（报告出品方/作者：安信证券，徐慧雄、徐昊）
1.电机电控技术路径迭代，高功率密度是发展方向
1.1.新能车电驱动系统详解
新能源汽车的电驱动系统主要由驱动电机总成、电机控制器总成和传动总成组成。驱动电机的主要功能是为新能源汽车提供动力，将电能转化为旋转的机械能，主要构成包括定子、转子、结构组件和壳体；电机控制器总成的作用是基于功率半导体的硬件及软件设计，对电机的工作状态进行实时控制，使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作，主要由功率组件、控制软件和传感器组成；传动总成的作用是将驱动电机的转速降低、转矩升高，以保证驱动电机的转矩、转速满足车辆需求，主要由减速器、齿轮组、离合器和半轴组成。
新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步电机和交流异步电机。永磁同步电机的转子是永磁体，定子绕组可以使用圆线和扁线，功率密度较高，适用于低速、高速切换以及频繁启停等复杂路况，是目前国内新能源汽车驱动电机的主流技术路径。交流异步电机的定转子均是使用圆线的绕组，适用于高速路况，在国内主要应用于四驱车型的辅助驱动系统，高速行驶时由永磁同步电机切换成交流异步电机。
永磁同步电机和交流异步电机各有优势。永磁同步电机的优势：1）相同重量和体积下，永磁同步电机能输出更高的功率和扭矩；2）调速范围大，调整电流与频率即可在很大范围内调整电机的功率和转速；3）采用永磁体激磁，省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了效率，延长续航里程。
交流异步电机的优势：1）结构简单，稳定性好，抗震动性能优异；2）永磁同步电机在高温下会有磁性衰减的问题，而交流异步电机的磁场并不依靠磁铁产生，不存在磁性衰退，动力下降的问题；3）磁场会根据输入电流的变化而变化，这就使得它在空载到满载的过程中能够接近恒速变化，加速性能更好；4）效率相对更高，节能性更佳。
年国内新能源汽车乘用车驱动电机市场共装配.5万台电机，其中永磁同步电机占.3万台，占比约为94%，交流异步电机占比约为5%，国内的驱动电机市场仍以永磁同步电机为主，主要原因包括：1）国内稀土资源较为丰富，供应链资源丰富；2）新能车发展初期仍以单电机的车型为主，需要相对较大的输出功率和扭矩。纯电动车型中的双驱动电机版本，配套一台异步电机和一台永磁同步电机的车型较多，随着双电机车型的占比增加，我们认为，异步电机在国内的市场份额仍有一定提升的空间，永磁同步电机仍是行业主要的驱动电机类型。
在永磁同步电机成本中，稀土磁钢成本占比最高。永磁同步电机的制造原材料主要有稀土磁钢、硅钢片、铜和铝等，其中稀土磁钢主要用于制造永磁体，成本构成在30%左右；硅钢片主要用于制作铁芯，成本构成在20%左右；铜主要用于制作定子绕组，成本构成在15%左右；钢主要用于制作电机轴等结构组件，成本构成在10%左右；铝主要用于制作电机壳，成本构成在10%左右。
电机生产工艺流程主要包括定子铁芯和转子铁芯的冲压、叠压、焊接，定子绕线、嵌线、浸漆，壳体和前后端盖、变速器壳体的铸造、数控机床精密加工，轴、齿轮的锻造和数控精密加工，以及转子组装，其中定子嵌线和转子动平衡是关键步骤。定子嵌线是指将定子线棒嵌入电机定子槽内并固定的过程，转子的动平衡是一种改善转子质量分布，以使转子在旋转时不至于产生过量不平衡离心力的工序。由于定子嵌线过程的相对标准化，扁线电机的生产工艺自动化程度较高，基本已经可以实现全自动化生产的工艺流程，对生产效率和生产成本的优化较多，并且增加了产品的一致性。
电控是电驱动系统中的核心部件。新能源汽车电控通过接受VCU指令，控制新能源汽车电机的电流及电压，使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作，此外在能量回收过程中，新能源汽车电控还起到回充动力电池的作用。电控对新能车电驱动系统的效率和功率密度有重要影响，通过IGBT芯片的不同结构设计可以优化所占体积，减少物料使用，从而提升电驱动系统的功率密度；通过软件和硬件端的差异性，可以优化总成效率，从而改善续航里程。
