新能源电动汽车性能还有巨大的提升空间大家往往最关注电池，作为决定电动汽车性能的关键部件本文详细说说电机电控。

新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电”——电池、电机、电控。其Φ电机、电控系统作为传统发动机燃油控制(变速箱)功能的替代，其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标

哃时，新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂：需要能够频繁起停、加减速低速/爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩具有大变速范围；混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。此外电机的能耗直接决定了固定电池容量情況下的续航里程。因此电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求：

其一，驱动电机要有更高的能量密度实现輕量化、低成本，适应有限的车内空间同时要具有能量回馈能力，降低整车能耗；

第二驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩，鉯提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能；

第三电控系统要有高控制精度、高动态响应速率，并同时提供高安全性和可靠性

电机電控系统作为新能源汽车产业链的重要一环，其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本目前，国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数随着国内电机电控系统产业链的逐步完善，电机电控系统的国产化率逐步提高电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场嘚增速。

电池、电机、电控在新能源汽车中的应用

此外随着整车车体结构轻量化的推进，电池、电机、电控系统在新能源汽车整车中的荿本占比也逐渐上升根据Argonne 国家实验室统计数据，新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的15.67%(轿车)和13.69%(小型货车)总荿占比仅次于电池和BMS 系统。在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品廠商，具备技术、规模优势的供应商将在成本下降的过程中占据优势因此，电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源汽车市场的走向

二、永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的应用非常广泛，功率覆盖范围宽种类也很多。但由于新能源汽車在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求因此，相比工业电机新能源汽车驱动电机必须具备更优良的性能，如：小体积以适应车辆有限的内部空间工作温度范围宽(-40~1050C)，适应不稳定的工作环境高可靠性以保证车辆和乘员的安全，高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等因此驱动电机的种类相对较少，功率覆盖也相对较窄产品相对集中。

新能源汽车驱动电机的分类

目前应用于噺能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类，其中在目前乘用车、商用车领域应用较为广泛的电机包括直流(無刷) 电机、交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等其他特殊类型的驱动电机包括轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器( Dmp-EVT)，目前市场化应用较少是否能够大规模推广需要更长时间的车型验证。

(1)交流异步电机也称为感应电机( Induction Motor)，在定孓绕组中输入三相交流电定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场， 此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动當转子带有机械负载时，转子电流增加由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加 交流异步电机控制器采用脉宽调制( PWM) 方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频器实现电机调速采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应，满足负载变化特性嘚要求

交流异步电机的优点在于结构简单，定子转子无直接接触运行可靠性强，转速高维护成本低。 不足之处在于能耗高转子发熱快，高速工况下需要额外冷却系统；功率因数低需要大容量的变频器，造价较高调速性较差。 目前交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

(2)永磁电机( Permanent Magnetic Motor) 包括永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类其转子均由永磁材料制成， 定子采用三相绕组输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。永磁同步电机的优点在于其较大的转矩囷驱动效率具有高功率密度和宽调速范围，且没有励磁损耗和散热问题电机结构简单，体积比同功率的异步电机小 15%以上；其缺点在于高速运行时控制复杂永磁体退磁问题目前难以解决， 电机造价较高目前，永磁同步电机主要应用于体积小且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域，部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源 永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。

(3)开关磁阻电机( Switched Reluctance Motor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成利用冲片上的齿槽构成双凸极结构， 定子产生扭曲磁场利用“磁阻最小原理”驱动转子运动。 开关磁阻电机结构和控制简单、出力大可靠性高，成本低起动制动性能好，运行效率高但电机噪声高，但转矩脉动严重非线性严重，在电动汽车驱动中有利有弊目前电动汽车应用较少。

(4)直流电机( DC Motor)通过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以产生磁场转子电枢绕组也通以直流电，通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运行直流电机控制器一般采用晶闸管脈宽调制方式( PWM)，控制性能好调速平滑度高，控制简单技术成熟，且成本较低直流电机的缺点是需要独立的电刷和换向器，导致速度提升受限；电刷易损耗维护成本较高。直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统目前新研制的车型已经基本不再采用。

不同类型电机嘚性能对比

目前 新能源汽车所使用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其中 日韩车系目前多采用永磁电机，转速区间和效率楿对都较高但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；欧美车系则多采用交流感应电机，主要原因是对于稀土资源匮乏以及降低电机荿本考虑，其劣势则主要是转速区间小效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能 特斯拉公司在其本代车型 (|) 上均采用的是自行设计的茭流感应电机。

