當(dāng)前位置:首頁>行業(yè)資訊>磁性材料在新能源汽車產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀
發(fā)布日期:2023-2-10 來源:磁性材料與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈
一、 新能源汽車是磁材的關(guān)鍵下游
新能源汽車的蓬勃發(fā)展給磁性材料帶來巨大的發(fā)展空間。我國新能源汽車銷量從2016年的的 50.7 萬輛提高到 2021 年的 352.1 萬輛,年均增長率達(dá)到47.34%,2022 年1-9月實(shí)現(xiàn)銷量387.7 萬輛,已超過去年全年銷售量, 9 月新能源車零售滲透率*突破30%,我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入規(guī);焖侔l(fā)展的新階段。無論從關(guān)鍵磁材未來的下游占比還是增長率來看,新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展都舉足輕重,影響深遠(yuǎn)。磁性材料作為關(guān)鍵電子元器件的基礎(chǔ)核心材料,大量應(yīng)用到了汽車電機(jī)、車體、車身底盤和信息部件的各個方面,在汽車工業(yè)的發(fā)展中扮演越來越重要的角色。據(jù)統(tǒng)計,汽車部件通常有 2 萬左右,其中磁性部件多達(dá)數(shù)千個。
電動化尚未止步,智能化猶有可為。新能源汽車上半場主要圍繞電動化進(jìn)行,我們認(rèn)為電動化更多的是圍繞市場需求提高性價比,降本增效展開,磁材作為電動化不可或缺的一部分肩負(fù)著提高能效,降低成本的重任。一方面,企業(yè)需要改進(jìn)現(xiàn)有磁材的性能或是研發(fā)新一代磁材,提高飽和磁通密度、矯頑力、電阻率等關(guān)鍵指標(biāo),從而提高汽車能量的利用率,避免過多的能量損耗,另一方面,磁材制作的電感、電子變壓器都是定制性,需要與客戶溝通,從材料、工藝、機(jī)械生產(chǎn)化等方面探索降低成本的可能性。按照新能源汽車補(bǔ)貼相關(guān)政策,2022 年12月31日補(bǔ)貼將終止,如何降低補(bǔ)貼退坡帶來的汽車成本壓力等已成為新能源汽車廠商亟需解決的難題。智能化方面,主要以電動化為基礎(chǔ),需要全車各關(guān)鍵設(shè)備能夠根據(jù)車載處理器要求自行工作,微特電機(jī)等需求進(jìn)一步增加,車聯(lián)網(wǎng)趨勢下,對圖像和信息采集、數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)即時處理等方面的要求會越來越高,因此對磁性器件數(shù)量和性能的要求也在提高。
二、 磁材的分類與性能
磁性材料按功能劃分,可分為永磁材料、軟磁材料和功能性磁材。衡量磁性材料性能的指標(biāo)主要包括三大系列:穩(wěn)定性、抗退磁性、抗溫性。永磁又稱硬磁,指磁性材料在經(jīng)過外加磁場磁化后不易退磁的磁材,軟磁是經(jīng)過外加磁場磁化后容易退磁的磁材。硬磁和軟磁的區(qū)別主要在于矯頑力不同,矯頑力較低的軟磁易于磁化和退磁,較高的硬磁一經(jīng)磁化很難退磁。
新能源汽車當(dāng)中應(yīng)用較多的磁性材料主要是永磁中釹鐵硼永磁、鐵氧體永磁和軟磁中的硅鋼、金屬磁粉芯、鐵氧體軟磁。永磁中釹鐵硼永磁在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、內(nèi)稟矯頑力、*大磁能積均優(yōu)于其他兩類磁體。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度較大說明電機(jī)的力矩大、負(fù)載轉(zhuǎn)速高、空載和負(fù)載電流;內(nèi)稟矯頑力較大,電機(jī)在不同環(huán)境下較為穩(wěn)定,工作表現(xiàn)穩(wěn)定可靠;*大磁能積較大說明產(chǎn)生磁場強(qiáng)度所需要的材料體積越小。雖然釹鐵硼的居里溫度較小,在高溫下工作表現(xiàn)不佳,但其他三項(xiàng)性能均較優(yōu),是當(dāng)之無愧的“磁王”。有研究表明,通過增加 Dy(鏑)能明顯改善釹鐵硼磁體的耐高溫性能。
