新能源汽车轮毂电机驱动最全技术解析和国内外主要企业发展情况调查报告（2018版）

主要内容编辑为目录如下：

1 轮毂电机定义
2 轮毂电机分类
3 外转子轮毂电机
4 内转子轮毂电机
5 轮毂电机优点
6 轮毂电机的缺陷及解决方案
7 轮毂电机产业化情况
8 舍弗勒轮毂电机
9 英国Protean轮毂电机
10 荷兰e-Traction公司
11 NSK轮毂电机
12 湖北泰特轮毂电机
13 日本SIM-Drive公司
14 斯洛文尼亚ELAPHE公司
15 浙江亚太轮毂电机
16 轮毂电机在乘用车上的应用剖析
17 轮毂电机驱动技术总结和产业化展望

1 轮毂电机定义
轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内，得以将电动车辆的机械部分大为简化。



轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，就已经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用。上个世纪七八十年代在白俄罗斯白杨系列洲际弹道导弹发射车上就有运用，另外，在矿山电动轮上也有应用（不过究竟是轮毂电机还是轮边电机还有争议）。



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。



2 轮毂电机分类

轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/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减速器的出现，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。

内转子轮毂电机转矩小、转速高，需配备减速器方可驱动车轮。



目前轮毂电机有内转子和外转子两种技术方案路线，内转子和外转子的区别：

转子和电机主轴一起转、电机机座固定是内转子电机
转子随着电机外壳一起旋转、电机主轴固定，这是外转子电机
简单说就是前者用外壳做定子，内部和主轴做转子，这是传统的
后者是用外壳做转子，内部和主轴做定子
内转子一般极数少，转速高，转矩小
外转子一般极数多，转速低，转矩大



3 外转子轮毂电机

外转子轮毂电机可以用在商用车上，也可以用在乘用车上。

外转子电机由于转速低、转矩大，通常都不需要减速机构，而采用直驱方案。但是由于外转子电机的结构特性，决定了其体积较大，导致占用空间大、重量偏大，这是其最大问题。



优点：取消机械减速机构，减少传动链条，也就减少了故障可能，效率更高。

缺点是：在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流，很容易损坏电池和永磁体，电机效率峰值区域小，负载电流超过一定值后效率下降很快。



外转子轮毂电机虽然节省了半轴和减速机等部分，但是巨大的体量是其无法规避的弱项，尤其在没有减速器的情况下，要获得足够大的扭矩，就必须把转速降下来，就是低速大扭矩，大家都知道，在扭矩恒定下，功率和转速成正比，所以转速上不去的话，功率密度无法提高，就导致体积巨大，重量就轻不了。

外转子轮毂电机尽管体积大、重量大，但是由于结构相对简单、传动链条少、效率高，已经有部分企业进入量产状态。



▲外转子电机和内转子电机内部结构对比图

4 内转子轮毂电机

内转子轮毂电机转矩小、转速高，需配备减速器方可驱动车轮。内转子轮毂电机和轮边电机在传动结构上已经趋同：都是内转子电机+减速器，所不同的只是一个把电机藏在轮毂里，一个放在轮边。



优点是：由于内转子电机在高转速下运转，故具有较髙的比功率和效率，而且体积小，质量轻，通过减速结构的增矩后，输出转矩大,爬坡性能好，能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。

缺点是：难以实现润滑，会使行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快,使用寿命变短，不易散热，噪声比较大。



由于内转子轮毂电机需要集成减速器，对于乘用车前轮来说，狭小的空间内需要布置电机、减速器、制动器、转向系统等等，故内转子轮毂电机较少见于乘用车应用。

内转子+减速器方案理论上功率密度更高、结构更紧凑，但由于技术过于复杂，目前尚未见到量产的产品。



5 轮毂电机优点

（1）省略大量传动部件，结构简单

对于传统车辆来说，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，同时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。



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。

（2）简化传动链，提高传动效率

轮毂电机不但简化结构，同时传动效率也要高出不少。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，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。

（3）空间布置

由于高度集成化，省去了中间的传动机构，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。



没有了变速箱，再也没有横置发动机的空间布置纠结症，前舱秒变行李舱不是梦。后驱车后地板上的“迷之突起”消失，做事更方便。采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率。

（4）方便控制，可实现多种复杂的驱动方式

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，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。

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。



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，大大减小车辆的转弯半径，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。

（5）理论上成本更低

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。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，实际上能够最大实现15%的节能。

（6）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。



（7）便于采用多种新能源车技术

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电动车，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的助力，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现。



6 轮毂电机的缺陷及解决方案

（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

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。



可是轮毂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。

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。

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，有人认为簧下质量对整车性能的影响确实存在，但相比传统燃油车，电动汽车的簧上质量也在增加，比如电池的重量。或许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。



