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电动转向——智能汽车核心产品

发布日期:2021-07-06 16:52

  驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统是汽车最基本的系统之一,其可靠性、方便性对保证汽车行驶安全至关重要。

  科学技术的迅猛发展极大地促进了汽车技术和汽车工业的发展,汽车转向系统也不例外。1954年,通用汽车公司首次将液压助力转向系统应用于汽车上。经过一系列的技术革新,80年代早期出现了电子液压助力转向系统。1988年,日本铃木汽车公司首先在其小型轿车Cervo上装备了电动助力转向系统。近几年,市场上又出现了四轮转向系统及线控转向系统等一些新的技术,但由于技术、价格等方面的原因,这两种转向系统目前还没有得到广泛应用。

  按转向能源的不同,目前汽车配装的转向系统分为两大类:机械转向系统和助力转向系统。完全靠驾驶员体力操纵的转向系统称为机械转向系统(MS),借助发动机或电机的动力进行辅助的转向系统称为助力转向系统,它是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置而成。助力转向系统分为三类:机械液压助力转向系统(HPS)、电子液压助力转向系统(EHPS)和电动助力转向系统(EPS)。

  液压助力转向系统即机械液压助力转向系统,是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统,它在机械转向系统的基础上加设一套液压助力转向装置而成,包括液压转向泵、油管、流量控制阀、传动皮带、储油罐等部件。该系统借助汽车发动机的动力,通过助力转向装置将发动机输出的部分机械能转化为液压能,增大驾驶员操纵前轮转向的力量,使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向,减轻劳动强度,提高行驶的安全性。

  液压助力转向系统从批量装配到现在已经有了半个多世纪的历史,由于其具备技术成熟、成本低廉、可靠性高、操控精准、转向动力充沛等优点,目前已在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。

  液压助力转向系统依靠发动机动力来驱动转向油泵,不论是否需要转向助力,系统总是处于工作状态,导致相比机械转向系统增加3%-5%的油耗,能耗较高;同时其液压系统结构较复杂,后期的保养维护成本也较高。

  从需求角度来看,我们认为,HPS在未来一段时期仍将保持一定的市场份额。主要原因有:

  1、OEM方面,由于EPS功率较小、助力有限,不适合装配商用车,商用车市场或将长期被HPS占据;乘用车市场中,考虑到自主品牌车型成本敏感性较高,而目前外资、合资EPS价格较高,在自主电动助力转向系统成熟之前,HPS或仍将占据自主品牌车型一定市场份额;

  2、AM方面,我国汽车保有量较大,2015年已经达到1.72亿辆,为各种零部件提供了较大的售后市场空间。同时,由于转向泵产品存在损耗性、可同类替换性强以及成本较低的特点,售后市场空间较为广阔,这在商用车市场上表现尤为突出。售后市场有望成为支撑HPS销量的关键。

  从供给角度来看,随着国内HPS技术成熟以及国外EPS技术的成熟,一些国际知名的HPS油泵供应商逐渐退出该细分市场,转向EPS的生产和销售。国内优秀的HPS供应商竞争环境有望转好,市场份额有望提升。

  电液助力转向系统即电子液压助力转向系统,是在机械液压助力转向系统的基础上改进后的系统。转向油泵不再由发动机直接驱动,而是由电动机来驱动,并加装了电控系统,使得转向助力的大小不光与转向角度有关,还与车速相关。

  该系统在机械结构上增加了电机和电子控制单元(ECU)等,使得汽车能够随着车速的变化自动调节操纵力的大小,同时还降低了能耗,反应也更灵敏,但其制造、维修成本也会相应增加。

  1、可以充分利用传统液压动力转向系统技术,核心部件电动泵集成了电动机、油泵和电子控制单元,结构紧凑、质量轻、具有良好的模块化设计,且系统布置不需较大改动;

  2、EHPS通过无刷直流电机及其控制单元来驱动油泵实现助力转向,在无需助力转向情况下,控制器将电机控制到最低能耗的转速,从而节省了发动机燃料的消耗,降低废气排放;