軟磁中硅鋼片和非晶為競爭關(guān)系,傳統(tǒng)硅鋼片在高頻下磁導(dǎo)率變小,鐵損較大,非晶合金的磁導(dǎo)率則幾乎不改變,因此在高頻電機(jī)如驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī),非晶合金有一定優(yōu)勢,但缺點(diǎn)是薄、脆、硬,成型后沖壓加工困難,成本較高,高頻下振動噪聲大,因此需要開發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和制造工藝。二者更適合中低頻場景。鐵氧體和合金軟磁粉芯相互補(bǔ)充又有所競爭,鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低于合金軟磁粉芯,在大功率電流下表現(xiàn)不佳,但磁導(dǎo)率低、電阻率高,有利于降低損耗及提高磁芯的工作頻率,減小磁芯的體積和質(zhì)量,因此鐵氧體軟磁適用于高頻低功場景,在小電流小功率應(yīng)用方面始終占主導(dǎo)地位。合金軟磁粉芯結(jié)合了金屬和鐵氧體軟磁材料的優(yōu)勢,其電阻率較軟磁金屬大幅提高,能有效降低渦流損耗,且比軟磁鐵氧體具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,能滿足電力電子器件小型化、高功率密度,高頻化,集成化的要求,同時也具有更好的抗機(jī)械沖擊能力,更寬的工作溫度范圍(-55℃-200℃)等特點(diǎn),在大電流大功率部分會一定程度替代鐵氧體軟磁,但因存在老化、散熱、損耗高等缺陷,在要求大功率小型化的地方應(yīng)用更廣泛。
三、 電機(jī)中的磁材—釹鐵硼、硅鋼居主導(dǎo)地位
(一) 定子和轉(zhuǎn)子是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵零部件
新能源汽車中的電機(jī)主要包括驅(qū)動電機(jī)和微特電機(jī)兩類。驅(qū)動電機(jī)能夠根據(jù)電磁感應(yīng)定律將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能為電動汽車提供動力,主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋、連接器、旋轉(zhuǎn)變壓器等零部件組成。主流的電機(jī)類型主要包括直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)。其中永磁同步電機(jī)是目前應(yīng)用*為廣泛的電機(jī),普及率達(dá)到 90%以上。
與普通電機(jī)相比,永磁同步電機(jī)使用永磁體取代了轉(zhuǎn)子的勵磁繞組,無需通電即可維持磁場,通過調(diào)整電壓或電阻的方式進(jìn)行調(diào)速,不僅使用的硅鋼片、銅等材料更少,更降低了定子、轉(zhuǎn)子的電流損耗和定子損耗。因此,永磁同步電機(jī)具有節(jié)能高效、調(diào)速性能優(yōu)越、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是成本偏高,高位震動可靠性較差,且溫差較大時容易退磁,一般系能源汽車使用電機(jī)的工作溫度通常在 180-200 攝氏度之間,而釹鐵硼磁體的居里溫度在340度左右。
永磁同步電動機(jī)工作原理:永磁同步電動機(jī)通過轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)啟動。啟動完成后,轉(zhuǎn)子繞組不再起作用,由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。具體來看,當(dāng)永磁電機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后,將產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場,定子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流,形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場,此時定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到速度接近同步轉(zhuǎn)速的時候,定子旋轉(zhuǎn)磁場速度稍大于轉(zhuǎn)子永磁磁場,它們相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入到同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場,它與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。
定子和轉(zhuǎn)子是電機(jī)中的核心部件。定子是電機(jī)中靜止不動的部分,圓筒內(nèi)側(cè)纏繞有很多繞組,繞組與外部電源接通,整個圓筒與機(jī)座固定在一起。定子由鐵芯導(dǎo)磁體(硅鋼片)和三相繞組(線圈在定子內(nèi)每 120 度為一個單元,相互對稱排列,形成 360 度的圓柱形定子)組成。
轉(zhuǎn)子是定子內(nèi)部纏有繞組的圓柱體,是電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件,。它們與電動機(jī)的動力輸出軸連接在一起并同速旋轉(zhuǎn)。定子和轉(zhuǎn)子之間沒有任何鏈接和接觸。轉(zhuǎn)子由永磁體和鐵芯導(dǎo)磁體組成,永磁體通常安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯周圍,安裝方式包括表面凸出式、表面嵌入式和內(nèi)嵌式。凸出式安裝成本較低,內(nèi)嵌式安裝可以在表面制成極靴,改善磁場的線性分布,有助于提高電機(jī)本身的功率密度和過載能力。
