沙利文联合江苏金彭发布《电动三轮车动力系统白皮书》,解析动力系统升级下的电动三轮车行业

沙利文联合江苏金彭发布《电动三轮车动力系统白皮书》,解析动力系统升级下的电动三轮车行业

发布时间:2021/04/27

沙利文联合江苏金彭发布《电动三轮车动力系统白皮书》,解析动力系统升级下的电动三轮车行业
2020年注定是一个不平凡的年份,新冠疫情对各行各业造成的冲击前所未有。2020年也是电动三轮车市场自2015年开始缓步下降后重新复苏的一年,虽然受到疫情和原材料涨价等多重因素夹击,但疫情复工后,电动三轮车的需求随着消费者必须外出活动而攀升,带动电动三轮市场迅速回暖。同时,电动三轮车动力系统迎来革命性技术创新的跨代提升,电动三轮车头部企业均开始采用以“永磁同步电机”为基础的新一代动力系统。弗若斯特沙利文(Frost & Sullivan, 以下简称“沙利文”)联合电动三轮车行业头部企业江苏金彭集团有限公司,基于沙利文一手访谈调研、二手案头研究及消费者调研等方式的研究与分析,共同发布了《电动三轮车动力系统白皮书》。

 

电动三轮车定义与分类

电动三轮车(Electrically operated tricycle)是以蓄电池为能量源、电机为动力源驱动的载货、载人或其他特殊用途的具备三个车轮的运输工具。电动三轮车可以灵活地穿行于狭小的马路间,并以其适用性强、机动灵活、维护简单、维修方便、价格低廉等优点,被广泛应用于家庭、城乡、厂区、矿区、环卫、社区保洁等短途运输领域。

 

电动三轮车按用途可分为载货电动三轮车、载人电动三轮车和特种车辆。

 

载货电动三轮车主要是指为载运货物而设计和装备的电动三轮车,一般可依车辆结构分成三开车型、四开车型和半篷车型等。载人电动三轮车主要是指为载客而设计和装备的电动三轮车,一般可依车辆结构分成全篷电动三轮车和休闲车型等。特种车辆主要是指经特制或专门改装,配有固定的装置设备,主要功能不是用于载人或运货,而是有特殊用途的电动三轮车,包含快递专用电动三轮车、环卫专用电动三轮车、各类型工厂专用电动三轮车和旅游观光车等。

 

 

全球及中国电动三轮车市场规模

//全球电动三轮车市场规模

过去五年,全球电动三轮车的销售额从2016年的86亿美元增长至2020年的96亿美元,期间复合增长率为2.4%。中国地区作为全球电动三轮车最大的市场,销售额缓步下降,除中国地区外,美洲地区、东南亚地区、中东地区和非洲地区电动三轮车市场蓬勃发展,带动全球电动三轮车市场规模小幅上涨。

 

预计未来五年,东南亚地区、中东地区和非洲地区将延续强劲的增长势头,中国地区也将迎来一波新的增长。预计到2025年,全球电动三轮车市场将超过140亿美元,未来五年的年均复合增长率为8.6%。

        

 

//中国电动三轮车市场规模

中国地区作为全球电动三轮车最大的市场,过去五年,中国电动三轮车的市场需求趋于饱和。2016年至2020年,中国电动三轮车的销售额从300亿元逐步下跌至260亿元,期间年均复合增长率为-3.5%。

 

由于钢材、橡胶和玻璃的成本上升,电动三轮车的单价随之提升,预计从2021年起,中国电动三轮车的销售额市场规模将明显提升。未来,新型电池以及智能化应用将在该行业得到普及,预计从2023年起销售额将小幅上涨。预计到2025年,中国电动三轮车市场规模将超过430亿元,未来五年的年均复合增长率达7.8%。

 

 

//中国电动三轮车销量

2016年至2020年,中国电动三轮车的销量从1,100万辆下降至900万辆,期间年均复合增长率为-4.9%。

 

未来两年,由于银发一族对三轮休闲车需求的急剧增加、快递物流用车的持续增量,以及原用户对已拥有产品的升级迭代,预计2021年和2022年电动三轮车的销量将大幅提升。预计2023年至2025年,销量将达到1,300-1,400万辆。预计未来五年的年均复合增长率达6.2%。

 

 

电动三轮车动力系统定义与构造

电动三轮车动力系统广义上由驱动电机、电机控制器、蓄电池、差速器、车轮等构成。电机控制器接收从调速把(相当于汽车的油门)、刹车和不同档位的输出信号,控制驱动电机的旋转,通过差速器、半轴等机械传动装置驱动车轮。根据控制器与驱动电机类型,电动三轮车动力系统可分为永磁同步电机(PMSM)动力系统和无刷直流电机(BLDC)动力系统。

 

 

电动三轮车动力系统是能量存储系统与车轮之间的纽带,其作用是将蓄电池输出的电能转换为机械能,推动车辆克服各种滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力,制动时将动能转换为电能回馈给能量存储系统。现代电动三轮车与传统的燃油三轮车不同,其动力系统可以省去复杂的机械齿轮变速结构,也能提供满足车辆行驶速度范围宽和负载变化大的转矩转速特性。

 