  我们认为,新能源汽车及混合动力汽车的发展有望带来EHPS渗透率的提升。由于利用电动机驱动液压泵进行转向助力,电液助力转向系统也被称为“混合式”动力转向系统,该系统既解决了电动汽车无法使用HPS系统的问题,又解决了EPS的电机助力太小不能满足转向助力要求的矛盾,目前在国际上主要用于中高档乘用车和混合动力、新能源汽车中要求转向助力较大的车型。随着全球混合动力汽车及电动汽车产业的发展,EHPS渗透率有望提升。

  电动助力转向系统在传统机械转向系统的基础上,增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等,通过控制电动机产生助力进而实现转向,彻底摆脱了油液加压助力方式。其主要零部件包括传感器、助力电机、电控单元(ECU)、车载电源系统等。

  驾驶员在操纵方向盘进行转向时,转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。

  根据助力电机装配位置的不同,EPS可以分为转向柱助力式 (C-EPS)、小齿轮助力式 (P-EPS)、双小齿轮助力式(DP-EPS)、齿条平行式(RP-EPS)、齿条助力式(RD-EPS)五种。其中,C-EPS结构简单、紧凑,制造成本低,工艺及后期维护和保养相对简单,因此国内主要采用C-EPS居多。

  1、节能环保。HPS的燃油消耗量相对较大(相比于MS增加了3%-5%),因为发动机运转时液压泵始终处于工作状态;与之相比,EPS以电动机为动力,电动机只在需要时才启动,独立于发动机,几乎不直接消耗发动机燃油,同时没有液压油漏情况,提高了汽车的燃油经济性。

  2、装配方便。电动机和减速机构安装在转向柱或在转向系内,所在空间小,零部件结构简单、安装方便。

  3、路感好。传统纯液压动力转向系统大多采用固定放大倍数,工作驱动力大,但不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感,而EPS系统的滞后特性可以过EPS控制器的软件加以补偿。

  4、回正性好。EPS系统结构简单,不仅操作简便,还可以通过调整EPS控制器的软件,得到最佳的回正性,从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。

  但是,由于整车电压和电流的限制,辅助动力输出不足,限制了EPS在大型车辆、

  尤其是大中型商用车上的应用。目前国内外各大汽车公司都在积极研制EPS,它是乘用车转向系统的主要发展方向。

  稀土永磁材料具有结构简单、运行可靠、质量小、效率高等优点,必将取代传统电动机。此外,有刷电机存在诸多弊端,比如电刷产生的噪声较难克服、磨损严重、电磁干扰等问题。长远来看,无刷电机将逐渐取代有刷电机,日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机。

  EPS转向助力特性的控制策略通常是电机助力电流控制,当转向参数变化时,转向盘转矩特性会随之变化。若以转向盘转矩为目标转矩进行控制,可以改善转向轻便性和路感,加快转向响应速度,进一步提高行驶安全性。

  全电动转向技术(线控转向,Steering-by-Wire,SBW)取消了转向盘与转向轮之间机械连接,完全由电能及转向信号实现转向。此外,其可对驾驶员的操作指令或汽车状态进行判断,必要时自动进行驾驶控制,使汽车恢复稳定行驶。与EPS相比,SBW操纵稳定性更佳,主动和被动安全性更高,转向性能设计更自由,同时乘坐舒适性也更好。

  随着乘用车智能性和电子电气化程度提升以及新能源汽车销量的快速增长,我们估计未来电动助力转向系统有望成为乘用车标配。考虑到EPS相较EHPS的优势,我们估计,未来除部分大型MPV和SUV外,其他乘用车车型中装配EPS有望成为主流,EPS市场空间广阔。

  综上所述,基于各类转向系统的优缺点不同,它们在不同车型中的适用程度也是大相径庭的。MS主要适用于轻微型商用车和交叉型乘用车;HPS适用范围最广,可匹配各类商用车和乘用车;EHPS主要适用于中大型商用车、以及大型MPV和SUV;EPS主要适用于轿车以及小型MPV和SUV。考虑到EHPS、EPS相较于MS、HPS的优势以及未来汽车行业智能化和电子电气化的趋势,未来汽车市场大概率将以装配EHPS、EPS为主。