(二) 微特電機(jī)數(shù)量*高近百臺
微特電機(jī)是指原理、結(jié)構(gòu)、性能、作用等與常規(guī)電機(jī)不同,并且體積和輸出功率都很小的電機(jī)。汽車用微特電機(jī)主要類型有單相異步電機(jī)、永磁無刷電機(jī)等,由于汽車用微特電機(jī)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)為高效節(jié)能電機(jī),永磁無刷電機(jī)是大勢所趨。一般微特電機(jī)的外徑不大于 130mm,功率在數(shù)百毫瓦和數(shù)百瓦之間,主要分布于汽車的發(fā)動機(jī)、底盤、車身三大部位及附件中,是汽車動力系統(tǒng)的重要組成部分,未來將逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng),成為汽車的“關(guān)節(jié)”。
通常情況下,新能源汽車需要配備 1-2 臺驅(qū)動電機(jī),若干數(shù)量微特電機(jī),微特電機(jī)使用數(shù)量多少與汽車檔次成正比,據(jù)統(tǒng)計,每輛經(jīng)濟(jì)型汽車配備 20 臺以上小電機(jī),*轎車配備50臺以上小電機(jī),豪華型轎車配備近百臺小電機(jī)。微特電機(jī)主要應(yīng)用在以下零部件上;(1)汽車發(fā)動機(jī)部件上的應(yīng)用:主要是在汽車起動機(jī)、電噴控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)水箱散熱器及發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用;(2)汽車底盤車架上的微特電機(jī),主要應(yīng)用在汽車電子懸架控制系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向裝置(EPS)、汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、汽車巡航控制系統(tǒng)、防抱死控制系統(tǒng)及驅(qū)動動力控制系統(tǒng)中;(3)汽車車身部件上的微特電機(jī),主要使用在中央門鎖裝置、電動后視鏡、自動升降天線、電動天窗、自動前燈、電動汽車座椅調(diào)整器、電動玻璃升降器、電動刮水器、空調(diào)系統(tǒng)、電子車速里程表等;(4)汽車附件上的微特電機(jī),主要應(yīng)用于吸塵器、充氣機(jī)、氣泵、拋光機(jī)、電動座椅按摩器等裝置。
(三) 電機(jī)核心材料——釹鐵硼、硅鋼
驅(qū)動電機(jī)中構(gòu)成定子、轉(zhuǎn)子的主要材料是高性能釹鐵硼(以速凝甩帶法制成、內(nèi)稟矯頑力 Hcj(kOe)和*大磁能積(BH)max(MGOe)之和大于 60 的燒結(jié)釹鐵硼永磁)和無取向硅鋼(鋼中 Si 含量高于 0.5%、具有特定磁性能的 Fe-Si 或 Fe-Si-Al 軟磁合金)。根據(jù)我們測算,釹鐵硼磁材和硅鋼片占電機(jī)原材料成本的4.5%和3%。
釹鐵硼磁鐵單位體積的磁場是鐵氧體磁鐵的近 20 倍,而且重量幾乎是鐵氧體的1/10,在電機(jī)領(lǐng)域擁有*的性能優(yōu)勢,目前的主要趨勢是應(yīng)用晶體顆粒微細(xì)化和晶界擴(kuò)散Dy等工藝減少Dy 的用量,同時維持較高的剩磁密度。電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片壓鑄而成,主要采用冷扎片進(jìn)行制造,主要牌號有DW800,DW600,DW470 等,目前的主要趨勢是實(shí)現(xiàn)磁性能與機(jī)械強(qiáng)度的同步提升,制造工藝方面開發(fā)薄規(guī)格(0.3mm 以下)產(chǎn)品以降低鐵損。目前日系、歐美合資新能源驅(qū)動電機(jī)用無取向硅鋼厚度規(guī)格以 0.25mm 為主,國產(chǎn)新能源驅(qū)動電機(jī)用無取向硅鋼厚度規(guī)格以0.35mm和0.30mm為主。
微特電機(jī)在汽車上位置、結(jié)構(gòu)和作用各有不同,對永磁材料的要求也不相同,鋁鎳鈷磁體、釤鈷磁體、鐵氧體以及釹鐵硼磁材既互相競爭又相互補(bǔ)充,性價比是優(yōu)先考慮因素。微特電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分,我們認(rèn)為對于新能源汽車上性能要求較高,工作環(huán)境相對穩(wěn)定的微特電機(jī)如 ABS(防抱死系統(tǒng))、空調(diào)電機(jī)、EPS(電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))和主動剎車系統(tǒng)等30個部位的電機(jī),高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁體有比較優(yōu)勢,滲透率會進(jìn)一步提升,由于汽車各部分溫度不同,對所用材料的耐熱要求也不同,永磁鐵氧體原材料豐富、價格低廉、居里溫度高、溫度系數(shù)小及耐腐蝕性好,適于工作環(huán)境較惡劣的汽車電機(jī)應(yīng)用。因此將來較長一段時間內(nèi),電機(jī)中永磁鐵氧體仍會占較大比例。
