轮毂电机在新能源汽车驱动系统中应用剖析

“轮毂电机技术与中央电机相比可以为电动汽车提高15%的续驶里程。”

在中国电动汽车百人会论坛（2018）上，湖北泰特机电有限公司总裁何君正这番言论，再次引发业界对轮毂电机技术的关注。

轮毂电机被一部分人认为是新能源汽车驱动系统最佳解决方案。其最大的特点就是将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内，省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件。

它的出现，很有可能颠覆汽车零部件产业格局。



轮毂电机技术在全球范围内起步较早，但在国内还不成熟。

目前国内90%的电动汽车企业都是走中央电机驱动的路线，这个技术实际上就是从传统汽车转变过来的，绝大部分车的底盘还是传统车的底盘，没有按照纯电动汽车的特点来开发。

那么，被很多人看好的轮毂电机为什么至今还没有大面积铺开？

就目前来看，业界对轮毂电机技术的观点分为两派。一方认为，轮毂电机有明显优势，技术已经可以达到产业化水平；另一方认为，轮毂电机技术瓶颈很难突破，短期内不宜大规模推广。

基于此，电动公会对业界专家和企业人士进行了深入采访，看看轮毂电机究竟还存在哪些问题？这些问题到底能不能解决？

电机过热退磁如何解？



轮毂电机材料退磁是业界比较关注的问题。

车轮由于经常需要处在大负荷低速爬长坡工况下，电机又放置在狭小的车轮内，容易出现冷却不足导致电机过热，另外制动也会导致电机过热。

清华大学汽车技术研究院院长宋健对电动公会表示，过热会导致电机材料退磁，从而直接影响整车性能。


宋健

“在汽车制动时，制动器会产生很大热量，热量会直接传到电机上，一般情况下，电机材料达到200℃以上时会退磁，目前还没有任何技术方式可以解决这个问题。”

清华大学教授连小珉也直言，电机热退磁现象确实存在，但如果有良好的冷却系统，能让热及时散发，可以避免电机材料退磁。


连小珉

目前水冷已经有人设计出来了，水冷来冷却定子，转子可以由风来冷却。

另外，电机最大的热量来自制动器，汽车在制动过程中产生的热量会对电机有附加影响，如果把热量有效隔开，也可以减轻电机的热负荷。

“现在的情况是轮毂电机开发商只做电机，不做轮毂。其实轮毂可以做成风扇的形式来达到冷却效果，如果把轮毂和电机放在一起综合设计，有可能得到额外的冷却效果。”连小珉说。



再来看看轮毂电机企业是怎么解决散热问题的。

湖北泰特机电有限公司总裁何君正表示：“效率是我们要重点考虑的，在不影响电机使用效率的情况下，我们通过严格的散热分析，决定采用水冷的方法进行散热，主要是从冷却水路的布置当中考虑，我们完全能够达到整个电机的使用要求。


何君正

在轮毂电机领域深耕多年的Protean电机公司CEO陈国贤认为，电机永磁体温度达到140℃的时候就会出现退磁现象。那么，如何让磁体低于140℃？


陈国贤

“我们的办法是将硅钢片放置在刹车盘内进行防护，汽车在制动时摩擦产生的热量会进行一层层隔热处理，加上在电机定子里使用冷却水进行降温处理，从而使电机材料达到不会退磁的温度。”

陈国贤表示，我们通过有限元分析得出的实验结果是到达永磁体的温度可以控制在90℃左右。

簧下质量增加之痛如何解？



如果说电极材料过热导致的退磁问题能够解决的话，那么决定轮毂电机是否能够产业化的另一堵墙就是簧下质量的大幅增加，这个问题的严重性关乎轮毂电机的“命运”。

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。

而轮毂电机恰恰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很不利。



宋健认为，现在不是谈轮毂电机成熟不成熟的问题，如果技术成熟了，把它放在摩托车上应该没问题，但放在汽车上会存在先天性弊端。

对汽车来讲，簧下质量会对汽车的性能产生很大影响，原来的驱动系统是在悬架以上，而轮毂电机会使悬下重量增加一倍多，这对汽车的平顺性严重恶化，不是轮毂电机不能用，而是应用在汽车上会严重影响其性能。