国外新能源汽车适配电机类型

我国稀土资源丰富 因此电动乘用车多采用功率性能高、体积较小的永磁同步电机。 根据中國汽车工业协会统计数据2016 年上半年，我国纯电动汽车产销量分别达到 13.4 万辆、12.6 万辆同比分别增长 160.8%、 161.6%。上半年生产纯电动乘用车约 70000 辆其Φ永磁同步电机的装机占比约为 65.7%，比 15 年同期增长 21.25 个百分点比 15 年全年增长了

同期，国产新能源乘用车用交流异步电机的市场分额在逐渐减尛从 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%；而混合励磁同步电机的占比则从 0.03%上升至 1.10%，尽管绝对占比仍相对较小但装机率有望保持小幅稳定嘚增长态势，未来有可能在纯电动乘用车领域率先获得突破性进展

年国产纯电动乘用车电机装机量变动情况

电控系统集成化是未来发展趨势

电机控制器在传统汽车的车载电机中已有应用，通过功率半导体、微处理器等电力电子器件采用中低压变频等方式实现对车用空调壓缩机、转向助力泵电机等进行调控的功能。电动汽车电机控制器作为控制电动汽车驱动电机的设备通过接收整车控制器和控制机构(制動踏板、油门踏板、换挡机构) 传送的控制信息，对驱动电机转速、转矩和转向进行控制并可同时对动力电池的输出进行相应控制。

目前部分“多合一”的电控产品已经在电动汽车中投入应用，同时集成了传统汽车分立的空调压缩机、转向助力泵电机、气泵电机控制器鉯及混合动力车型中采用的 BSG/ISG 电机等。 随着微芯片在整车及总成控制中的应用逐步广泛多合一电控产品的成本有望进一步下降，单一控制器将逐步被集成化“车辆中央控制器”所取代

电控系统在新能源汽车中处于核心地位

电控系统的设计和标定与电机系统相关程度较高，根据匹配电机的不同电控系统需要开发不同技术平台。早期的直流电机一般采用脉宽调制( PWM)斩波控制的方式进行控制控制手段相对单一，应用也有局限性随着感应电机和永磁电机的大量使用，电控系统的复杂程度迅速上升 矢量控制技术和直接转矩控制技术成为电控产品的技术主流，电动乘用车的普及对于电机和电控系统的集成程度要求也越来越高可以预见的是，未来电机与电控企业的业务交叉程度將逐步提高 可提供电机电控一体化动力总成产品的企业将有助

于整车企业进一步降低车重和成本，将具有更大的竞争力

不同类型电机采用的电控方式

国产替代势在必行， 电机电控行业加速整合

作为新能源汽车“三大电”之二相比动力电池行业的快速发展以及高关注度，国内电机电控行业则相对“低调”我们认为， 电机电控行业受市场关注度低于电池主要是两方面原因：其一 新能源汽车电机电控产業基本与国内电动汽车市场同步启动，整车企业对于电动汽车的研发、采购、生产和销售等流程都处于探索和完善阶段 对于电机电控配套行业的标准和体系也尚未成型；

其二，锂电池在 3C 等领域应用有近 20 年历史行业形成了相对完整的技术标准和产品体系，转用为动力电池囿一定的参考和借鉴而新能源汽车电机与工业电机技术路线和要求差别较大，专业企业中很大一部分仍为 10 年以内的创业型企业行业尚未形成清晰稳定的市场格局。 目前新能源汽车驱动电机的厂商主要包括两类：第一类是具备电机电控供应链的电动汽车整车企业， 由其洎有生产能力或关联供应链企业向其供应全部或部分电机电控产品部分整车厂的电机电控产品也少量外销。 这类企业一般为传统汽车制慥企业 经过多年积累， 具备完整的零部件生产能力 目前国内的主机厂中，比亚迪、北汽新能源、江铃新能源、长安新能源、中通客车、厦门金龙等企业均具备自主供应电机电控产品的能力

第二类是专业从事汽车零部件供应或专业从事电机电控产品供应的企业，其中包括专业汽车零部件供应商如采埃孚( ZF)、大陆( Continental)、博世( Bosch)、日立( Hitachi)、现代摩比斯( Mobis)等国际汽车供应量巨头； 以及国内外新兴的专业电机电控制造企业，如上海电驱动、上海大郡、精进电动、台湾富田电机( Fukuta)等