微特電機(jī)的定子鐵芯部分,低頻下硅鋼仍占主導(dǎo)地位,技術(shù)成熟,中高頻下傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)效率很低, 相關(guān)廠商也積極開發(fā)更高牌號的無取向硅鋼以降低鐵損,同時非晶合金、納米晶合金、超級鐵芯、軟磁復(fù)合材料等性能也十分優(yōu)越,如非晶合金運(yùn)行效率在90%以上, 節(jié)能潛力大,運(yùn)用在電動汽車轉(zhuǎn)向泵電機(jī)上能夠提升效率、降低能耗、提升電動汽車的行駛里程,因此中高頻市場目前以中高牌號硅鋼為主,非晶合金等材料在未來工藝改進(jìn)、成本降低后預(yù)計將占有一定市場。
(四) 電機(jī)磁材用量測算-高性能釹鐵硼與中高牌號硅鋼增速達(dá)39.51%/56.21%
我們假設(shè)(1)純電動汽車中永磁同步電機(jī)磁材用量約 5kg,插電混動車型磁材用量為2kg。(2)汽車中除驅(qū)動電機(jī)外,高性能釹鐵硼磁材的平均用量達(dá)到0.4kg,中低端釹鐵硼等永磁材料用量約為 0.6kg。(3)無取向硅鋼用量約為 80kg,中高牌號占比將從目前的20%提升至30%(4)純電動汽車與插電混動車型比例為 7:3. 雖然行業(yè)內(nèi)各參與者都在努力提高磁材性能,降低磁材重量,但我們認(rèn)為隨著電動化從10-N不斷發(fā)展,高性能磁材在單車用量和占比上將保持穩(wěn)定或有所提升。根據(jù)我們測算2025年全球高性能釹鐵硼需求量將達(dá)到 10.58 萬噸,中高牌號硅鋼需求量將達(dá)到61.92 萬噸。
四、 軟磁材料是新能源汽車電氣電路關(guān)鍵元器件材料
(一) 軟磁材料在新能源汽車廣泛應(yīng)用
隨著汽車電子多功能化應(yīng)用普及,在汽車電子配套的軟磁元器件朝著高頻化、低損耗、耐高溫、抗干擾性強(qiáng)方向發(fā)展。軟磁材料主要是作為電感器、變壓器、扼流圈、濾波器中的磁芯,應(yīng)用在車載DC/DC變換器、充電樁、OBC 車載充電機(jī)、HEV 動力系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換、照明系統(tǒng)、ECU(電子控制系統(tǒng)改)、BMS(電池管理系統(tǒng))、PDU(電源分配單元)、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、胎壓檢測系統(tǒng)、無人駕駛感應(yīng)系統(tǒng)、車身 EMI、傳感系統(tǒng)等部件,發(fā)揮調(diào)節(jié)電壓、濾波、儲能等作用。電感器原理:電感器件能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲起來,一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心或鐵心等組成,由導(dǎo)線一圈靠一圈地繞在絕緣管上,導(dǎo)線彼此之間互相絕緣,而絕緣管可以是空心的,在空芯線圈中插入磁芯后,起到增加電感量、提高線圈品質(zhì)、縮小線圈體積的作用。
電感器在電路中具有通直流阻交流的作用。直流信號通過線圈時不會影響磁力線的變化,電阻就是導(dǎo)線本身的電阻;當(dāng)交流信號通過線圈時,變化的磁力線在線圈兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,方向與外部電壓方向相反,阻礙交流電通過,由于電感的這種特性,通常用于制造阻流圈、變壓器、繼電器,與電容器構(gòu)成 LC 濾波器、LC 振蕩器等。
比較典型的應(yīng)用軟磁材料的設(shè)備有車載充電機(jī)(OBC)和DC/DC 變換器。DC/DC 變換器可以分為升壓型、降壓型、升降壓型,降壓型可以將動力電池組高電壓轉(zhuǎn)換為恒定 12V 或者 14V、24V 低電壓,既能給全車電器供電,又能給輔助蓄電池充電,是全車各電氣組件的“閘口”,因此 DC/DC 變換器在電動汽車電氣系統(tǒng)中處于核心位置。OBC 是指固定安裝在電動汽車上的充電機(jī),功能將充電樁的交流電轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電,主要由功率電路和控制電路組成。功率電路是由交流整壓、變壓器和功率管組成的,DC/DC變換器是其重要組成部分。作用主要是為方便使用交流電充電新增的裝置,目前的趨勢是將OBC和 DC/DC 集成在一起,減少體積占用。
