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    • 芯片廠商扎堆深耕電機行業,BLDC電機市場未來可期
    • 發布時間:2020/12/8 7:17:18
    •  隨著高能效電機在汽車、農業、空調和洗衣機等領域的廣泛使用,全球的電機市場得到了很大的增長。據統計,2017年全球電機市場的規模為970億美元,2018年為975億美元,預計未來幾年,電機市場還會以4.5%的年復合增長率持續增長。

      在2019年11月8日,<電子發燒友>在科興科學園舉辦的《2019電機控制先進技術研討會》上,我們的分析師團隊為廣大工程師帶來了《BLDC電機行業市場分析報告》,在報告中,分析了整個BLDC電機行業和BLDC電機驅動器行業的市場現狀,同時,也展望了未來幾年的BLDC電機行業發展趨勢。
      電機行業市場概況
      圖1:電機行業市場概況。(來源:電子發燒友)

      BLDC電機市場概況

      相對于有200多年歷史的電機來說,BLDC電機相對來說還比較年輕,它從發展至今也就50多年的歷史。但是隨著半導體技術的發展,MCU和驅動組件的普及,使得BLDC電機的總體成本降低了很多,再加上鋰電池的大規模應用,使得BLDC電機在這幾年得到了快速的發展,其總體成長率也高于電機的成長率。
      <電子發燒友>預計未來幾年BLDC電機的年復合增長率將會是6.5%左右,如果以2018年BLDC的市場規模153.6億美元為基數的話,預計到2022年,BLDC電機的市場規模將會達到200億美元。
      全球BLDC電機行業市場概況。
      圖2:全球BLDC電機行業市場概況。(來源:電子發燒友)

      BLDC電機增長原因分析

      為何BLDC會快速增長呢?首先,BLDC電動機是隨著半導體電子技術發展而出現的新型機電一體化電機,它是現代電子技術,包括電力電子、微電子技術、控制理論和電機技術相結合的產物。它本身具有優越的調速性能,表現在控制性能好、調速范圍寬、起動轉矩大、低速性能好、運行平穩、效率高,應用場合從工業到民用及其廣泛。
      其次,各個國家和地區越來越看重設備的能效。比如目前市場上主流IE3能效的高效電機,相比普通電機能效可以提升4%。而且,美國和加拿大已經分別于2011年和2012年強制要求工業電機滿足IE3能效等級標準。國內和歐盟地區相對滯后,在2016年和2017年初也開始推廣IE3能效等級標準。由于IE3高效電機平均價格比普通電機高15%左右,故在實施之初,替代相對緩慢,但隨著國家環保監督措施愈發嚴格,加上高效電機能耗降低能帶來確實好處,高效電機的占比在逐步提升。據估計,國內有望在2020年將IE3能效標準作為強制標準措施。甚至,有可能向IE4能效等級邁進。向高效電機切換的好處是可以提高單臺電機的價值量,另一方面也將淘汰一部分技術儲備不足的中小電機廠商。
      還有國家高度重視電機行業的發展,高效電機是工信部、科技部、國家發改委和國務院等國家機關重點扶持的產業。歷年的重要發展規劃皆把高性能電機及其驅動系統作為國家發展重點領域。比如2011年的《加快推進國內高效電機規?;瘧谜摺?,2012年的《“十二五”節能環保產業規劃》;2015年的《中國制造2025》等等都將電機行業放到重點發展的領域當中。
      當然,BLDC電機成本的下降是推動其快速增長最直接的因素。
      此外,還有一個明顯的趨勢,就是國內電機企業在技術投入方面越來越大。根據國家發改委統計的數據,從2000年到2018年,國內電機制造行業技術投入比率在逐漸增長,從開始的不到1%,增長到了現在的2.9%。
      國內電機制造行業技術投入比率
      圖3:國內電機制造行業技術投入比率。