  从全球市场来看,2012年全球汽车转向系统的销量为10200万件,其中EPS的销量最大(为4600万件),占全球总销量的比例为45%;HPS的销量为4140万件,占比40.5%,而MS和EHPS的销量较低,分别占比8.6%和6%。

  国内市场来看,根据2013年统计的国内转向系统装车率数据来看,HPS装车率最大(约45%),这主要是由于HPS对MS的替代以及国内自主品牌的EPS技术尚不成熟所致。EPS次之,装车率达到37%; MS和EHPS 装车率分别为15%和3%。

  具体分车型来看,乘用车中EPS的装车率最高(为45%),HPS次之,装车率为42%,而MS和EHPS的装车率分别为10%和3%。而商用车中主要装配HPS和MS两种系统,占比分别为62%和38%。HPS凭借其广泛的应用领域,目前在乘用车和商用车中均具有较高的装车率。

  分供应商国别来看,近年来国内自主品牌EPS产销量快速增长。根据行业专家交流数据,2014年我国自主品牌EPS产品销量约为175.7万件,占国内EPS产品总销量的17.7%;2015年自主品牌EPS产品销量约229.3万件,同比增长30.5%,市占率达到19%,较2014年提高1.3个百分点。我们认为,自主品牌EPS销量快速增长,与产品成熟度提升以及自主品牌乘用车市占率提升、消费升级带来自主品牌车型EPS装配率提升有关。

  根据中汽协数据,2016年1-6月自主品牌狭义乘用车销售382.39万辆,占比达到38.1%,较15年提高3.2个百分点。自主品牌销量快速增长一方面与乘用车销量主要贡献区域向可支配收入较低的中西部转移有关,另一方面与自主品牌SUV车型销量快速增长有关。我们认为自主品牌市占率的提升有望持续。同时,随着国内EPS自主研发技术的不断成熟,自主品牌EPS装配率有望进一步提升。

  2016年1月1日,第四阶段油耗限值法规开始正式实施,目标为2020年国产乘用车平均油耗降至5L/100km。单车燃料消耗限值和企业平均目标值要求愈发严格,车企降耗压力进一步增大,促使车企努力提升动力总成技术。电动转向系统相比于HPS和MS而言更具节油性,是车企降低单车油耗的有效手段。

  另外,下半年新能源汽车补贴政策的落地和可能的碳排放积分、油耗积分政策的出台有望规范新能源汽车行业、引导新能源汽车行业向市场化发展,从而有利于新能源汽车行业的长期发展。而电动汽车是依靠电机驱动的,必须装配电动转向系统,电动汽车销量的提升将带动EPS、EHPS销量的增长。

  随着我国汽车保有量的快速增长,汽车带来的能源、环境问题逐渐凸显。为了解决能源和环境问题,政府制定了分阶段的油耗和排放法规,以引导汽车产业技术的进步和销量结构的改善。2016年1月1日,新的油耗限值法规开始正式实施,目标为2020年国产乘用车平均油耗降至5L/100km。

  第一、二阶段(2005-2011):2004年我国首个强制性汽车燃料消耗量管理标准《乘用车燃料消耗量限值》(GB19578-2004)发布,标准分两个阶段实施。油耗限值的第一阶段是我国汽车燃料经济性标准从无到有的第一步,多数小型车无需改动或略加改动便能满足限值的第一阶段要求。

  第三阶段(2012-2015):2011年第三阶段标准《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》(GB27999-2011)发布,目标为到2015年全社会燃耗平均达到6.9升/百公里左右。第三阶段燃油限值分步实施,到2015年全面实行燃油消耗限值标准。在此期间,ag8亚洲游戏国际平台,将对符合各阶段燃油限值标准的车企实行税收优惠。