//驱动电机

驱动电机用于提供动力,品类较为丰富,但目前在电动三轮车行业,目前主流驱动电机为永磁同步电机(PMSM)、永磁无刷直流电机(BLDC)、交流异步电动机(ACIM),这三种电机在性能、结构及控制方法上具有各自的特点,分别适用于不同的电动三轮车及使用场景。

 

永磁无刷直流电机(BLDC)由于定子电流为方波或梯形波。为了使其出力最大,气隙磁密常设计成方波或接近方波,故常常把它的转子做成瓦片形。

 

图:方波永磁无刷直流电机转子结构

(1.定子,2.永磁体,3.转轴,4.转子铁心)

 

永磁同步电机由于定子电流为正弦波,为减小纹波转矩和谐波损耗,气隙磁密通常设计为正弦波或接近正弦波,因此其转子常采用图中所示结构。

 

图:永磁同步电机转子结构

(1.转子硅钢片,2.永磁体,3.空气隔磁槽)

 

交流异步电动机属于感应电机的一种,是目前工业中应用十分广泛的一类电机,其特点是定、转子由硅钢片叠压而成,结构简单,运行可靠耐用,维修方便。交流异步电机如果采用矢量控制的控制方式,可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围,是目前大功率电动汽车上应用最广的电机。但异步电机的效率和功率密度偏低,在高速运转的情况下电机的转子发热严重,同时异步电机的驱动、控制系统很复杂,电机本体的成本也偏高,故与永磁电机相比,不是能效最优化的选择。

 

图:交流异步电机转子结构

 

三种电机的定子绕组方式也稍有不同,方波电机会尽量集中整距绕组,以提高绕组的利用率;永磁同步电机一般采用分布、短矩绕组,以减弱谐波的影响,结构较简单且较牢固;交流异步电机一般都为分布式绕组。

 

//电机控制器

电机控制器是用来控制驱动电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,是电动三轮车上重要的部件。电动车控制器也因为不同的车型而有不同的性能和特点。

 

 

//电动三轮车差速器

差速器是能够使左、右驱动轮实现以不同转速转动的结构。主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时,使左右车轮以不同转速滚动,即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。普通差速器由行星齿轮、行星轮架(差速器壳)、半轴齿轮等零件组成。驱动电机的动力经传动轴进入差速器,直接驱动行星轮架,再由行星轮带动左、右两侧的半轴,分别驱动左、右车轮。当电动三轮车直行时,左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态,而在转弯时三者平衡状态被破坏,导致内侧轮转速减小,外侧轮转速增加。

 

 

//蓄电池

电动三轮车中的蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置,是按可再充电设计的电池,通过可逆的化学反应实现再充电。蓄电池在充电时利用外部的电能使内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学能转换为电能输出。电动三轮车的蓄电池通常可分为铅酸蓄电池和锂电池,在载货电动三轮车和全篷载人电动三轮车中通常使用铅酸蓄电池,在新兴的休闲三轮中有部分使用锂电池。

 

电动三轮车动力系统发展历程

电动三轮车最早采用的是方波永磁无刷直流电机系统。在2013年及以前,方波永磁无刷直流电机系统占到电动三轮车市场的95%以上,正弦波永磁无刷直流电机及永磁同步电机技术尚不成熟。当时,方波永磁无刷直流电机系统输出功率约为350W到650W,随着技术的发展及载货需求的逐渐提升,至今方波系统输出功率最高可达3kw。

 

2013年,正弦波永磁无刷直流电机系统的技术和电机控制系统的技术逐渐成熟。由于正弦波系统相较于方波系统具有起步更为舒适,操控更为容易等特点,逐渐取代了方波永磁无刷直流电机系统。

 

2020年,定子电流同为正弦波的永磁同步电机其技术难点被攻克,成本控制也得到解决,永磁同步电机系统显示出比方波、正弦波永磁无刷直流电机系统更为优越的性能,迅速成为了电动三轮车的首选动力系统。同时,有极少部分电动三轮车使用异步交流电机系统或开关磁阻电机系统,但因为成本过高,这两种系统通常对于3,000瓦以上的功率范围才具有优势。

 

 

各厂家电动三轮车动力系统对比

伴随着电机技术的不断迭代与突破,当前中国主要电动三轮车公司产品均采用以“永磁同步电机”为基础的新一代动力系统。其中,以金彭、五羊、欧皇和宗申为首的行业领先公司,依靠自身研发的金动力系统、磁动力系统、金磁动力系统、T动力系统持续引领电三行业聚焦行业痛点、难点,致力于解决山地区域动力、速度、载重、续航、可靠性等“病端”。

 

通过检验对比实验,金彭金动力系统有着较为优越的动力以及承载能力。在同等的输出功率下,具备比其他动力系统高出50%的承载能力。同时,在爬坡性能测试中,金彭金动力也以承载450.0Kg,14.0S的成绩领先于其他三家厂商的动力系统。在金彭金动力系统与宗申T动力系统的两车对拉实验中,使用高档位对拉时,金彭金动力系统获胜。综合来看,金彭金动力系统较各个厂商的动力系统有着明显优势,在不同环境下有着优异的表现,体现了新一代动力系统的强适应性,实现了电动三轮车革命性技术创新的跨代提升。


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