      BLDC電機的熱門應用領域

      BLDC電機的應用場景非常豐富,但在最近幾年,BLDC電機出貨量比較大,比較熱門的應用領域主要有風機、泵、電動車、電動工具、壓縮機、農機具和汽車應用等領域。
      其中,在風機行業,再細分的話,有風扇、油煙機、吹風機、風簾機、暖通空調風機等,制造商主要有美的、艾美特、格力、先鋒、華帝等等。
      在泵方面,可細分為氣泵、水泵和油泵等;制造商主要有新界牌、格蘭富、連成等。
      在電動車方面,有兩輪、三輪、四輪、平衡車、高爾夫球車和叉車等;主要的制造商有愛瑪、雅迪、金彭和新日等。
      電動工具領域,可細分為電轉、電錘和電批等;主要制造商有博世和東成。
      壓縮機領域,可細分為空調、車載冰箱和醫用制冷等;主要制造商有大金、三菱、格力和美的。
      農機具領域,可細分為割草機、摘果器、電動剪枝機等;主要制造商有博世、百得和TTI等。
      汽車應用領域,可以細分為雨刮器、汽車尾氣排放系統、動力方向控制、通風和風扇等;主要的供應商有麥格納(Magna)、天合(TRW)和法雷奧(Valeo)等。
      BLDC電機應用行業和下游制造商情況。
      圖4:BLDC電機應用行業和下游制造商情況。
      這些行業的出貨量情況如何呢?跟據<電子發燒友>的統計,在2018年,電動車為5000萬臺、油煙機為7000萬臺、電動工具為4000萬臺、風機立扇為6000萬臺、空調壓縮機為9000多萬臺。
      空調用電機與空調用BLDC電機的年總產量。
      圖5:空調用電機與空調用BLDC電機的年總產量。
      以空調用的電機為例,根據國家統計局公布數據,中國在2018年空調用電機的產量是3.6億臺,而空調用的BLDC電機的產量約為0.96億臺,雖然占比不大,但每年都在增長之中。而且今年有可能會突破1億臺,因為前三季度已經達到了8000多萬臺。

      BLDC電機驅動器行業市場分析

      目前的BLDC電機主要是用控制器來驅動的,圖6是目前使用最多的BLDC電機驅動器解決方案框架圖。BLDC產品目前有兩種,一種是直接使用市電的產品,另一種是手持式,即電池供電的產品。
      主流BLDC電機驅動方案框架圖。
      圖6:主流BLDC電機驅動方案框架圖。
      驅動BLDC電機的驅動電路主要有三大部分:控制器、柵極驅動,也就是我們常說的預驅,以及功率MOSFET/IGBT,就是通常說的驅動。還有一個反饋給控制器的反饋信號,這個有用霍爾傳感器的,也有用旋轉變壓器、磁編碼器或者光編碼器的,當然也有不用傳感器的方案。
      最傳統,最成熟的驅動方案就是這三部分都是分開的,也有將柵極驅動和功率MOSFET集成為IPM的。
      現在比較主流的方案是將柵極驅動集成進控制器中,后面再接上功率MOSFET或者IGBT來驅動BLDC。
      還有一種干脆就將這三部分都集成了,做成一個SoC,直接驅動BLDC。
      BLDC電機驅動方案的四種驅動類別優缺點對比
      圖7:BLDC電機驅動方案的四種驅動類別優缺點對比。
      那這四種驅動方案都有哪些優缺點呢?
      MCU+預驅+驅動的方式,這種方式的優點是靈活,IC選擇性高,可適應于各類大、中、小功率的控制器。對一般的MCU公司也最具有優勢,主要應用在高壓系統,或者是大功率系統上,因為大功率和高壓應用,有散熱和隔離的問題。缺點就是集成度低,PCBA的面積比較大。
      MCU+[預驅+驅動]也可以描述成MCU+IPM,開發功率組件的國際廠商多半都有IPM的產品,讓客戶能簡化電路板設計的復雜度,提升穩定性,也是早期特別成熟的驅動方式。它的優點是,集成度高、PCBA面積較小。缺點是功率不能做得很大。
      [MCU+預驅]+驅動,是目前較為主流的開發方向。它的優點是集成度比較高、MOSFET可以靈活選擇、適用于各類中小功率的控制器。缺點是由于預驅集成在MCU中,預驅的驅動能力和耐壓做不高,無法適應大功率控制器。
      SoC方式的優點是對性能比較高的應用,常常用于塑封電機的設計;缺點是設計彈性比較差,如果需要更改驅動特性的話,就必須在SoC旁邊增加一顆小MCU,這不僅會增加元器件成本,更加會增加電路板的復雜度,這違背了化繁為簡的發展思想。
      BLDC電機主控廠商目前有很多,根據分類的不同,有的企業這三種主控解決方案都有,有的只提供一兩種解決方案。
      比如TI基本上三種方案都有,ST也有單MCU和MCU+預驅的方式。國內的BLDC主控方案主要走的還是集成的方向,比如最近市場表現還不錯峰岹就是主要提供MCU+預驅的方案。
      BLDC主控方案提供商代表
      圖8:BLDC主控方案提供商代表。
      從硬件層面來看,BLDC電機控制的發展經歷了從小規模模擬、數字電路于分離器件的控制器,發展到專用集成控制電路的控制器,再到MCU,DSP等解決方案的過程。
      從軟件算法層面來看,受控制理論和控制器件的限制,BLDC電機一直采用經典PID控制,該控制方法可以使系統性能滿足各種靜、動態指標要求,但系統的魯棒性不盡人意。
      面對日益復雜的控制對象,進一步提高BLDC電機調速系統的快速響應性、穩定性和魯棒性,智能控制算法受到關注,這包括模糊控制、神經網絡控制、專家系統等。
      智能控制系統具有自學習、自適應、自組織等功能,能夠解決模型不確定性問題,非線性控制問題,以及其他較為復雜的問題。而BLDC電機是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象,因此利用智能控制可以取得較為滿意的控制結果。目前已經有一些較為成熟的智能控制方法應用在了BLDC電機控制。比如模糊控制和PID相結合的Fuzzy-PID控制、模糊控制和神經網絡相結合的復合控制、隸屬度參數經遺傳算法優化的模糊控制、單神經元自適應控制等等。
      看完主控,再談談功率器件。我國功率器件市場需求,約占全球的43%,2018年約為1000億元。BLDC電機驅動器用到的功率器件主要以MOSFET、IPM和IGBT為主。比如一般情況下,一個BLDC電機驅動器就需要使用6個MOSFET來進行驅動。因此,就用量來說還算不少。
      在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,國內主要依賴進口,并基本上被歐美日企業所壟斷。目前國內的功率半導體龍頭企業市場占有率仍然較低,這需要國內功率器件廠商的跟進。相信隨著BLDC電機市場的興起,對國內功率器件廠商來說是一個崛起的機會。
      另外,在IGBT市場,一些高功率的BLDC電機應用領域,比如新能源汽車中就需要用到IGBT器件,也正是得益于新能源汽車和工業領域的需求,我國IGBT市場規模持續增長,2018年約為162億元。
      在MOSFET方面,2018年我國MOSFET市場規模約為210億元。當然,目前這里貢獻最大的是消費電子領域,相信以后BLDC電機驅動器的貢獻會越來越大。