  第四阶段(2016-2020):2014年第四阶段标准《乘用车燃料消耗量限值》(GB19578-2014)和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》(GB 27999-2014)正式发布,于2016年1月1日起实施。标准规定,我国乘用车平均燃料消耗量水平在2020年下降至5 L/100km左右,所有乘用车企业必须满足企业平均燃料消耗量目标值要求。

  根据五部委最新发布的《关于2015年度中国乘用车企业平均燃料消耗量核算情况的公告》,89家国产乘用车企业中有22家未达标,占24.7%;27家进口乘用车企业中有9家未达标,占33.3%。行业平均燃料消耗量实际值为7.97L/100km,距离2015年6.9L/100km的目标尚有一定距离。同时,政府也对未达标企业进行了更为严格的管理,将采取公开通报、暂停新产品申报、限制投资等一系列措施进行惩治,表明了国家实施政策的决心与力度。根据《乘用车企业平均燃料消耗量管理办法(草稿)》,下一阶段,国家还可能引入燃料消耗积分制度,进一步将奖惩机制规范化与标准化。

  根据我们草根调研了解到,由于负积分不可跨年度结转,获得负积分的企业,可能通过从有富余正积分的企业处购买或向国家缴纳一定罚款的方式,以结清负积分。这一政策将给燃油消耗未达标企业带来巨大的成本压力。

  严格的油耗政策和管理措施下,各汽车厂商降耗压力进一步增大,在布局未来车型时或将更着重考虑节油性好的零部件设备。

  据盖世研究院数据显示,HPS百公里油耗占比为3%,而EHPS和EPS百公里油耗占比分别为2%、0.5%,估算EPS节省燃油0.3L/100km(基于2.5L 4WD车型测定)。我们认为,由于电动转向系统相较于HPS和MS更具节油性,对于车企达标具有一定的促进作用,有望成为车企在转向系统中的首选,油耗法规趋严有望驱动电动转向系统市场渗透率提升。

  14年以来,受益于政策引导、政府补贴等因素,新能源汽车行业发展迅速。2016年1-6月,新能源汽车累计销量为17.0万辆,同比增长133.8%。其中,纯电动销量为12.6万辆,同比增长172.6%;插电式混合动力汽车销量为4.4万辆,同比66.1%。

  我们认为,随着新能源汽车补贴政策的落地以及之后可能的碳排放政策、油耗积分政策的出台,新能源汽车将进入新的规范化、市场化发展时期。新能源汽车的规范化、市场化发展有利于行业的长期发展。

  根据五部委发布的《乘用车企业平均燃料消耗量核算办法》,计算乘用车企业平均燃料消耗量时,新能源车以及燃料消耗量较低的混动汽车占有更多的权重。油耗法规以及可能出台的油耗积分政策、碳配额政策有望从供给端驱动整车厂商增加对新能源汽车和混合动力汽车的供给。

  由于限牌城市传统车牌照成本较高,纯电动车型、插电式混合动力车型在限牌城市有一定需求;混合动力汽车不改变消费者的使用习惯,且较传统车有明显的节油效果,有较大的市场需求。

  由于电动汽车的驱动能源主要是动力电池,或不依靠发动机进行驱动,因此它的转向装置不能采取传统的由发动机驱动的HPS系统,需要利用电机来辅助转向;另一方面,混合动力车型中装配了电机,加装EPS、EHPS后能够达到更好的节能效果。电动转向是电动车的必选、混合动力的最优选择,随着新能源和混动汽车的快速发展,EPS、EHPS系统的渗透率有望大幅提升。

  随着ADAS产品的逐渐落地以及物联网、车联网协议的逐步冻结,智能汽车发展进入关键时期。从产业层面看,汽车行业发展至今,被动安全技术能够有效地减低事故发生后的伤亡率,但是无法降低事故率,而主动安全技术是降低事故率的有效手段,消费升级和汽车行业“0伤亡”的愿景都将推动智能汽车的发展;从政策层面看,随着对智能汽车认知度的提升,近年来智能汽车相关政策频出,政府扶持智能网联汽车发展的决心突显。智能汽车的各项功能,如自动紧急避让、车道辅助以及起停系统的滑行功能等均需要配备电动转向系统才能实现,随着智能汽车的快速发展,未来电动转向系统有望成为标配。