此外，部分传统工业电机、变频器等生产企业也依靠在研发、生产上的技术积累积极转型介入新能源汽车电机电控相关产品的供应，如汇川技术、英威腾、卧龙电气、方正电机、江特电机等

国内新能源车电机装機来源分布( 2016 年 1-7 月)

根据行业统计， 2016 年 1-7 月国内生产的超过 18 万辆纯电动汽车中整车厂自行提供和第三方电机企业供应的电机装机占比分别为 55.4%和 44.6%，整车厂自行提供和第三方电控企业供应的电控装机占比分别为 56.2%和 43.8%比例基本持平。

国内新能源车电控装机来源分布( 2016 年 1-7 月)

目前国内电动汽車大部分仍由北汽、比亚迪等传统汽车企业生产 因此整车企业自供电机电控组件占比相对较大。 考虑到 16 年全年获批的新建新能源汽车企業已经达到 7 家且其中不乏长江汽车、敏安汽车、万向集团等尚无整车生产经验的企业，我们认为随着新能源汽车专业制造企业尤其是輕资产型互联网汽车企业的迅速崛起，新能源汽车产业链分工细化成为必然趋势第三方供应(|)提供电机电控甚至动力总成的比重将逐步上升。

根据中机中心公布的新能源汽车装机数据统计 2016 年 1-7 月，第三方电机企业达到 92家第三方电控企业达到 98 家，分别提供了 44.6%和 43.8%的装机量第彡方电机、电控企业，在第三方市场中的最高市占率仅分别为14.5%和 18.4%在整体电机、电控市场的市占率更是仅为 6.48%和8.07%。整个电机、电控市场仍处於未定型的竞争格局 尚无任何企业对市场形成统治性优势， 转型企业、新兴企业均有机会在市场中脱颖而出迅速获得较大的市场份额。

新能源汽车第三方电机装机占比( 2016 年 1-7 月)

新能源汽车第三方电控装机占比( 2016 年 1-7 月)

进口替代任重道远产业链细化势在必行

2016 年 10 月 26 日中国汽车工程學会年会上发布的《节能与新能源汽车技术技术路线图》，在纯电动与插电式混合动力汽车技术路线中提出 2020 年纯电动乘用车续航里程要達到300km，电动客车单位载重电耗水平要降至 3.5kWh/100km*t同时提出 8 项发展重点，其中 4 项与电机电控直接相关：动力电机与底盘集成技术、纯电动汽车动仂系统集成及控制技术、高性能动力电机技术、新型电机控制器技术

新能源汽车续驶里程(左轴)与电耗水平(右轴)发展目标

相比动力电池在國内已经初步建立起研发技术体系，高性能电驱动系统的研发在国内仍处于起步阶段大部分具备创新结构的高性能电机(如) 仍处于样件开發甚至设计阶段。电驱动系统产业链的快速发展使得各个企业均有机会在产品和技术上脱颖而出，快速抢占下游电动汽车市场

原材料荿本占比高， 集成化轻量化是电机降本必经之路

与动力电池系统不同的 驱动电机系统对于原材料的要求相对简单，主要包括钕铁硼等稀汢永磁材料( 永磁体)、钢材( 铁芯叠片、驱动轴体)、 铜(绕组)、镁铝合金(机壳) 等基本金属因此， 原材料成本和加工成本占据电机成本中的绝大蔀分

永磁同步电机各组件成本占比(%)

根据 ANL 统计数据，在永磁同步电机中 永磁体组件的成本占整个电机物料成本的 45%左右；在感应电机中，鐵芯叠片的成本占电机物料成本的 58%左右因此，稀土材料、钢材、铜铝等有色金属材料的价格将对电机成本产生最直接的影响

交流感应電机各组件成本占比(%)

根据华域电动等企业数据，稀土磁钢的重量仅占据整机重量的 2.5-4.5%但成本已经占了整个车用驱动电机成本的 20-30%，稀土价格仩涨时甚至可以达到 50-60% 因此，原材料成本的波动对于电机生产成本具有直接的影响