针对这一问题，电动公会还采访了上海交大汽车工程研究院副院长殷承良。


殷承良

殷承良认为，对悬架结构做出重大改变或许能避免这个问题，但悬架的变化就相当于整车全新一代的车型开发，难度很大。

不过，连小珉教授对此有不同看法，虽然他也认为簧下质量对整车性能的影响确实存在，但他同时强调，相比传动燃油车，电动汽车的簧上质量也在增加，比如电池的重量。

“簧上质量与簧下质量按同比例增加时，整车性能受到的影响就不会那么突出”

虽然随着技术的进步，电动汽车会逐步轻量化，但轮毂电机技术也会不断进步，向轻量化的方向发展。只要簧上和簧下质量保持比例，对整车性能的影响就不会太大。

是否具备产业化条件？



目前来看，轮毂电机除了电极材料过热退磁和簧下质量增加存在争议外，轮毂电机能否与整车如何有效集成以及电机的一致性、耐久性差的问题也成为影响产业化进程的因素。


徐向阳

北京航空航天大学交通科学与工程学院教授徐向阳对电动公会表示，轮毂电机只能在非常有限的特殊应用中试用，对于在汽车上的应用，不能仅就轮毂电机本身论，必须从整车角度来看轮毂电机在产业化应用的可能性。

“从整车的角度，对于真正意义的电动汽车来说，轮毂电机在“十三五”根本没有产业化的可能。”徐向阳说。

在集成方面，连小珉教授认为，如果要搭配轮毂电机，整车要改进悬架参数来匹配，这并非技术瓶颈。



在我们把燃油车改成电动汽车时，由于簧上质量加重，悬架进行了调整，那么在应用轮毂电机时，悬下质量加重也需要调整这一部分。

轮毂电机的开发商和车厂一定要配合来做这件事，这样有助于发挥优点，克服缺点。目前确实存在很多技术问题，但如果缺乏规模化的商业应用，突破速度会很慢。

国内外有一些整车厂已经在尝试使用轮毂电机作为汽车的驱动方式了，但都没有大规模应用，只是停留在测试阶段。

当然，还有很大一部分整车厂拒绝采用轮毂电机。

“在现有的技术条件下，如果将轮毂电机应用到汽车上可以运行，车企为什么不去试一试？希望业界在对待新生事物态度上能够更加积极。”连小珉说。

目前国外比较有名的轮毂电机生产厂商有英国的Protean电机公司、加拿大的TM4公司、著名的轮胎生产商米其林公司和日本的普利司通公司。

其中，Protean已与多家整车厂商合作研发了20多款装置轮毂电机的样车和改装车型，包括福特F150-EV、VolvoC30 SeriesHEV、沃克斯豪尔Vivaro货车、广汽传祺mmpchiEV以及基于梅赛德斯奔驰E级的巴博斯纯电动与混合动力车型。



在轮毂电机发展上，可以说Protean已经走在了前面。

虽然轮毂电机还面临其他问题的挑战，但依旧有越来越多的国内汽车厂商和电机生产商开始注意到这项技术，比如一汽-大众和广汽传祺纯电动汽车都曾尝试使用过轮毂电机。

国内研发轮毂电机的企业屈指可数，但也不乏勇于开拓的新军出现。

亚太股份以参股方式投资斯洛文尼亚轮毂电机技术公司1000万欧元，并在中国设立了合资公司，这正是对轮毂电机未来充满自信的表现。

湖北泰特机电有限公司也是或内比较早布局轮毂电机的企业，轮毂电机已经在全球8个国家10多条纯电动商用车的路线上运营，最早的一批是从2009年开始营运。



此外，还有一些国内企业也有涉足轮毂电机，比如天海集团也在天津成立了工厂，聚焦轮毂电机的研发，万安集团与Protean合作推动轮毂电机在国内量产等。

虽然目前轮毂电机还处于小范围试验阶段，但被业界很多人看作是未来新能源汽车驱动解决方案，如果能在工程上解决技术难题，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。
文章来源：电动公会
【文②】
下一个颠覆汽车行业的技术？聊聊轮毂电机的前生今世

引言：随着汽车的新能源化，汽车的结构更加简单了，简单到只需要电池包和电机就可以替代传统的发动机了。可是，除了离合器和变速箱结构简化外，传动系统还是非常复杂，尤其是四驱车辆。