  智能汽车的概念于上世纪九十年代明确提出,以提高安全和行车效率为主要目的,以传感技术、信息处理、通信技术和智能控制为核心。主动安全系统是减少车辆事故率的主要手段,从产业角度来讲,汽车行业的“0伤亡”愿景驱动汽车产业不断进行主动安全技术的开发和应用。

  同时,车辆事故率和伤亡率的降低也是政府希望促成的结果。政策面看,近年来,关于智能汽车发展的政策频频出台。

  国务院在2015年5月8日发布的《中国制造2025》中提出,到2020年,掌握智能辅助驾驶总体技术及各项关键技术,初步建立智能网联汽车自主研发体系及生产配套体系。到2025年,掌握自动驾驶总体技术及各项关键技术,建立较完善的智能网联汽车自主研发体系、生产配套体系及产业群,基本完成汽车产业转型升级。而在2016年3月17日由中国汽车工业协会发布的《“十三五”汽车工业发展规划意见》中更是明确地提出,要积极发展智能网联汽车,具有驾驶辅助功能(1级自动化)的智能网联汽车当年新车渗透率达到50%,有条件自动化(2级自动化)的汽车的当年新车渗透率为达到10%,为智能网联汽车的全面推广建立基础。

  此外,在“2016汽车与信息通信融合发展论坛”上工信部汽车处处长佘伟珍宣布“智能网联汽车发展技术路线图”研究已基本完成,并将于8月对外发布,智能网联汽车再次引来高度关注。同时,诸如智能网联汽车标准体系方案的多个关于智能网联汽车的重磅政策也将于近期陆续出台,智能网联汽车的发展有望驶上快车道。

  我们认为,ADAS产品的逐渐落地以及物联网、车联网协议的逐步冻结,智能汽车发展进入关键时期,智能汽车的普及率也将逐渐提升。据美国HIS预测,到2025年,全球无人驾驶汽车销量将达到23万辆,2035年将达到1180万辆,届时无人驾驶汽车的保有量有望达到5400万辆。其中,中国市场上的份额有望达到24%。

  智能汽车一方面能够降低车辆事故率,另一方面能够有效地提升驾驶员的驾驶体验。

  目前的智能汽车产品主要仍然在ADAS领域。麦肯锡对“消费者对ADAS的认知度以及再购买率”专题实施了一次调查,对象为德国、日本、韩国、美国几个国家的4500名汽车购买者,虽然调查结果显示许多受访者对ADAS技术尚缺乏了解,但大多数消费者一旦了解并使用过ADAS系统,他们会优先选择配置具有这些功能的车型,ADAS的再次购买率达到了88%左右。

  我们认为,在消费升级的要求下,随着智能驾驶产品的普及,凭借其高舒适度的体验和高度智能化的便捷性,智能汽车产品需求空间广阔,渗透率有望快速提升。

  智能汽车要求车辆在执行端能够实现自动转向、自动刹车等功能,这就决定了电动助力转向将是智能汽车的标配。我们认为,随着汽车智能化的发展,EPS、EHPS的渗透率有望大幅提升,而随着智能汽车的普及,EPS、EHPS或成为乘用车的标配。

  在油耗限值法规、电动化和智能化的趋势下,我们认为EPS、EHPS的装配率有望快速提升。随着国内EPS产品逐渐成熟,我们预计到2020年EPS的市场渗透率将达到65%;随着EHPS对HPS的逐渐替代,预计到2020年EHPS的市场渗透率有望达到15%。

  在国内汽车产量复合增速为6%、EPS渗透率为65%的中性假设下,2020年汽车产量有望达到3279万辆,相应的EPS市场规模为2131.41万件,若按照EPS单价为1000元/件计算,EPS市场空间有望达到213亿元;在国内汽车产量复合增速为6%、EHPS渗透率为15%的中性假设下,2020年EHPS的市场规模为491.86万件,若按照EHPS单价1200元/件计算,EHPS未来市场空间有望达到60亿元。