电机控制器主要包括IGBT芯片、PCB板、电容器、传感器、壳体和控制软件等，其中传感器包括温度传感器、电流/电压传感器、转子位臵传感器等，控制软件包括AUTOSAR等软件架构。其中电机控制器根据结构的不同又可以分为IGBT模块和IGBT单管并联两种技术路径，目前两种方案均有车企批量应用，各有优势和劣势。
成本端：以IGBT模块的方案来看，电机控制器的成本可以分解为IGBT模组、控制电路板、驱动电路板、电机控制器壳体、电流传感器、接插件、门驱动电路、电容等组件。其中IGBT模组是电机控制器中最主要的零部件，其成本约占电机控制器总成本的37%，控制电路板成本约占16%，驱动电路板成本约占12%，电机控制器壳体成本约占11%，电流传感器成本约占5%，接插件、门驱动电路成本约各占4%，电容成本约占2%，其他部件以及人力成本约各占4%。电控的成本主要仍然以IGBT芯片为主，IGBT芯片的价格波动对电机控制器的成本端影响较大。
电驱动系统集成化优势显著，未来趋势明确。电机、电控和减速器构成的三合一驱动总成，以及PDU、OBC、DC-DC构成的三合一电源总成，是目前主要的集成技术路径，相比于独立零部件，三合一总成节省了接插件以及壳体等物料的使用，实现了重量和体积上的降低，从而在功率密度以及成本上更具优势。此外，在三合一总成的基础上可以实现进更深层次的集成，将三合一驱动总成和电源总成进一步集成为六合一电驱动总成产品。以英搏尔的六合一总成为例，三合一电源总成较单体零部件可以实现降本元，六合一总成在三合一总成的基础上可以实现降本元，合计降本1元，电驱动系统集成化产品功率密度和成本优势显著，未来趋势明确。
目前主流主机厂和电驱动系统供应商均已实现三合一驱动总成的量产，其中比亚迪海豚更是实现了八合一的深度集成。电驱动系统集成化趋势明显，主要驱动因素包括：1）减速器和电机采用直连、电机与电控直连，减少了传递路径上的能量损耗，电驱动系统效率提升；2）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，电驱动系统功率密度提升；3）电驱动系统产品均价更高，盈利能力更强。
较独立的电机电控系统，三合一动力总成可以优化动力总成的体积和减少物料的使用，并简化三电系统，可实现功率密度的提升以及成本的降低。随着汽车电子电气架构的升级，电驱动系统下一步的集成化方向是将电源总成集成到三合一驱动总成中，域控制器方案是在多合一方案基础上进一步集成BMS和VCU。英搏尔的六合一总成是将三合一电源总成和三合一动力总成进行集成，华为的七合一总成是将六合一总成和BMS进行集成，比亚迪的八合一总成是将六合一总成和BMS、VCU进行集成。
年新能车乘用车三合一电驱动系统渗透率为35%，年渗透率同比上升16个百分点，达到51%。三合一电驱动总成渗透率稳步提高，主要驱动因素包括：1）三合一驱动系统体积更小，可以实现车辆各系统的布局可以更加灵活，增加更大的储物空间和乘坐空间；2）三合一驱动系统重量更轻，可以实现整车重量的下降，增加汽车续航里程；3）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；4）有利于车企的平台化设计，为不同车型搭载同一套系统。
1.2.扁线化趋势明确，双电机占比提升
扁线电机是指定子绕组采用扁铜线的电机，根据其扁线形状可以分为Hairpin、Ipin、Wavepin三种。目前绝大多数企业都使用Hairpin电机，因其绕组形状与发卡相似，所以扁线电机也被称为发卡电机。扁线电机的优势主要有：
1）效率高：①截面设计提升槽满率，扁线电机截面为方形，空间利用率高，裸铜槽满率较圆形电机可提升20%-30%，能有效降低绕组电阻进而降低铜损耗；②端部尺寸更短，与圆线电机绕组相比，扁线电机端部总高度缩短5-10mm，可有效降低端部绕组铜耗，进一步提升电机效率；截面设计+缩短端部尺寸等结构设计，可以让扁线电机的平均效率较传统圆线提高1%以上；
2）功率密度高：在相同体积情况下，扁线电机可以容纳更多的定子绕组，即相同损耗下扁线电机可以输出更高的功率和扭矩；
3）散热能力强：与圆线电机相比，扁线电机的扁线形状更规则，在定子槽内紧密贴合，与定子铁芯齿部和轭部接触面积大，可有效降低槽内热阻，提供热传导效率；