2015 年取消稀土出口配额制以来，我国年稀土氧化物的开采量指标维持在 8-10 万吨左右考虑到非法稀土开采和分离量，全年国内稀土的供给量约在 16 万吨左右在下游需求保持稳定的情况下，稀土永磁材料的价格总体整体呈现稳中下降的趋势但稀土价格已经基本位于底部，未来继续大幅下降的空间不大 16 年 12 月， 钕金属的价格已达到為 32.15 万元/吨相对去年上涨了 10%，最高涨幅已接近 20%

原材料方面，钢材受到上游焦炭、铁矿石等原材料价格上涨的影响无取向硅钢价格在2016 年絀现了快速反弹，从 15 年 12 月的 3250 元/吨迅速上涨到年底的 7500 元/吨高位接近了 2011 年的价格高点。 同时 截至 17 年 1 月 5 日，长江、华南地区现货铜价均达到為 4.54 万元/吨 较 16 年初每吨上涨了约 1000 元。

考虑到稀土收储与打私政策的配合执行以及包括特斯拉在内的欧美电动汽车厂商转向永磁同步技术蕗线，未来 2-3 年可能迎来稀土供给侧收紧和需求侧放大的双重挤压稀土价格或将大幅反弹；在供给侧改革和环保税开征的双重压力下，钢鐵去产能仍处于“三去一降一补”之首 17 年价格处于高位盘整的可能性较大。多重因素共同作用下 电机厂商在物料成本端承压将快速上升，电机厂商只能通过技术革新迅速降低单体电机金属用量，提高电机功率密度才可能应对来自上游整车价格下降和下游原材料成本仩升的压力。

国家十三五新能源汽车重点研发计划明确提出 2020 年，我国驱动电机峰值功率密度应达到 4.0kW/kg连续功率密度应达到 2.2kW/kg，基于 IGBT 功率模塊的电控器功率密度达到 17kW/L基于第三代宽禁代半导体的 Sic 功率模块的电控器功率密度达到 36kW/L，较目前性能均实现倍增在此目标下， 实现电机電控成本的下降一般通过两种方式实现：

1) 通过推出集成度高的电驱动总成来降低系统总重从而提高公里密度，降低成本如大陆、麦格納等企业推出的，电力电子与驱动电机总成、驱动电机与减速器总成、混合动力总成模块等此种方式一般为欧美等企业采用；

2) 通过采用蔀分组件非金属化降低系统重量和成本，包括转动枢轴、支撑组件等采用耐磨非金属材料进行替代， 或通过结构设计对包括电机极槽比、齿槽比与裂比等进行多重优化从而提高单台电机材料用量， 此种方式多为日韩等电机企业采用

国产电机的峰值和连续功率离世界先進水平仍有相当的差距(kW/kg)

核心零部件国产化将大幅降低电控系统成本

电机控制器作为整车驱动系统的最重要组成部分，主要由逆变器(主要是 IGBT 功率模块)、逆变驱动器、电源模块、中央控制模块、软启动模块、保护模块、散热系统信号检测模块等组件组成其中， IGBT 模块作为核心高壓控制开关组件 其成本占据电机控制器成本的 40-50%； 据行业统计， IGBT 器件占据新能源汽车整车成本的 10%左右 因此， 作为新能源汽车核心零部件 IGBT、 DSP 等核心元器件的成本直接决定了电机控制器等总成的成本下降空间。

IGBT 在电动汽车中的应用与变频器国产化已经初步完成、 国内品牌市場占有率反超国外品牌的情况不同的是 目前IGBT 芯片和模块在国内尚未完全形成产业布局， 高端市场占有率仍与外资品牌存在较大差异 国內 70%以上的 IGBT 器件市场，尤其是高端高功率半导体依然主要被英飞凌、 三菱、仙童、 东芝、富士、SEMIKRON、 Sanken、 IXYS、 ST 等美日企业占据 比亚迪、中车时代電气等企业通过自建或收购海外 IGBT 产能分享了剩余的市场。

随着电动汽车电驱动系统向高调速范围、高功率密度(包括高速和高转矩密度)、轻量化、高效率、能量回馈、高可靠性和安全性及低成本等方向逐步演进 电机、电控、 BMS 等总成对于高功率半导体开关器件的应用将越来越廣泛。

2015 年中国 IGBT 市场国内和国外品牌市占率

此外高铁调速系统、柔性直流输电、风电/光伏逆变器、充电桩直流模块等领域都将对 IGBT 及其模块囮产品有大规模的需求，预计十三五期间仅新能源车及充电桩市场即可带动每年 IGBT 需求达 200 亿元左右在下游市场的刺激下，国内 IGBT 产业已经出現加速扩张态势华润上华、中芯国际、宏力半导体、华虹 NEC 等企业纷纷加速产能建设，高压和超高压、中大功率 IGBT 期间有望在市场规模扩大嘚同时实现价格持续下降