(二) 高端鐵氧體利潤空間較大,800V 趨勢下合金軟磁粉芯受益頗多
軟磁鐵氧體在汽車電子中需求*多,應(yīng)用*廣。軟磁鐵氧體作為一種高頻電氣特性優(yōu)良、成本相對低廉、易于加工成不同形狀尺寸產(chǎn)品的電子的功能材料,廣泛應(yīng)用于汽車上的各種電感器、變壓器、扼流圈、濾波器,其中*材料領(lǐng)域利潤空間較大。如在EMI 中運(yùn)用MnZn系高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體可以有效抑制電磁干擾;在變壓器和扼流圈中采用高性能寬溫低損耗功率鐵氧體材料確保在在惡劣的環(huán)境下長期可靠運(yùn)行,并保持高的效率。目前EV、HEV所用的技術(shù)含量較高的鐵氧體產(chǎn)品,大多為日本和歐美等先進(jìn)鐵氧體廠家壟斷。據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心統(tǒng)計,2021年我國鐵氧體軟磁產(chǎn)量約為 23.5 萬噸,占全球總量的四分之三,產(chǎn)能產(chǎn)量占比雖高,但產(chǎn)品多集中在中低端領(lǐng)域,產(chǎn)品價值較低,利潤空間較小,且產(chǎn)能較為分散,大陸產(chǎn)能達(dá)到3萬噸的公司只有橫店東磁和天通股份兩家。非晶和納米晶合金是電動汽車目前*為理想的軟磁材料,在新能源汽車中的應(yīng)用有待進(jìn)一步擴(kuò)展。非晶和納米晶材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的綜合軟磁性能,主要用途是要用途是制造各類中高頻變壓器、高性能電感和濾波器、高精度電磁測量和傳感器、以及高性能電磁屏蔽和吸波材料等。非晶材料制造的節(jié)能高效的非晶電機(jī),特別適用于新能源汽車使用,具有小電流啟動輸出大扭矩、高速下扭矩不衰減和高速節(jié)能等突出優(yōu)勢。納米晶超薄帶制成的高頻濾波電感、高性能共模電感、精密傳感器、高頻變壓器等可大幅優(yōu)化新能源汽車性能及效率。
金屬軟磁粉芯在 800V 高壓平臺趨勢下受益較多。隨著 800V 高壓平臺的落地與推廣,新能源汽車核心三電系統(tǒng)以及空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC(直流變壓器)、OBC(車載充電機(jī))等部件需要對相關(guān)電氣件重新開發(fā)。例如當(dāng) 800V 逆變器與 800V 電機(jī)組合下電機(jī)功率損耗*低,逆變器效率更高,電容器也需要從 600V 升級至 1200V 才能適配 800V BEV。對應(yīng)到軟磁需求來看,金屬軟磁粉芯軟磁由于飽和磁通密度大等綜合性能優(yōu)越,將進(jìn)一步打開增長空間。存量下,合金軟磁粉芯制成的電感產(chǎn)品能夠耐受更大電流,存量替代方面需求將提升。增量下,由于 800V 方案下目前仍需兼容 400V 充電方案,常規(guī)的400V 充電樁無法適配800V平臺的電池,因此需要在電車中增加了一個 400V 切換 800V 的升壓充電裝置。目前相對成熟的方案主要有以下兩種:(1)增加具有升壓功能的DCDC模塊,技術(shù)較為成熟,但缺點(diǎn)是會占用多余的空間,增加額外成本。(2)利用電驅(qū)系統(tǒng)集成升壓模塊,使用電機(jī)繞組做電感,控制器 IGBT 做斬波、電容,這樣可以節(jié)約空間,但缺點(diǎn)是電流熱效應(yīng)會使釹鐵硼磁體發(fā)熱,過高時產(chǎn)生熱退磁。*種方案需要用到額外的金屬軟磁粉芯,在中短期有較大發(fā)展空間。
(三) 合金軟磁粉芯與鐵氧體軟磁需求量CAGR達(dá)41.71%/34.30%
根據(jù)功率大小不同,需求不同,一輛車用磁材從幾公斤到十幾公斤不等。其中軟磁鐵氧體用量為 2kg 左右,根據(jù)鉑科新材披露,EV 單車磁粉芯用量 0.6-0.8kg/輛,而PHEV單車磁粉芯需求約 2-3kg/輛,是 EV 的 3- 4 倍,金屬軟磁粉芯的單車用量約0.7kg 左右,800V下純電動汽車合金軟磁粉芯單車用量有望增長到 2.7kg。我們假設(shè)(1)純電動汽車中合金軟磁粉芯用量約 0.7kg,800V 平臺于電動車滲透率上升至12%,對應(yīng)合金軟磁粉芯的需求量為單車 2kg。(2)軟磁鐵氧體單車用量為 2kg。(3)純電動汽車與插電混動車型比例為 7:3. 綜上,我們進(jìn)行測算到 2025 年合金軟磁粉芯的需求量將達(dá)到3.82 萬噸,軟磁鐵氧體的需求量將達(dá)到 5.16 萬噸。
五、 充電樁保有率及直流充電樁占比提升打開軟磁增長空間
(一) 合金軟磁粉芯與高端鐵氧體更適配充電樁