4）NVH表现好：一方面，扁线电机使用的导线及绕组具备更好的刚度，可有效压制噪音；另一方面，扁线绕组通过铁芯端部插线而非槽口嵌线，因此电磁设计上可以选择更小的槽口设计，能有效降低齿槽转矩脉动。相较于圆线电机，扁线电机NVH下降12%，电机齿槽转矩减少81%。
5）生产自动化程度高：扁线电机的生产需要先把绕组做成类似发卡一样的形状，穿进定子槽内，再在另外一端把“发卡”的端部焊接起来，这个过程更适合用自动化机器操作，生产效率大大提高。
随着定子每槽发卡层数的增多，其发卡线成型的一致性、插入铜线的数量、扭转的层数及焊点的数量都会对制造工艺方案提出更高的要求。以6层48槽产品焊接为例，一个产品有多个焊点需要焊接，保证每个焊点的焊接质量、焊接速度及稳定性，是业内有挑战性的一大难题。我们认为扁线电机的生产工艺复杂，生产难点多，竞争壁垒较高，头部电机厂有望放大竞争优势。
新能源车加速及爬坡时需要低转速大扭矩，高速行驶时需维持高转速，因此驱动电机工况更为复杂，调速范围更宽。在低速重载、高速轻载等情况下，电驱动系统效率会比峰值效率下降20～30%，为兼顾加速和高速续航，通常有如下方案：1）单电机+单档变速器；2）单电机+两档变速器；3）永磁同步电机+交流异步电机；4）永磁同步电机+永磁同步电机。目前主流的双电机方案是永磁同步电机搭配交流异步电机，其优势在于增加扭矩和功率，扩大系统高效区，高效能量回收，我们认为在未来双电机渗透率不断提升的情况下，此方案将会得到更广泛的应用。
双电机搭配分别满足低速与高速运转工况，并在一定范围内同时工作提高输出功率，兼顾低速爬坡和高速续航，从根本上改变了新能车机动性能。相比单电机方案，双电机方案具有以下优势：1）在整个运行过程中动力无中断，连续无卡顿；2）提升整车系统效率的同时获得更大扭矩；3）降低电机单体的制造难度与开发成本；4）提高制动能量回收的效率。其中不同功率的同步电机与异步电机搭配可以做到优势互补，被中、高端车型广泛应用，如特斯拉modelY、modelX、蔚来ES6、ET7等，同步电机与异步电机搭配逐渐成为核心配臵。为解决续航问题同时满足高性能的追求，双电机驱动在中、高端车型中广泛应用，年销量前5款热销车型中有4款配有双电机升级版，我们认为双电机占比有望逐步提升。（报告来源：未来智库）
1.3.IGBT单管并联渗透率有望提高，高压碳化硅趋势明确
新能源汽车电控的功率组件有两种技术方案：IGBT模块和IGBT单管并联，两者主要的区别是封装形式的不同，目前IGBT的主要技术路径是模块。单管并联技术主要用于MOS管，主要应用平台是低速电动车，如60～72V或者是96V等电压平台系统，而涉及高电压、大电流平台IGBT单管并联方案主要的使用者包括特斯拉和英搏尔。
IGBT模块将多个IGBT芯片以绝缘方式组装在金属基板上，用空心塑壳封装，用高压硅脂或者硅脂作为绝缘材料，主要优势包括：1）温度一致性更好，IGBT模块将多个IGBT芯片组装同一个金属基板上，相当于在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板；2）参数一致性更好，模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选，参数一致性比市售分立元件要好。综合来看，IGBT模块的方案相对较为成熟，稳定性相对较高，新能车电控中渗透率较高。但是IGBT模块作为标准模块，在电动汽车驱动电机控制系统中存在不同功率应用时容易出现容量受限及结构安装等问题。
IGBT单管并联是指将IGBT分离器件按照PEBB的理念制作功率模块进行工艺布局，这种设计方法可以针对不同客户的多样化需求，在生产工艺结构不变的前提下，进行功率单元排列组合和积木式搭配，然后在底层控制程序对编码器、油门、汽车通讯、控制器内核等针对性处理，实现客户定制化、动态化需求。目前，主要有特斯拉和英搏尔使用IGBT单管并联技术，以英搏尔为例，我们对比了英搏尔的“集成芯”驱动总成和传统驱动总成，总结出几点使用IGBT单管并联技术的驱动总成的优势：
优势一：体积更小。在“集成芯”驱动总成中，英搏尔用IGBT单管并联方案替代传统的IGBT模块方案，使电机和电机控制器的一体化程度更高，进而使“集成芯”的体积更小。“集成芯”的X轴/Y轴/Z轴长度为mm/mm/mm,与传统驱动总成的mm/mm/mm相比，X轴长度和Z轴长度分别减小了88mm和mm，体积有明显的减小。
