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新能源车动力心脏如何迁移向东方

2021年8月18日 07:34  远川科技评论  

1987年,美国上映了一部叫《太空炮弹》的科幻喜剧电影,影片中的太空飞船拥有两种加速模式,一种是“Ludicrous(疯狂)”模式,第二种则是更猛烈的“Plaid(格子)”模式,在“Plaid(格子)”模式之下,由于速度太快,周围的景色都变成一条条抽象的线,如同置身一个格子组成的房间之中。这部科幻电影有一个忠实粉丝:马斯克。

34年后的2021年6月11日,加州弗里蒙特工厂外的舞台上,一身皮衣的马斯克从黑色的Model S Plaid中走出来,自信的宣传这是迄今为止最快的量产车型,这款车号称拥有1020马力,0-60英里加速时间突破两秒大关,零百加速2.1秒,按他的话说,这是“物理极限工程”。

这背后的功臣,是特斯拉在Model S 上装配了整整三台用于动力输出的电机,在起步阶段同时猛烈的摩擦地面,让加速力度远超大部分发动机。

至此Model S Plaid版本成为特斯拉三电机车型的代号,成为搭载两台电机的Model S Performance 版本后特斯拉新的速度门面。

电机,是电动车的动力心脏,在市场的目光都焦距在汽车续航从1-200公里走向5-600公里的过程中,电机也悄悄的完成了从每辆车上单台电机向最高多一台车三台电机的切换。

在特斯拉利用电机不断秀速度的同时,电机也如同汽车动力电池一般,上演了一场生产向中国集聚的“东迁之旅”。

特斯拉电机的开端

2005年7月,时任特斯拉CTO的斯特劳贝尔(JB·Straubel)敲响了中国台湾省富田电机董事长张金锋的门,两个人在摆满茶具的木桌前讨论起了一个计划:

把工业用的电机搬上汽车。

论忽悠,斯特劳贝尔倒也不输马斯克,把这位台湾老板说的五迷三道,也不管特斯拉是一家刚成立两年,才60个人的小公司,当即拍板研发车用电机。

电机在生活中很常见,从电风扇电吹风、到洗衣机豆浆机,基本上通上电能转的,都是靠电机来把电能转换成机械能。

相比起动力电池脾气不好(易燃易爆炸),干活不行(能量密度不够)的毛病,新能源车上的电机是不折不扣的优等生,一个电机,就能单挑传统燃油车发动机、变速箱两大件。

首先,电机通电就能转起来,而无需发动机先点火,再把活塞上下运行的往复运动变成圆周运动的复杂流程,加速起步上有天然优势。

其次,电机要加速加扭矩,通过改变电流大小和频率就能做到,于是换挡也不需要复杂的变速箱里的多挡齿轮系统,只需要两片减速齿轮,就能解决问题,这让变速箱也被干掉了。

复杂的发动机结构

虽然电机优点很多,但特斯拉的要求却十分苛刻,希望能做到200多匹马力,如果用传统电机会重达400多公斤,这显然是不可能塞进身材纤细的Roadster跑车的。这就必须提高电机的功率密度,但把电机做小,且这不说工艺难度,做成以后运转时的散热就是个大问题。

要实现这点需要从材料到工艺投入大量研发,从当时来看,为了区区几千台的订单去做这样的研发并不划算。

所以斯特劳贝尔跑遍了欧美日韩的供应商都被拒绝,最后在中国台湾省经济部提供的电机供应商名单里找到了富田,决定登门拜访,才有了两人在茶室里达成一致,开始了轻量化电机的研发的一幕。

富田花了三年时间,将电机铝芯换成铜芯后,终于做出了为特斯拉RoadSter量身打造的电机。产品仅有50公斤重,用手都能拎起来,初期的电机甚至是手工打造的,每个要价高达20万新台币。 

这样的际遇不止发生在富田电机身上,在特斯拉超级工厂入驻中国之前,台湾省在特斯拉电机上扮演了举足轻重的地位。电控部分,是台湾致茂电子与特斯拉一同花了三年研发的,而用于电机的减速齿轮,则是另一家台湾企业和大工业。

特斯拉车身上的电机

台湾省的这笔押注,很快起到了意想不到的结果:2012年,特斯拉销量不过2650台,但仅仅3年后,就超过了5万,增长了20倍,这给供应链带来了不小的收益,比如和大工业,在2009年金融危机期间亏损近9亿新台币,但到2015年,净利润就已经超过10亿,股价更是超过百元。

先发优势却止步于此。一方面,台湾除了隆裕汽车外,并没有成熟的汽车制造工业,也就没能在供应链上深入下去,特斯拉最终也没有在台湾建立大型工厂,而只是设立了一个采购中心。

另一方面,台湾省内市场狭小,当局还对进口汽车课以重税,让特斯拉本身在销售上几乎无利可图。

随着2019年1月,规模巨大的特斯拉超级工厂在上海临港破土动工,以及特斯拉承诺90%的零部件本土采购,一场新的供应链转移开启。

特斯拉中国带来的机遇

今年7月8日,特斯拉宣布Model Y降价, 不久之后,Model 3也随之降价。背后一个重要的因素就是换装国产电机。

但国产电机并不是廉价的代名词,相反却是十足的性价比,换装了国产电机的Model Y 价格下降的同时,反而扭矩和功率都有近10%的提升。

在这个背后,则是精达股份、金力永磁、中科三环、隆盛科技等公司,成功将电机零部件全部国产化的功劳。

大陆的电机零件商们,在两个维度上完成了对台湾同行的反超:

第一项是扁线电机技术

扁线电机,简单来说就是将传统电机缠绕的铜线从圆线变为扁线,以提升电机的功率密度。

原理倒是很简单,圆形的铜线截面自然是有空隙的,而方方正正的扁线却可以将整个定子的槽塞满,这样电机的功率密度自然就提了上来,不但劲大(扭矩大),而且体积小。

上图为圆线电机截面,难以塞满,下图为扁线电机截面,基本没有空。扁线电机的绕组铜线像女生扎头发的发卡,因此也被称为发卡电机(hair-pin)

但原理说起来简单,加工工艺难度却不小。

首先就是容错率大大降低:传统圆线之间互有空隙,而且是缠绕方式加工,难度并不大,但是扁线却要一根根将柔软的铜线直直的插入,且不能互相干扰。

由于每根铜线都紧密的贴合在一起,意味着铜线一致性必须非常高,否则一根不一样,直接影响到其他铜线,但光是扁线涂漆这一步,涂层甚至就多达数十层。而全球主要的扁线加工产能,基本都集中在中国大陆,这既帮特斯拉解决了产能难题,也让大陆供应商顺势卡位。

另一项则是永磁电机技术

富田电机为特斯拉定制的是感应电机,需要通电才能产生磁场,而永磁电机本身就由磁体打造,转换效率显然更高,体积也可以做的更小。

既然如此,特斯拉为什么不一开始就采用永磁电机呢?

一个可能的原因是:永磁电机的材料钕铁硼,几乎完全掌握在中国手里。

钕铁硼,由钕、硼、甚至镝和铽等稀土元素加入铁中熔炼而成的一种磁性材料,磁性强,易加工,号称“万磁王”,在永磁电机中,光买钕铁硼的成本就要占到3-4成。

钕铁硼的生产需要上游的稀土产业链和下游的精加工配合。实际上,全球稀土60%以上的,钕铁硼材料85%以上的产能都在中国,可以说,谁要生产永磁电机,谁就要从中国买原材料。

早期的特斯拉也行是偶然,也许是考虑供应链安全,采用了感应电机路线,但在2018年,在特斯拉与中国商谈上海工厂之时,电机战略出现了大转弯,开始大幅转向永磁电机路线,为国产化铺路。

这也立刻给了中国厂商机会,中国的磁性材料双雄中科三环和金力永磁,先后打入了特斯拉供应链。

抢占了扁线和永磁两个高点后,中国大陆供应链鱼贯而入,比如取代台湾和大工业的双环传动、替代富田电机定子的隆盛科技、以及制造壳体的旭升股份,迅速实现了电机的本地化。

电机的东迁之旅

在特斯拉对电机的改进的十多年里,中国的电机产业也借着新能源的东风,迎来了转机。

一开始,中国的电机龙头们还处于鄙视链的低端,电机市场,ABB、西门子在工业电机领域;日本的手机、硬盘这些小电机才是电机赚钱的主流。而方正电机还在干着缝纫机、卧龙电驱还在干着工控,精进电动甚至都没有成立。这些中低端制造业的电机不但盈利微薄,需求还随着下游行业波动,颇有点靠天吃饭的意思。

但随着中国新能源整车下游的崛起,在2010年左右开始押注研发新能源车载电机的企业纷纷在10年后迎来了收获期。

比如方正电机首先成功的就是低端爆款:供货五菱宏观Mini,

搞定了低端爆款后,方正又搭上了国产新势力的线,开始给小鹏P7供货,身份摇身一变一变成为汽车供应链的新tier1,甚至还将传统的缝纫机电机业务转移到了越南,将国内生产力量集中在新能源车电机。

传统的电机供应商搞的火热,其他人也没闲着:

华为推出了三合一电机,已经列装到了赛力斯上。

美的旗下的威灵汽车,也进军车用ESP电机

成立不过10来年的精进电动,依靠海外市场,也能杀进全球出货量前十。

下游的新能源车市场和上游原材料永磁体两头都在本地,中国本土的电机产业终于对国外对手展开了反超之路,而新能源车的动力心脏,也再不会重演燃油车的发动机之痛。

电机产业中特斯拉和厂商的互动,也清晰的揭示了一点:一个开放的下游和上游互动,对产业发展的加速。

如果不是从台湾到安徽,中国产业链上的公司努力的把自己的技术经验用于攻关特斯拉的需求,以特斯拉一家公司,是不可能涌现出如此密集的创新,以至于对传统汽车都一度有掀桌子的气势。

而特斯拉不断提出的新需求,也让下游厂商敢于大胆的尝试新的材料和工艺,加速供应链的重塑,甚至将不愿意陪跑的老tier1甩下车。

有人说,特斯拉是一条“鲶鱼”,往往是说特斯拉锋利的降价大刀和产品力搅动了中国的新能源整车市场,让这些一度拿着补贴吃饭的企业不得不打起十二分的精神迎战特斯拉,也对自己的供应商提出更高的要求。

但特斯拉同时也是供应链的“鲶鱼”,它独立的在中国寻找各类匹配自己供应商,并提出新的需求的过程,就是对中国供应链的第二次测试,谁能解出它的考题,就能打入特斯拉供应链,继而打入全球新能源车崛起的大潮中,为中国的新能源品牌提供技术支持。

我们也会发现,无数曾经的缝纫机,空调的供应商,转身成为一线车企的核心供应商,这也是新能源车大潮背后的时代洗牌机遇。

编 辑:值班记者
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