充電樁可以分為接觸式充電裝置和無接觸式充電裝置,接觸式充電樁包括直流充電樁和交流充電樁,除了交流充電樁不需要用到磁性元件外,其他均涉及電能形式的轉(zhuǎn)換,充電樁即可以視為大的變壓器,磁材是變壓電感的主要材料之一。據(jù)統(tǒng)計,磁性材料在變壓器等核心器件中占據(jù)15%以上成本,占充電樁成本的 2.25%-3%左右。假設(shè)建設(shè)一臺充電樁需要2 萬元,需要消耗500-600 元的磁性材料,2022-2025 年預(yù)計將為磁性材料帶來82-98 億元左右的市場空間。充電樁的指數(shù)性增長將為變壓器電感以及使用的磁材帶來極大增長空間。
交流充電樁供電為交流電,輸出也為交流電,無法直接為動力電池充電,因此需要連接車載充電機(jī)進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換才能充電。直流充電樁與非直流車載充電機(jī)搭配,由非車載充電機(jī)與交流電網(wǎng)連接,將交流電轉(zhuǎn)換為可控的直流電源,為汽車動力電池充電,非車載充電機(jī)一般安裝在直流充電樁內(nèi)部。以直流充電樁為例,充電樁通過 EMI 將交流電整流成直流,在通過DC-DC變換環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)電壓、電流輸出,以便對動力電池輸電。在輸入、輸出 EMI 濾波、PFC、DC-DC變換、輔助電源等部分都會用到磁性元器件。
充電樁用到的變壓器功率從幾百到幾千瓦都有,對功率、漏感、輸入輸出電壓等有嚴(yán)格要求,其中主要用到的軟磁材料通常有鐵氧體、金屬軟磁粉芯等軟磁材料。由于傳統(tǒng)鐵氧體功率損耗隨溫度變大較大,僅能在很窄的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低功耗,而充電樁大多處于室外露天環(huán)境下,環(huán)境溫度范圍較寬,因此合金軟磁粉芯或低功耗鐵氧體在充電樁應(yīng)用上略有優(yōu)勢。
(二) 直流充電樁占比有望提升,軟磁需求量達(dá)47.24%
根據(jù)橫店東磁投資者關(guān)系活動,充電樁依功率不同軟磁用量約0.5-2kg,至少用到20多個磁性元器件,目前直流交流充電樁的比例約在 4:6 左右,但隨著社會對快充的需求不斷增加,預(yù)計直流充電樁占比將進(jìn)一步提升。根據(jù)我們測算,2025 年中國新能源汽車保有量將達(dá)到4166萬輛,我們假設(shè)(1)車樁比逐年提升,直流交流充電樁比例平均為50%。(2)軟磁用量平均為 1.2 公斤/根。(3)直流交流充電樁的比例將從 4:6 左右上升至 5:5。(4)合金軟磁粉芯與高性能鐵氧體的比例為 3:7,后續(xù)隨著快充要求的不斷提高,合金軟磁粉芯占比逐漸提升。綜上,2025 年充電樁的軟磁用量將達(dá)到 1.14 萬噸。
六、 新能源汽車下游應(yīng)用占比提升,高端磁材持續(xù)供不應(yīng)求
根據(jù)上述測算,永磁中需求量*大的為高性能釹鐵硼,軟磁需求量*大的為硅鋼,其次是鐵氧體永磁與合金軟磁粉芯,其中高性能釹鐵硼和合金軟磁粉芯2021-2025年CAGR為39.51%/47.53%。
用量方面,二者需求量在 2025 年將達(dá)到 10.58/3.82 萬噸,新能源汽車下游市場占比也將從28.84%/5.89%上升 13.40 和 8.48 個百分點(diǎn)。
供給方面,我們預(yù)計高性能釹鐵硼及合金軟磁粉芯產(chǎn)量至2025 年將達(dá)到13萬噸和19.78-23.72 萬噸,對應(yīng)的 2025 年高性能釹鐵硼供需缺口為12.45 萬噸,合金軟磁粉芯供需缺口為 1.00-4.95 萬噸。假設(shè):(1) 根據(jù)弗若斯特沙利文數(shù)據(jù),假設(shè)中國高性能釹鐵硼產(chǎn)量占全球比例從70%逐步上漲至 80%。(2) 由于 2020 年全球合金軟磁粉芯產(chǎn)量數(shù)據(jù)缺失,采用鉑科新材2020年產(chǎn)量2.1萬噸以及其 2020 年市占率 15.60%計算得來,并假設(shè)悲觀/樂觀情況下,全球產(chǎn)量將以8%/12%的速度增長。
七、 行業(yè)現(xiàn)狀及競爭格局
(一) 高性能釹鐵硼:行業(yè)壁壘高,國內(nèi)企業(yè)話語權(quán)增強(qiáng)。
1、 準(zhǔn)入門檻及行業(yè)壁壘較高
高性能釹鐵硼行業(yè)主要有四大壁壘:技術(shù)壁壘、專利壁壘、客戶壁壘、資金壁壘。(1)技術(shù)壁壘:磁材行業(yè)原材料成本占生產(chǎn)成本的比重在50%-70%,需要根據(jù)不同下游行業(yè)和客戶的具體需求,進(jìn)行差異化開發(fā)與制造,生產(chǎn)過程中的速凝片鑄技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)對產(chǎn)品的晶粒尺寸、方形度、均勻性及一致性等影響較大,因此在生產(chǎn)成本中技術(shù)附加值較高。(2)專利壁壘:日立金屬通過對釹鐵硼技術(shù)進(jìn)行全球?qū)@季,將核心專利與外圍專利綁定,中國企業(yè)如想出口需經(jīng)過日立金屬專利授權(quán) (3)客戶壁壘:高性能釹鐵硼的下游客戶對產(chǎn)業(yè)性能、一致性和穩(wěn)定性的要求較高,并需要較長時間的認(rèn)證期,同時通過認(rèn)證后也具有較強(qiáng)的粘性,一旦建立合作關(guān)系,客戶不會輕易更換供應(yīng)商。(4)資金壁壘:高性能釹鐵硼在研發(fā)、生產(chǎn)等階段需要投入大量的資金才能在產(chǎn)品性能、規(guī);a(chǎn)方面獲得差異化優(yōu)勢,且行業(yè)內(nèi)研發(fā)競爭激烈,各大廠商致力于提高研發(fā)低重稀土產(chǎn)品以降低成本,資金需求量較大,中小企業(yè)難以參與其中。