（2）电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能

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(即电阻制动)的辅助减速设备，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，由于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。



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。

（3）工况适应性问题

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。



（4）电机过热退磁问题

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。轮毂电机材料退磁是业界比较关注的问题。

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℃以上时会明显出现退磁现象，目前还没有任何技术方式可以解决这个问题。



电机永磁体温度达到140℃的时候就会开始出现退磁现象。那么，如何让磁体低于140℃？

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。一个思路的解决方案是：在不影响电机使用效率的情况下，通过严格的散热分析，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，来满足电机的使用要求。



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。

目前已经有人通过水冷来冷却定子，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。



另外，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。

7 轮毂电机产业化情况

轮毂电机技术在全球范围内起步较早，但在国内还不成熟。近年来，国外轮毂电机驱动技术的应用主要体现在两个方面：一是以轮胎生产商或汽车零部件生产商为代表的研发团队开发的集成化电动系统；二是整车生产商与轮毂电机驱动系统生产商联合开发的电动汽车。



而在我国国内对于轮毂电机的研究多集中于高校，产品均为电动汽车，与此同时，自主品牌汽车厂商也纷纷推出了自己的轮毂电机技术产品，国内的汽车商虽然能够生产电动汽车，但是对于轮毂电机驱动技术的研究尚不成熟，尤其是在高转矩轮毂电机开发方面，与国外先进产品仍有一定差距。

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。



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对该技术有所涉足。

轮毂电机是否具备产业化条件？

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。



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。

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。

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。



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。

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。

8 舍弗勒轮毂电机



福特汽车公司联手国际著名汽车零部件厂商舍弗勒（Schaeffler）以福特嘉年华为基础而开发的eWheelDrive轮毂电机驱动汽车。eWheelDrive轮毂电机驱动系统将独立的电动机集成于两个后轮毂中。



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。



▲福特嘉年华轮毂电机内部结构图



电机、电子控制器、冷却系统、制动系统全部被集成在轮圈内侧。

9 英国Protean轮毂电机

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。



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。



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。



10 荷兰e-Traction公司

这家位于荷兰的公司成立于1981年，专注于商用车轮毂电机的研发及应用，至今已超过36年。e-Traction公司目前拥有200余项专利，包括100余项发明专利。



▲外转子电机巨大的外形导致传统钢圈无法使用

e-Traction 可以提供先进的技术和优秀的客户服务。技术开发、生产和销售都与施乐百和德州仪器等伙伴开展了重大的战略合作。



▲外转子需要特制钢圈配大单胎

作为全球最先进水平的轮毂电动直驱传动技术和系统的专利组合受让人，e-Traction 拥有的独特知识产权地位允许通过技术许可的方式将知识产权授予全球内的合作伙伴。



11 NSK轮毂电机

为实现轮毂电机小型化，NSK开发了双电机特殊变速机的“带变速机轮毂电机”。轮毂电机是由两个电机搭载两个行星齿轮组成的变速机，可以实现高驱动扭矩、及小型电机的转速极大化。另外，该变速机可通过控制两个电机的速度和扭矩，实现平稳地加速。



因其无需安全发动机和其他动力传动件，可大幅减轻车身重量，有可能增大座舱的空间。此外，可借助扭矩矢量分配（torque vectoring）功能，独自控制各轮的驱动力。最后，将提升环保性能、舒适度和安全性。



12 湖北泰特轮毂电机

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。早在2016年9月，作为天海集团子公司的泰特机电便耗资5500万欧元全资收购了e-Traction公司。



湖北泰特制造的e-Traction轮毂电机，将轮胎、轮毂、永磁同步外转子、定子、逆变器、压盘集成在车轮内，其峰值输出扭矩可高达6000-10200Nm，最高转速达到500rpm/85-97kmph，堪称超低速大扭矩。

13 日本SIM-Drive公司

SIM-LEI配备的锂离子充电电池容量为24.9kWh，与LEAF（中国名：聆风）的24kWh基本相同。日产称JC08模式下LEAF的续航距离为200km，而SIM-LEI则达到了LEAF的1.5倍以上。

此次开发该车时，SIM-Drive制定了“与量产直接挂钩”的开发目标。因此，当时所面临的课题是，如何确保可供5名成人乘坐的车内空间及超过300km的实用续航距离，以及采用适合量产的车身构造等。

关于轮内马达的改进，特点是采用了外转子构造，取代了原来主流的内转子构造。虽然外转子构造比内转子构造复杂，但具有容易输出较大扭矩的特点。

由于马达本身可确保扭矩，因此不再像原来的EV马达那样需要减速器，从而可减少摩擦损失。“因为没有主传动齿轮、差动齿轮、传动轴等，摩擦损失可减少10％左右。

14 斯洛文尼亚ELAPHE公司

从03年开始研发轮毂电机，到06年研制出首款轮毂电机产品，至今已有15年历史。依拉菲公司已经开发出超过15款的轮毂电机，搭载过10多款车型。



通过在电机设计和装配方面的丰富经验，Elaphe致力于开发自己的组装和生产工具，以使生产过程更加高效和可伸缩。即使在原型阶段，生产也遵循标准，这些标准适用于轮毂电机的大规模生产。



