新能电器工业202304设计排版.indd 232023.4.25 11:39:41 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 16INDUSTRY PERSPECTIVE产业观察源汽车电机/驱控产品历年新注册企业数量快速增长，据不完全统计，2021年，浙江省全年新增新能源汽车电机/控制产业注册企业达1000家，较2020年同类新增注册企业数量增长了近1倍；2022年，浙江省新能源汽车电机/控制产业新增注册企业数量再创新高，截至2022年末，2022年浙江省新能源汽车电机/驱控产业相关新增注册企业数量达1500家，浙江省新能源汽车电机/驱控制造产业发展持续火热。截至2023年2月，浙江省处于正常经营的新能源汽车电机/驱控产业链企业数量超1万家，年产新能源汽车电机/驱控产品200万台/套，功率范围10300kW，电压481000V，培育出包括卧龙电驱、信智集团、菲仕运动、方正电机、九洲新能源、新能科技、科洋电机等一批新能源汽车电机/驱控产业链龙头企业。（二）技术创新水平持续提升近年来，浙江省政府不断完善创新体系，已建成19个省级重点企业研究院、11家产业创新服务综合体、9家省级工程研究中心、7家省级制造业创新中心等新能源汽车电机、驱控产品创新载体，开发出一批标志性产品和战略性成果。加快了新能源汽车电机/驱控产品的产业化进程，也使浙江省电机驱动产品技术及其产业化得到了长足的进步，具体体现在：1）构建了较完善的永磁同步驱动电机系统和异步驱动电机系统两种不同技术路线的开发平台；2）开发出功率（峰值功率）等级10300kW 的风冷和水冷用异步驱动电机系统和永磁同步驱动电机系统，批量应用于纯电动及混合动力商用车、乘用车和物流车。其中部分产品批量出口欧美国家；3）电机的功率密度、最高效率和最高转速等主要性能指标与国外产品相当或接近；4）电机和控制器的制造工艺水平和批量制造能力达到国际先进水平；5）电机/驱动产品的功能安全、电磁兼容性等日趋完善；6）电机和控制器主要材料及零部件配套能力日益增强；7）构建了比较完善的电机/驱动系统的标准体系。（三）电机产业大脑建设“赋能产业 驱动未来”电机产业大脑3.0发布会在2022世界互联网大会上隆重举行，电机产业大脑以舜智云工业互联网平台为基础，融合政府侧和企业侧，贯通供给侧与需求侧，为企业生产经营提供数字化赋能，为产业生态建设提供数字化服务，为产业治理提供数字化手段，以数据资源为关键要素的综合赋能开放平台，聚焦模式创新，降本增效，节能降碳和跨行业、跨领域、跨企业间的高效协同。电器工业202304设计排版.indd 242023.4.25 11:39:43 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 17INDUSTRY PERSPECTIVE产业观察电机产业大脑的建立可加快新能源汽车电机/驱控产业数字化转型；搭建产业交流、合作创新、共谋发展的平台，赋能产业高质量发展。二、发展中遇到的问题和困难总体上看，浙江省新能源汽车电机/驱控产业起步较早，驱动电机系统技术取得了很大进步，形成了基础扎实、优势突出、协同融合的链式发展态势，基本能满足目前新能源汽车的应用需求。但距世界先进国家技术实力还存在较大的差距。能源汽车电机/驱控产业发展亟待解决的问题是如何进一步提升“6H1L”所涉及的内容：6H为高功率密度（High power Density）、高体积密度（High Volume Density）、高效率（High Efficiency）、高可靠性（High Reliability）、高品质（High Quality）和高安全性（High Safety），其中高品质指低振动噪声、低转矩脉动和良好的电磁兼容性；1L为低成本（Low Cost）。三、发展展望及对策（一）发展展望能源枯竭、气候变暖和环境污染一直是生态环境问题的“三座大山”。为了解决这三大问题，发展清洁能源、改善能源使用结构，减少碳排放和污染物排放势在必行。