2、 發(fā)展趨勢:國內(nèi)企業(yè)話語權(quán)提高,高端產(chǎn)品仍有提升空間
(1)國內(nèi)高性能釹鐵硼企業(yè)話語權(quán)逐漸提高:從當(dāng)前全球稀土永磁材料產(chǎn)業(yè)競爭格局來看,海外的燒結(jié)釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)主要包括日本的日立金屬、TDK、信越化學(xué)和德國VAC等幾家企業(yè),中國釹鐵硼企業(yè)發(fā)展較快,競爭力較強(qiáng)。根據(jù)弗若斯特沙利文及稀土工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù),國內(nèi)高性能釹鐵硼產(chǎn)量占全球比例從 2016 年的 62.08%提升至 2020 年的69.68%,國內(nèi)高性能釹鐵硼企業(yè)市占率逐漸提高。
(2)國內(nèi)釹鐵硼行業(yè)競爭格局分化明顯,未來仍有提升空間。行業(yè)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)規(guī)模較小,技術(shù)落后,僅能生產(chǎn)低端釹鐵硼產(chǎn)品,少數(shù)企業(yè)如中科三環(huán)、安泰科技、寧波韻升、京磁材料、正海磁材、金力永磁、英洛華、大地熊等,能夠不斷投入資金研發(fā),聚焦特定領(lǐng)域客戶提供高性能釹鐵硼產(chǎn)品。從國內(nèi)高性能釹鐵硼產(chǎn)量占釹鐵硼磁材產(chǎn)量比重來看,2021 年提升至30.54%,較 2016 年提升了 9.35 個百分點(diǎn),仍有替代空間。
(3)圍繞高性能釹鐵硼產(chǎn)品降本增效。一般而言,釹鐵硼產(chǎn)品的主要成本為原材料成本,約占 75-90%,主要由鐵(69%)、釹(22%)、鐠(5%)、鏑(1%)、鋱(1%)等構(gòu)成,其中重稀土鏑、鋱由于較為稀缺,價格昂貴,開發(fā)微量鏑和無鏑產(chǎn)品的高矯頑力產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)降本增效已成為市場共識。
3、 競爭格局:競爭加劇,客戶壁壘優(yōu)勢凸顯
(1)總體來看 2017 年以來釹鐵硼磁材公司營收成上升趨勢,毛利率成下降趨勢,反映釹鐵硼磁材行業(yè)競爭加劇。其中 2021 年收入排名前三位的是中科三環(huán)、金力永磁、寧波韻升;從磁材業(yè)務(wù)毛利率來看,2021 年排名前三位的是寧波韻升、金力永磁、大地熊;從2017-2021年CAGR 來看,排名前三位的是金力永磁、正海磁材和大地熊。
(2)產(chǎn)能擴(kuò)張迅速,年復(fù)合增長率達(dá) 23.67%:從高性能釹鐵硼現(xiàn)有產(chǎn)能來看,根據(jù)各公司規(guī)劃,高性能釹鐵硼磁材產(chǎn)能將從 2021 年的 8.55 萬噸增長至2025 年的20萬噸,年復(fù)合增長率為 23.67%,基本與需求增速匹配。從現(xiàn)有產(chǎn)能及規(guī)劃產(chǎn)能來看,中科三環(huán)、金力永磁、寧波韻升、正海磁材四家公司處于國內(nèi)*梯隊(duì)。
(3)新能源汽車下游獨(dú)樹一幟,客戶優(yōu)勢凸顯:2022 年以來,由于國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢及疫情影響,磁材下游需求疲軟,根據(jù)亞洲金屬網(wǎng),2022 年 1-9 月,中國共計生產(chǎn)燒結(jié)釹鐵硼磁材為116,545.00 公噸,去年同期為 139,237.00 公噸,同比降低 16.30%。在高性能釹鐵硼下游需求當(dāng)中,新能源汽車增速領(lǐng)跑,1-9 月,新能源車合計銷量為233.7萬輛,相比于 2021 年同期的 106 萬輛同比增加 120.47%。因此總體需求疲軟下綁定新能源汽車領(lǐng)域大客戶的龍頭企業(yè)如中科三環(huán)、金力永磁、正海磁材等仍可保持較高增速,三季度業(yè)績?nèi)员3汁h(huán)比增長。
(二) 合金軟磁粉芯:行業(yè)集中度高,鉑科新材、東睦科達(dá)國內(nèi)*
1、 行業(yè)集中度高,CR4 約 58%