      BLDC電機發展趨勢

      現在整個電機都在往高效率、高功率密度、和低成本方向發展,其中美國能源部旗下的DRIVE組織,該組織既有政府背景也有企業支持,成員包括福特、通用UQM等生產企業,以及Electric Power Research Institute,橡樹嶺國家實驗室(OAK RIDGE National Laboratory)等研究機構。他們在2017年的時候發布了一個電動汽車發展2025年路線圖規劃。
      在該規劃中,他們給電機和電控的發展定了一個目標,那就是到2025年時,電機控制器的效率不能低于98%;功率密度要達到100kW/L;成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低于97%;功率密度要達到50kW/L或5.7kW/kg;成本要低于3.3美元/kW。
      《中國制造2025重點領域技術路線圖》中也提到了國內驅動電機的發展目標:2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達到3.5、4和5kW/kg以上,商用車30秒有效比扭矩要分別達到18、19和20N·m/kg以上。
      電機發展未來規劃和需要用到的技術。
      圖9:電機發展未來規劃和需要用到的技術。
      也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設計中一個非常重要的指標。為什么功率密度會受到如此重視?因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小,重量更輕,效率更高。高功率密度的電機一般在汽車、航空、航天、航海和工業應用中應用更多。
      高功率密度就是在一定體積下輸出更大的功率,為了實現這一目標,一般采用兩種方法來實現,一是提高電機的速度,把電機設計成高速電機(轉速一般會超過10000rpm);二是設計新型機構電機。
      要實現這個目標,就需要新技術的支持,比如說寬禁帶半導體技術,SiC、GaN器件等,還需要有集成的拓撲結構和被動元件;控制算法和創新的電路設計;以及創新的系統級封裝和先進制造工藝的支持。
      總的來說,低壓無刷電機高效化、小型化,集成化,驅動一體化將是未來的市場趨勢。
      在應用領域方面,新能源汽車是BLDC電機應用的一個很重要的方向。目前國內新能源汽車的主驅動電機基本都是采用BLDC電機。
      當然,在中國,BLDC電機的最大應用領域主要是在家用電器,如洗衣機,空調壓縮機,冰箱壓縮機和風機(風扇,室外室內風機,抽煙煙機,空氣凈化器),洗碗機等領域。同時電動工具,電動自行車,水泵,無人機也已經廣泛應用了無刷直流電機。

      總結

      其實,我們看一個行業是否有發展前景,一般需要看它的市場規模、技術成熟度、產業鏈完整性,以及成長性。
      而成長性,主要看這個行業的新進入者數量和質量,BLDC驅動行業的新進入者其實還不少,比如國外的MPS和PI,國內的峰岹科技、士蘭微、靈動微、兆易創新和華芯微特等。
      隨著越來越多的芯片等上游企業深入參與到BLDC電機產業鏈,BLDC電機的創新應該會比之前更加快速,也更多,相信未來的BLDC電機行業后續一定會更加精彩。
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