优势二：重量更轻。在“集成芯”产品中，由于实现了电机和电机控制器的高度一体化，这就可以省略装电机控制器的模块与外部结构件，重量得以下降，“集成芯”的重量是67kg，与传统驱动总成的83kg相比，重量下降了16kg，即下降了20%左右。
优势三：功率密度更大。与传统驱动总成相比，“集成芯”的体积更小，重量更轻，但系统功率同样是kW，在功率密度上更有优势，“集成芯”的功率密度达到了2.38kW/kg，相比传统驱动总成的1.92kW/kg，大了0.46kW/kg。
优势四：成本更低。与功率器件相比，模块的价格更高。使用IGBT单管并联方案时，英搏尔不需要购买IGBT模块，只需要购买IGBT单管进行并联，因此降低了成本。以kW的模块为例，使用IGBT模块方案成本约为1元，而使用单管并联解决方案成本大约降低40%。
IGBT并联方案技术壁垒较高：1）电流一致性问题，需要使得每一个IGBT单管通过的电流完全相同，因为只要有一个单管出现问题，就会加剧其他管子的工作负荷，甚至失控；2）温度一致性问题，由于每个单管布臵位臵和参数一致性等问题，会导致单管温度不一致从而影响性能发挥。我们认为，两种方案在未来仍将处于共存的状态，但是IGBT单管并联的方案渗透率有望逐步提升。IGBT单管并联方案的优势明显，但是峰值输出功率越大，并联的IGBT芯片数量越多，一致性的控制难度越高；IGBT模块的方案功率密度和效率相对较低，但是可靠性相对较高，并且已经在大部分新能车上批量使用。
在工作过程中，电机控制器会在直流母线电压基础上产生电压浮动。因此，在V直流母线电压下，IGBT模块承受的最大电压应在V左右，若直流母线电压提升到V以上，对应的功率器件耐压水平则需提高至V左右。目前主流Si基IGBT在V高电压平台上存在着损耗高、效率低的缺点。
SiC功率器件不仅在耐压和损耗水平上都能满足V电压平台的需求，还具备进一步拓展至V电压平台的潜力，SiCMOSFET功率半导体正被逐步运用到高电压平台上。总体上，对比硅基器件，SiC功率器件主要有三大优势：
（1）耐高温、高压：SiC功率器件的工作温度理论上可达℃以上，是同等Si基器件的4倍，耐压能力是同等Si基器件的10倍，可承受更加极端的工作环境；
（2）器件小型化和轻量化：SiC器件拥有更高的热导率和功率密度，能够简化散热系统，从而实现器件的小型化和轻量化，SiC器件体积可减小至IGBT整机的1/3-1/5，重量可减小至40-60%；
（3）低损耗、高频率：SiC器件的工作频率可达Si基器件的10倍，且效率不随工作频率的升高而降低，可降低近50%的能量损耗，同时因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，从而降低了组成系统后的体积及其他组件成本。
具体从新能源汽车上看，SiC功率器件凭借其优势在电机驱动、OBC、充电桩和DC/DC中发挥着重要的作用：
（1）电机驱动：SiC功率器件可提升控制器效率、功率密度以及开关频率，通过降低开关损耗和简化电路的热处理系统来降低成本、重量、大小及功率逆变器的复杂性；
（2）OBC和充电桩：SiC功率器件可提高电池充电器的工作频率，实现充电系统的高效化、小型化，并提升充电系统的可靠性。充电模块的工作环境具有高频、高压和高温的特点，与Si基器件相比，SiC器件更适于此类工作环境；
（3）DC/DC：SiC功率器件可缩小电路的尺寸，降低重量，减少无源器件的成本，在满足冷却系统的需求的同时大大降低整个系统的重量和体积。
零部件及整车企业纷纷布局SiC器件：年，特斯拉Model3成为全球首个将SiCMOSFET器件应用于主驱动逆变器的车型；年，华为旗下哈勃投资入股第三代半导体材料碳化硅制造商山东天岳；年，意法半导体推出从SiC功率器件到逆变器系统的完整解决方案；年，比亚迪汉EV搭载其自主研发、制造的SiCMOSFET，使其零百加速达3.9s。年4月，比亚迪e平台3.0将搭载全新一代SiC电控系统，功率密度提升30%，最高效率99.7%。据比亚迪
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