據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,2020 年全球合金軟磁粉芯市場規(guī)模約4.8 億美元,我國各類金屬合金軟磁粉末加金屬磁粉芯產(chǎn)量約 19.5 萬噸,產(chǎn)值約 100 億元,較去年增長8%。(1)行業(yè)集中度高,CR4 約 58%:行業(yè)內(nèi)主要競爭者方面,國外主要金屬軟磁粉芯龍頭企業(yè)包括韓國昌星和美磁,國內(nèi)企業(yè)包括鉑科新材、東睦股份、橫店東磁、天通股份等,品質(zhì)接近或達(dá)到國外水平,在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)替代。2020 年美磁和韓國昌星市占率約32.4%,國內(nèi)鉑科新材和東睦科達(dá)磁電分別占比 15.6%、9.9%,是國內(nèi)的龍頭企業(yè)。根據(jù)鉑科新材投資者關(guān)系記錄表,2020 年美磁和昌星收入規(guī)模均約為 4 億元,同期鉑科新材和東睦科達(dá)收入為4.81和 3.10 億元。
(2)制備工藝復(fù)雜,行業(yè)壁壘較高:技術(shù)壁壘,磁芯是電能變換設(shè)備的核心材料之一,磁芯的性能直接影響電力電子設(shè)備的性能。磁芯的性能主要取決于磁粉的特性。磁粉作為磁性材料的源頭,在差異性解決方案、磁芯成型、電子元件的設(shè)計加工等環(huán)節(jié)都會影響到磁粉*終性能的體現(xiàn),因此要求公司完整掌握各個環(huán)節(jié),形成制粉、磁芯生產(chǎn)和電感方案設(shè)計的全面能力。解決方案壁壘:由于不同行業(yè)對于電感磁性材料的側(cè)重點(diǎn)及部件產(chǎn)品的要求都不盡相同,需要廠商與客戶、終端用戶進(jìn)行外部協(xié)同,不斷開發(fā)新的產(chǎn)品,因此新進(jìn)入者提供整套的完整解決方案具有較高難度;規(guī)模壁壘:規(guī);a(chǎn)過程中,技術(shù)、工藝、經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備等都會影響量產(chǎn)產(chǎn)品的性能、良率、成本,需要長時間的經(jīng)驗(yàn)積累及不斷完善才能獲得比較優(yōu)勢。
2、 發(fā)展趨勢:乘新能源東風(fēng),國內(nèi)企業(yè)彎道超車
(1)在全球范圍來看,國內(nèi)企業(yè)受益于新能源領(lǐng)域增速較快:美磁、昌星等主要外資企業(yè)主要集中在服務(wù)器電源,鈦金級開關(guān)電源,5G 通信電源,車載電源等領(lǐng)域,鉑科新材下游細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在新能源汽車、光伏、儲能、UPS 等,因此與國外企業(yè)無明顯競爭沖突,東睦科達(dá)則在各個領(lǐng)域均有涉及,未來將加大對新能源市場的開拓。國內(nèi)企業(yè)受益于新能源市場的蓬勃發(fā)展,與國外企業(yè)錯位競爭,通過對新能源下游應(yīng)用方面持續(xù)投入,開發(fā)客戶,伴隨高景氣下游一同成長,市場份額有望進(jìn)一步提升。(2)光伏儲能市場占比*大:在合金軟磁粉芯下游市場中,占比較大的為光伏、儲能市場,預(yù)計 2025 年將占下游市場用量的 47%。營收結(jié)構(gòu)方面,2022 年H1 東睦股份軟磁營收占比為16.57%,其中逆變器占比約 40%,其他主要為新能源汽車車載/充電樁等。鉑科新材2022年光伏領(lǐng)域收入占比則有望達(dá)到 60%?蛻舴矫,鉑科新材與東睦科達(dá)的直接客戶是磁材器件供應(yīng)商,廣泛用于光伏逆變器、新能源汽車等行業(yè)的頭部企業(yè)。根據(jù)鉑科新材披露,公司在光伏領(lǐng)域的終端客戶包括華為、錦浪、陽光電源和固德威等,新能源汽車領(lǐng)域的客戶主要為比亞迪。
3、 競爭格局:強(qiáng)者恒強(qiáng),先發(fā)優(yōu)勢明顯
頭部企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張迅速,強(qiáng)者恒強(qiáng):產(chǎn)能方面,國內(nèi)鉑科新材現(xiàn)有產(chǎn)能2.5 萬噸,2023-2024產(chǎn)能將達(dá)到 5 萬噸,東睦股份通過增資東睦科達(dá)現(xiàn)有產(chǎn)能 2.6 萬噸,2024 年產(chǎn)能將達(dá)4萬噸左右。此外行業(yè)內(nèi)其他磁材公司如橫店東磁、龍磁科技、中鋼天源也逐漸發(fā)力合金軟磁業(yè)務(wù),未來規(guī)劃產(chǎn)能分別為 0.5/0.5/0.4 萬噸左右。從磁材業(yè)務(wù)收入來看,其中 2021 年排名前三位的是橫店東磁、天通股份、鉑科新材;從磁材業(yè)務(wù)毛利率來看,2021 年排名前三位的是龍磁科技、鉑科新材、天通股份。其中鉑科新材主要由于原材料自供,毛利率較高,東睦股份目前已將制粉公司(德清鑫晨公司)納入公司合并報表范圍,毛利率有望進(jìn)一步提升。
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