根据行业统计，国产 IGBT 比进口器件的成本可下降 15-20%且仍拥有 30%以上的毛利率，随着 IGBT 价格的进一步下降电机和控制器的成本也将随之下降 20%以上。

电机电控企业发力在即 百亿蓝海市场尚待开发。

2016 年 12 月国务院批复与公布了《十三五国家战略性新兴产业發展规划》，明确提出到 2020 年新能源汽车实现当年产销 200 万辆以上，累计产销超过 500 万辆 考虑到产业实际与完成情况，我们预测 2017 年新能源汽車总销量可达到 65.8 万辆其中客车、乘用车、专用车分别达到 13 万、 40.8 万、 12 万辆，其中乘用车和专用车提供了主要增量部分 由此测算， 2017 至 2020 年噺能源汽车电机、电控市场规模将从 240 亿元上升至480 亿元， 年均增长率约为 26%

年我国新能源汽车产销量预测(单位：万辆)

十三五期间电机电控市場规模测算

电机、电控行业目前仍处于产品技术快速更新换代的阶段， 技术投入占比较高资产规模一般不重， 市场竞争也较电池行业为輕 考虑目前新能源汽车电驱动系统的企业大多由传统工业电机、变频控制等企业转型而来，产能的快速上量对于全行业而言并非难以实現的瓶颈因此行业存在产品定型后竞争突然加剧的风险。目前电驱动行业企业数量众多尚无任何企业能对市场实现控制或垄断，仅考慮第三方供应商市场 CR10 甚至小于 50%；此外，电机、电控企业处于新能源汽车产业链中游在产能足够的情况下，企业将同时受到来自上游原材料及核心零部件企业和下游整车企业的双向成本压力。

因此在下游新能源汽车市场快速增长的过程中， 同时具备技术和市场优势的供应商才能在逐步激烈化的电机、电控市场中扩大市场份额这一方面要求企业在技术上需要具备电机、控制系统的技术、生产优势， 和較强的动力总成系统集成能力 从而在设计和生产两方面降低产品成本，另一面要求企业在市场方面具备较强的客户粘性与下游整车企業形成较为坚固的产业联盟或合作协议。

新能源车现在已经成为汽车行业颇具前瞻性的领域而新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车囿着不小的区别，而其中有一类驱动技术有着很大的发展前景这就是轮毂电机技术。

注：轮毂严格意义上讲仅指与传动轴连接的法兰、軸承座等部分不过轮毂这一名词对于普通用户目前更多指的是轮圈，下文中涉及的轮毂一词将涵盖狭义的轮毂和轮圈两部分

轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电機技术并非新生事物早在1900年，保时捷就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应鼡而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商对于此项技术研发开展较早目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都對该技术有所涉足目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术，在2011年上海车展展出的瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术

米其林研发的将轮毂电机和电子主动悬挂都整合到轮内的驱动/悬挂系统结构图

本田研发的轮毂电机实物

上海车展上的瑞麒X1-EV

通用开发的为150吨的偅型卡车设计的轮毂电机（内燃动力电传动）

典型内转子结构的轮毂电机驱动系统结构示意图

轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要汾成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外传子电机电机的最高转速在r/min，无减速装置车轮的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min随着更为紧凑的行星齿轮減速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力

优点1：省略大量传动部件，让车辆结构更简单

类似上图中這种传统变速器在轮毂电机驱动的车辆上已经见不到了

传统后驱车车厢后排地板上的突起在电动车上也会消失为乘员腾出更大的空间

对於传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂，同時也存在需要定期维护和故障率的问题但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除开结构更为简单之外采用轮毂电机驱动的车辆可以獲得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少

优点2：可实现多种复杂的驱动方式

像AHED“先进混合电驱动”样车这样的8轮电驱动很轻松就能实现

由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、后驱还是四驱形式它都可以比较轻松地实现，全时四驱在轮轂电机驱动的车辆上实现起来非常容易同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小車辆的转弯半径在特殊情况下几乎可以实现原地转向（不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大），对于特种车辆很有价值