为实现新能源汽车电机/驱控产品的“6H1L”目标，电机/驱产品下一阶段的技术发展趋势如下。（1）永磁化由于永磁驱动电机具有效率高、功率密度高等先天优势，随着永磁驱动电机设计制造技术及控制技术的日臻完善，永磁驱动电机将成为包括新能源汽车用在内驱动电机的主流。（2）高速化提 升 电 机 的 转 速 是 提 升 功率密度和降低成本较为明显的方法。（3）集成化集成化是指对电机、控制器及机械传动系统，甚至是电气系统等进行不同程度的集成，通过集成可以降低整个驱动电机系统的质量、体积和成本。（4）数字化数字化主要指控制系统的数字化，包含硬件与软件两方面。硬件数字化指通过采用高速、高集成度、低成本的专用芯片，使控制电路更为小型化、集成化；软件数字化则体现在电机控制算法（通过采用高性能的转矩转速控制和在线辨识、可靠的故障监控和系统保护、自动适应恶劣工况变化的控制系统，提升控制系统的稳定性和自适应性等）和具有完善的可靠性测试和高安全性的软件架构上。（5）平台化和模块化通过驱动电机系统的平台化和模块化，可以缩短开发周期并降低驱动电机系统的成本。（二）解决策略从技术开发层面推进新能源汽车电机/驱控产业发展。要加强技术研发特别是基础技术的研发投入，加大投入力度以促进新能源汽车电机/驱控产品的技术创新能力。要完善相关技术规范，为新能源汽车电机/驱控产品技术发展提供必要法规支持。此外，还要加强与企业对接，建立技术交流平台和技术融合合作推动新能源汽车的技术升级。（1）基础理论的研究经 过 一 百 多 年 的 发 展，电机，包括驱动电机的基础理论和工程实践已非常完善，经过近60年的发展，控制器和控制理论也日趋完善，“可发展性”潜力有限。尽管如此，这些基础理论依旧是驱动电机系统设计和研究的基础。（2）设计方法的研究同样经过长期的发展，尤其是设计软件的多样化及功能的日趋完善，为驱动电机系统的设计提供了非常便利的条件。但驱动电机系统是一个多学科融合的系统，涉及机械、功率电子、微电子和材料等学科。因此在掌握这些软件的同时，知晓单独的电机、控制器和控制策略的设计电器工业202304设计排版.indd 252023.4.25 11:39:44 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 18INDUSTRY PERSPECTIVE产业观察要求及设计流程是产品设计的基础，熟悉驱动电机系统之间以及与“关联对象”的相互影响，是设计出“系统最优”的驱动电机系统的前提。另外，不断提升的转矩密度、功率密度和成本等要求使得设计不断超越以往经验的极限，驱动电机系统的材料利用已达到极限，其内部的电磁场、应力场、温度场和流体场相互耦合和相互影响，因此进行多物理场的耦合设计是设计方法的最高境界。（3）材料和元器件的发展应该说，每一次电机和控制器的技术进步均是依托材料和元器件的进步而发展的。电机和控制器新的应用需求也对材料和元器件的性能提出了更高要求，促进其不断发展。对于驱动电机系统设计者，首要的任务是了解现有材料和元器件的特点和性能，选择合适的材料和元器件。（4）新型驱动电机系统拓扑结构的研究包括控制器的主电路、永磁电机的磁路结构和绕组结构、新型电机结构（如记忆电机、变磁通电机、多相电机、容错电机、混合励磁电机等）。严格意义上讲，由于电机和控制器理论的完善，驱动电机系统不存在新的拓扑结构，但根据新能源汽车特定的运行场景，选择合适的“拓扑结构”，将该“拓扑结构”用到极致，则是研究者追求的目标。（5）控制策略的研究基于矢量控制或者直接转矩控制的驱动电机控制策略已较为完善，但新能源汽车“高效、高动态稳定性”的应用特点向电机控制器策略提出了新的研究需求。（6）可靠性和耐久性技术研究目前针对驱动电机系统可靠性的理论和实践尚不成熟，除了按照汽车行业质量管理体系 汽车生产件及相关服务件应用ISO 9001:2015 的特别要求（IATF 16949:2016）对驱动电机系统的开发、生产、试验等方面进行管理，并按照相应的质量控制工具开展相关工作外，开展驱动