Elaphe公司技术专家：高扭矩马达是基于Elaphe电磁拓扑，它使所有的期望性能的一个内轮电机。电磁部分的核心创新是与有成就的斯洛文尼亚物理学家、革新者和哲学家Andrej Detela合作开发的，是由Elaphe团队带来的20年的愿景的一部分。



电磁拓扑的主要性能优势是:高转矩能力、超高的主动负荷效率(≥90%)、高效的制冷能力、低制造成本。



15 浙江亚太轮毂电机

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。



杭州亚太依拉菲动力技术有限公司是依拉菲轮毂电机技术在大中华地区的唯一授权单位，这也就意味着未来只有亚太可以生产拥有依拉菲技术的轮毂电机产品，同时包括引进依拉菲最先进的技术和最新的产品。



亚太股份已经与广汽传祺、上汽集团和一些新造车势力完成技术方案设计、测试和验证，预计2019年中旬开始量产；在商用车领域，和中国重汽制定可行性方案，预计2019年上半年开始批量生产。



16 轮毂电机在乘用车上的应用剖析

以A级车北汽EU260为例，其百公里电耗为15-16度，搭载轮毂电机系统，并配合轻量化底盘，最终目标百公里电耗在8-9度。初步预计，新能源整车能耗水平从60%-70%提升到90%以上。



在安全性方面，轮毂电机已经通过深水工作密封性、高温、冰冻、振动、跌落、操控性等各种试验，只要轮毂电机在轴承、轮辋等不损坏的情况下，轮毂电机就不会出现任何问题。



在轻量化方面，以北汽EU260为案例，原车系统重量为147Kg，装配轮毂电机的重量为55.8Kg，减重将近90Kg。如果是全新设计铝合金分布式底盘，重量将大幅度减轻。

轮毂电机的配套优势：

• 轮毂电机可满足两驱、四驱甚至多轮驱动。
• 全时、全轮、全向的电控系统与轮毂电机结合，车轮束缚程度非常小，自由度非常大，同时可以根据需求开发出全新的底盘；
• 采用扭矩矢量控制系统，可以实现每个车轮主动独立控制；
• 简易的集成和装配，通过对车辆大量的悬挂研究，可以与绝大多数车辆悬挂完美切合，通过轮毂电机定子和转向节部分进行连接。

以A级轿车为例，中央电机驱动系统的单电机动力传动系统的总成量产价格为12000元，两驱轮毂电机动力驱动系统总成的量产整套目标价格为22000元，如果按照A级车50度电的电耗量来计算，那么电池和电耗成本为1200*50=60000元，而轮毂电机的电耗量为42.5度，电池和电耗成本为1200*42.5=51000元，所以从动力总成的总体对比来看，中央电机的动力总成价格为72000元，而轮毂电机的动力总成价格为73000元，长期来看轮毂电机还有降价空间，并且轮毂电机没有机械传动系统，维护成本更低。

17 轮毂电机驱动技术总结和产业化展望

在新能源驱动市场，中央驱动电机占据绝对的地位，轮边驱动电机被誉为过渡性驱动方案，而轮毂电机则被誉为新能源汽车终极驱动解决方案。



根据初步计算，相比于中央驱动系统，轮毂电机直接将电机放置在车轮之中直接驱动车辆行驶，去掉一系列的传动系统，可以节省15%以上的能量，同时再配套分布式轻量化底盘，还将节省更多能量。



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。受结构限制，从目前行业趋势来看，外转子轮毂电机最有可能在电动大巴上取得突破，而在重载的卡车领域可能还是轮边电机方案更合适；另外，外转子轮毂电机可能在一些特种领域如军用越野和矿山电动轮等行业率先取得突破。



乘用车方面，由于舒适性和操控性要求更高，轮毂内布置空间更小，制动及散热和簧下质量等问题更加难以解决，所以轮毂电机在乘用车上的应用更加困难，尽管福特嘉年华已在几年前推出了轮毂电机汽车，但并没有被市场所认可；这也反应了汽车行业的一大特点：技术过关不等于产业化，也就是说，攻克技术难点、能够实现量产，不等于消费者买账，这中间还有成本、性能、故障率等等多方面和维度的考量。



内转子+减速器方案理论上功率密度更高、结构更紧凑，但由于技术过于复杂，目前尚未见到量产的产品；外转子轮毂电机尽管体积大、重量大，但是由于结构相对简单、传动链条少、效率高，已经有部分企业进入量产状态。