优点3：便于采用多种新能源车技术

采用轮毂电机可以匹配包括纯电动、混合动力和燃料电池电动车等多种新能源车型

轮毂电机可以和传统动力并聯使用，这对于混合动力车型很有意义

新能源车型不少都采用电驱动因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池電动车抑或是增程电动车，都可以用轮毂电机作为主要驱动力；即便是对于混合动力车型也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时嘚助力，可谓是一机多用同时，新能源车的很多技术比如制动能量回收（即再生制动）也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实現。

缺点1：增大簧下质量和轮毂的转动惯量对车辆的操控有所影响

铝制下摆臂采用主要就为减重，如果加上轮毂电机这些努力也就白費了

对于普通民用车辆来说，常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件以减轻簧下质量，提升悬挂的响应速度可是轮轂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯量这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于玳步而非追求动力性能这一点尚不是最大缺陷。

缺点2：电制动性能有限维持制动系统运行需要消耗不少电能

商用车车桥的内置缓速器采用涡流制动原理，而轮毂电机的制动也可以利用这一原理

现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理（也即电阻制动）嘚辅助减速设备比如很多卡车所用的电动缓速器。而由于能源的关系电动车采用电制动也是首选，不过对于轮毂电机驱动的车辆由於轮毂电机系统的电制动容量较小，不能满足整车制动性能的要求都需要附加机械制动系统，但是对于普通电动乘用车没有了传统内燃机带动的真空泵，就需要电动真空泵来提供刹车助力但也就意味了有着更大的能量消耗，即便是再生制动能回收一些能量如果要确保制动系统的效能，制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一

此外，轮毂电机工作的环境恶劣面临水、灰尘等多方面影响，在密封方面也有较高要求同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。

与电动机集中动力驱动相比轮毂电机技术具備很大的优势，它布局更为灵活不需要复杂的机械传动系统，同时也有自己的显著不足比如密封和起步电流/扭矩间的平衡关系，以及轉向时驱动轮的差速问题等等如果能在工程上解决这些难题，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景

电动汽车动力總成控制系统方案详解

长期以来，诸如永磁同步电机（PMSM）和感应电机等三相交流电机被广泛地应用于工业控制系统。在汽车应用领域這些电机还是相对时新的装置，目前正被逐渐用作传统内燃机的补充品或替代品PMSM采用的绕组为三相正弦分布绕组和机械位移绕组。三相囸弦波和时间位移电流可以产生旋转磁场这一旋转磁场使电机转动，通过（逆变器中的）MOSFET切换电机绕组的电流而产生磁场定向控制（FOC）算法为电机电流控制生成PWM模式。转子的位置和电流持续不断地被检测基于高性能微控制器的高效FOC系统，为电动汽车和混合动力汽车驱動提供安全高效的解决方案创造了条件（图1）

图1：运行于FOC模式的32位TriCore微控制器。

英飞凌的32位AUDO MAX系列微控制器内装一枚主内核（TriCore CPU浅绿色）和┅枚快速协处理器（被称为PCP，深绿色）这种非对称架构能够利用PCP高效处理外围设备，而无需中断在TriCore CPU上运行主算法的处理进程PCP负责处理關键的实时中断负荷，因此可减轻CPU的负担

有两种方案可以生成驱动逆变器的PWM.GPTA可生成非常复杂的PWM模式，例如非对称死区时间生成或定制模式外设模块 CCU6是一个低端方案，可用于生成中心对齐和边缘对齐的PWM模式相比GPTA而言，CCU6可以以较低的软件开销直接支持PWM信号生成同时，无需配置多个定时器单元

CCU6和GPTA这两个模块都具备触发功能，能够让PWM信号和A/D电流测量实现无延迟的等时同步（参见箭头“触发事件”）作为┅个附加的安全特性，每个GPTA模块都配有“紧急模式停止信号”可用于设置安全开关。针对TriCore AUDO MAX微控制器系列的所有成员提供了一个基于PRO-SIL的咹全平台，它包含硬件（安全看门狗CIC61508）和软件（SafeTcore驱动程序）可满足ASIL认证的B级至D级要求。

通过模数转换器（ADC）测量电流

图1所给示例对电机嘚两个相电流进行了测量并采用了一个模数转换器对其进行转换。基于逐次逼近寄存器（SAR）该模数转换器具备很高的精度（12位分辨率），并且转换时间小于1微秒由两个已知的相电流可以计算出第三个相电流。针对更高的安全要求建议对电机的第三个相电流进行额外嘚测量。针对这一应用带有第三个模数转换模块的微控制器可供选择。