但是，有一项技术能淘汰全部传动系统，你敢信？

没错，就是轮毂电机！

轮毂电机定义

传统电动汽车的传动方案是把电机的输出扭矩通过变速器和差速器等传递到车轮。



传统电动汽车传动方案

有童鞋可能会说，为什么这么复杂，把电机直接装在轮子上不就行了吗？

Bingo! 轮毂电机的技术就是将电机装在轮毂内，不经过任何机械结构的传递，直接驱动车轮。就是这么简单粗暴！



Protean轮毂电机爆炸图

轮毂电机的优点

轮毂电机通过把电机集成在轮毂内，高度集成化，具有以下优点：

高效率

传统的传动系统由于结构的复杂性，每一级传动都有传动效率的损失，总体传动效率的损失还是很大的。而轮毂电机直接驱动车轮，避免了传递路径上效率的损失，可以提升效率，节省能量。数据显示，相对于传统的传动系统来说，轮毂电机可以提高8%~15%左右的效率。

对于电动汽车来说，效率的提升可以进一步增加续航里程。或者保持续航里程不变，电池么，就做小一点。另外，虽然轮毂电机比普通轮毂要重不少，但是对整车来说，还是减重很多的。对于电动汽车来说，减重意味着续航能力的增加，就可以把电池做的再小一点了。

空间布置



由于高度集成化，省去了中间一大坨传动机构，可以节省前舱的布置空间，以及四驱车辆的后排座椅的凸起，乘客可以享受更大的车内空间。上面那一坨变速箱就不需要了，前舱秒变行李舱不是梦。后驱车后地板上的“迷之突起”消失，啪啪啪更方便。



方便控制

由于电机直接驱动车轮，MCU（电机控制器）只需要一个简单的指令就可以直接控制车轮的转速和扭矩（而且精度非常高），可以很容易的实现非常复杂的控制。比如可以通过左右轮不同转速甚至反向旋转来实现差动转向，可以大大减小车辆的转向半径，甚至可以实现原地转向（不过对轮胎的磨损比较大）。另外，对于装备有四轮轮毂电机的车辆，可以更容易实现更高水平的制动能量回收利用率。理论上，如果轮毂电机扭矩足够大，可以回收100%制动能量，只是受限于电池组的充电功率。

成本

理论上，由于节省了复杂的传动机构，机构更简单，零件更少，整车成本会下降。但是目前由于轮毂电机产业化还远远不够，而且技术被少数公司垄断，轮毂电机成本还居高不下。不过随着轮毂电机前景被各大车企看好，一步步实现产业化，这部分优势会逐渐体现出来。

模块化

由于轮毂电机的高集成度，轮毂电机理论上只与车轮大小有关，所以更容易模块化，避免重复开发，可以缩短新车型的开发周期和开发费用。

轮毂电机的缺点和挑战

轮毂电机也存在一些缺点，遇到一些挑战。

簧下质量增加

簧下质量的增加对操控性能的影响，主要体现在：

颠簸路况时悬架的响应会变慢
轮毂转量增加使加速响应慢
对于第1点，普通家用轿车不太敏感，对于更高级别的车辆，可以通过优化悬架结构来改善。至于说的第2点，电机本身的低转高扭特性可以弥补这一点。

防震防水防尘的挑战

由于电机内置在轮毂里，工作环境要恶劣的多，而电机本身比较娇贵，所以对于防水防尘防震设计要求就很高。

冷却/散热的挑战

之所以要散热，一是因为本身电机工作会产生热量，二是机械制动时会产生大量热量。

问：不是轮毂电机可以实现100%制动能量回收吗？为什么不取消机械制动结构？
答：虽然理论上可以实现100%的制动能量回收，但是实际上不能取消传统制动结构。
原因如下：

轮毂电机的制动力矩不可能满足紧急制动的需求，跑车级别的驱动加速度能做到0.5g，就很可观了，而紧急制动时减速度很容易就能达到0.9g~1.1g。所以轮毂电机提供的制动力矩是远远不够的。

制动能量回收受制于电池的SOC(State of Charge，即剩余电量水平），在电池电量接近满电时，一般控制逻辑里是不会进行能量回收的。即使控制逻辑上可以实现满电时仍可以进行能量回收，为了确保电机故障时仍能保证车辆安全，传统机械制动结构还是必要的。

机械制动时，其原理本质为机械能转化为热能，瞬间会产生极大的热量，短时间内造成周边温度的大范围上升（连续制动时可以到300度以上）。电机的永磁体对温度非常敏感，温度太高会造成消磁，这会对电机造成破坏，一般轮毂电机采用水冷方式来保护电机。

此外，温度的上升也会造成制动性能的热衰退。由于轮毂电机的结构形式，导致轮毂电机的散热效果不如传统轮毂的散热效果好，这对制动系统的设计提出了挑战。

不过话说回来，轮毂电机封闭的轮辋造型，可以让空气更加平滑的通过车身，从而最大程度的降低风阻。



轮辋造型对风阻系数影响示意图

一般车辆的轮辋考虑散热，轮辐之间空挡较大，造型是酱婶的（见下图）。



普通车轮的轮辋造型

而为了降低风阻，BMW i3的轮辋造型是酱婶的。



BMW i3轮辋造型

超低的0.19cd的风阻系数的奔驰IAA概念车，轮辋造型是酱婶的。



奔驰IAA概念车轮辋造型

好吧，轮毂电机结构的轮辋造型是介个样子的。



Protean轮毂电机轮辋造型

轮毂电机的发展现状

国际巨头的成果

2013年，福特与汽车零部件厂商舍弗勒共同开发搭载轮毂电机驱动技术的后驱嘉年华。用在嘉年华上的轮毂电机，单个重量为53千克，比传统车轮装置的重量高不少。





舍弗勒的轮毂电机采用水冷设计，单个电机最大功率40千瓦（54马力），电机工作时平均输出功率为33千瓦，两台电机的最大功率为80千瓦（40×2），约109马力，连续输出时的平均功率为66千瓦（33×2），即90马力，输出扭矩可达700牛米。

目前国际上著名的轮毂电机生产厂商有英国的Protean电机公司、加拿大的TM4公司、著名的轮胎生产商米其林公司和日本的普利司通公司。

其中，英国的Protean电机公司是一家专门研发生产轮毂电机的公司。其生产的轮毂电机能够实现75kW的峰值功率和1250NM的峰值扭矩，质量为36kg，可安装在直径为18英寸以上的车轮中，能回收高达85%的制动能量。



据了解，Protean已与多家整车厂商合作研发了多款装配轮毂电机的样车和改装车型，包括福特F150-EV、VolvoC30 SeriesHEV、沃克斯豪尔Vivaro货车、广汽传祺mmpchiEV以及基于梅赛德斯奔驰E级的巴博斯纯电动与混合动力车型。

国内零部件企业的布局

万安科技与Protean股权合作战略布局轮毂电机技术，欲开发16寸轮毂的轮毂电机，以加速推进轮毂电机技术在国内落地和产业化。

亚太股份以参股方式投资斯洛文尼亚轮毂电机技术公司1000万欧元，占该公司股份的20%。双方同意在中国成立合资公司，亚太股份占该合资公司51%的股份，欧盟公司占该合资公司49%的股份。亚太可以利用欧盟斯洛文尼亚轮毂电机技术公司的技术在中国打造本土化产品，推动中国新能源汽车产业的发展。

总结

由于轮毂电机具有高效率，高集成度的优点，与新能源汽车十分契合，在新能源汽车领域有非常好的发展前景。不过，由于轮毂电机增加了簧下质量，会影响车辆的操控性能，此外，还有很多防水防尘防震和散热的挑战需要克服。

总之，由于轮毂电机还没有大规模量产，成本居高不下，推广普及还需要一定时间。对于传统车企来说，一直以来的传统是，传动归传动，驱动归驱动，底盘归底盘，分属不同的部分，泾渭分明。一旦普及，传动系统将取消，驱动和底盘将深度融合在一起，对于传统车企的组织架构是一个非常大的挑战。传统车企想要推动这个变革，其决心不亚于壮士断腕。

面对多变的世界，悠久的历史和庞大的规模对于传统车企来说，是一个负担。是时候摆脱束缚、轻装上阵了。