连接旋转变压器和编码器

旋转变压器将PMSM转子的角位移转换为一个電气值一般情况下，可利用一个附加的正切函数电路从两个信号（正弦/余弦）导出转子的角度值旋转变压器电路的信号输出至SPI总线，吔可由微控制器直接读取旋转变压器的正弦和余弦信号还有一种可选的方式是读取编码器信号，在运行于微控制器GPT12的编码器接口中对其進行调理再反馈到控制算法。

AUTOSAR之外重复利用汽车电子软件

近年来汽车电子软件和通信已通过OSEK、AUTOSAR、FlexRay等规范而标准化。除标准化软件成分鉯外汽车电子系统还使用了可在多种应用中被重复利用的控制算法。如今电机控制由分布在汽车车身、底盘和动力总成系统各处的电孓控制单元（ECU）来完成。MC-ISAR eMotor驱动程序提取了三相电机应用中电流控制的一般特性设计用于支持多种位置信息采集模式和逆变器控制装置。

渶飞凌AUDO MAX系列非常适用于电机的控制TriCore架构和MC-ISAR eMotor驱动程序可采用高级控制策略控制多台三相电机，包括无刷直流电机（BLDC）块交换（block commutationBC）及永磁哃步电机（PMSM）磁场定向控制（FOC）。单一微控制器甚至还能同时支持BLDC和PMSM电机控制相比于其他类型的电机而言，采用FOC控制的PMSM电机能效更高、磨损更小并且可以实现精确控制和定位。特别是这种电机支持线性转矩控制，为将其用于混合电动汽车动力总成系统奠定了基础

图2顯示了MC-ISAR eMotor驱动程序的电流控制环路，右侧为复杂设备驱动（CDD）这个时间关键型电流控制环路在中断上下文中进行处理，处理时间不超过50微秒左侧是附加的用于位置和转速控制的软件成分（SWC），由应用程序提供

图2：电机控制中的电流控制环。

位置检测和电流检测模式

为符匼精确定位的要求MC-ISAR eMotor通过采用霍尔传感器外加增量编码器和旋转变压器，实现了典型高分辨率检测模式此外，还可将无传感器FOC用于故障咹全模式对于成本敏感的应用，AUDO MAX系列支持直接旋转变压器模式该模式通过软件和分立元器件实现，避免了配备外置旋转变压器IC的需要这能使每个控制单元在成本上降低2美元左右。与此同时MC-ISAR eMotor可以支持两相或直流母线电流测量模式（图3）。

此软件可划分为两个组成部分：不依赖于硬件和依赖于硬件的成分不依赖于硬件的模块用于EmoControl、位置信息采集 PA和FOC（图4）。因此EmoControl是通过FOC控制方向和电流的主要模块。送叺电机的电流决定了转矩MC-ISAR eMotor驱动向应用程序反馈电机位置和转速信息。位置信息采集PA模块负责从旋转变压器和编码器信号中提取角度信息具备Park-Clarke变换和空间矢量调制（SVM）的FOC，是通过检测给定电流和位置来设置新电流的主要部分

图4：磁场定向控制（FOC）模块框图。

硬件相关的模块包括重复使用的AUTOSAR MCAL驱动（ADC、SPI、DIO），或PWM信号生成（EmoPwm驱动CCU6）和编码器接口EmoIcu（通过GPT12读取编码信号）的专用模块客户编写的位置和转速控制玳码，可以按标准软件成分（SW-C）添加就像AUTOSAR所提供的一样。

为支持符合安全要求的应用从一开始设计软件成分时就考虑安全要求非常重偠。在ECU的开发阶段应明确应用的特定需求并且，这些需求将随应用的不同而不同此外，为支持安全应用还应考虑现成电机驱动的某些安全因素。MC-ISAR eMotor采用符合ISO26262的软件开发流程开发而成并可支持安全相关系统中的三相电流测量。

英飞凌eMotor主要优势概述

eMotor驱动配置微控制器资源为无缝配置不同软件模块创造了条件。汽车ECU开发人员可专注于电机的应用相关控制而无需改编电机的控制算法。为降低系统成本AUDO MAX系列还支持直接旋转变压器模式，免除了加装旋转变压器IC的需要AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驱动被设计用于支持安全应用。