輪轂電機和輪邊電機，誰將主宰未來？

發(fā)布者：安徽鴻效   發(fā)布日期：2019-04-15 17:52

1、輪轂電機簡介
1.1、輪轂電機技術(shù)簡介
輪轂電機技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機技術(shù)，它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動車輛的機械部分大大簡化。
 
輪轂電機技術(shù)并非新生事物，早在1900年，就已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在20世紀70年代，這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
 

 
而對于乘用車所用的輪轂電機，日系廠商對于此項技術(shù)研發(fā)開展較早，目前處于領(lǐng)先地位，包括通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。
 
輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。
 
其中外轉(zhuǎn)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機，電機的最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min，無減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同；
 
而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，配備固定傳動比的減速器，為獲得較高的功率密度，電機的轉(zhuǎn)速可高達10000r/min。
 
隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。
   
1.2、輪轂電機的優(yōu)點
1.2.1、省略大量傳動部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單。
對于傳統(tǒng)車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。
 
但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。除了結(jié)構(gòu)更為簡單之外，采用輪轂電機驅(qū)動的車輛可以獲得更好的空間利用率，同時傳動效率也要高出不少。
   
1.2.2、可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式
由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式，它都可以比較輕松地實現(xiàn)，全時四驅(qū)在輪轂電機驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。
 
同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過此時對車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪胎的磨損較大)，對于特種車輛很有價值。
   
1.2.3、便于采用多種新能源車技術(shù)
新能源車型不少都采用電驅(qū)動，因此輪轂電機驅(qū)動也就派上了大用場。無論是純電動還是燃料電池電動車，抑或是增程電動車，都可以用輪轂電機作為主要驅(qū)動力；即便是對于混合動力車型，也可以采用輪轂電機作為起步或者急加速時的助力，可謂是一機多用。
 
同時，新能源車的很多技術(shù)，比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機驅(qū)動車型上得以實現(xiàn)。
 
1.3、輪轂電機的缺點
1.3.1、增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，對車輛的操控有所影響。
對于普通民用車輛來說，常常用一些相對輕質(zhì)的材料比如鋁合金來制作懸掛的部件，以減輕簧下質(zhì)量，提升懸掛的響應(yīng)速度。
 
可是輪轂電機恰好較大幅度地增大了簧下質(zhì)量，同時也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，這對于車輛的操控性能是不利的。不過考慮到電動車型大多限于代步而非追求動力性能，這一點尚不是最大缺陷。
   
1.3.2、電制動性能有限，維持制動系統(tǒng)運行需要消耗不少電能。
現(xiàn)在的傳統(tǒng)動力商用車已經(jīng)有不少裝備了利用渦流制動原理(即電阻制動)的輔助減速設(shè)備，比如很多卡車所用的電動緩速器。
 
而由于能源的關(guān)系，電動車采用電制動也是首選，不過對于輪轂電機驅(qū)動的車輛，由于輪轂電機系統(tǒng)的電制動容量較小，不能滿足整車制動性能的要求，都需要附加機械制動系統(tǒng)。
 
但是對于普通電動乘用車，沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機帶動的真空泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗，即便是再生制動能回收一些能量，如果要確保制動系統(tǒng)的效能，制動系統(tǒng)消耗的能量也是影響電動車續(xù)航里程的重要因素之一。
 
此外，輪轂電機工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時在設(shè)計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。
   
1.4、輪轂電機技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來，國外輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團隊開發(fā)的集成化電動系統(tǒng)；二是整車生產(chǎn)商與輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開發(fā)的電動汽車。
 
而在我國國內(nèi)對于輪轂電機的研究多集中于高校，產(chǎn)品均為電動汽車，與此同時，自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機技術(shù)產(chǎn)品，國內(nèi)的汽車商雖然能夠生產(chǎn)電動汽車，但是對于輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究尚不成熟，尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機開發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品仍有一定差距。
   
2、輪邊電機技術(shù)概述
2.1、輪邊電驅(qū)橋定義
輪邊電機是電機裝在車輪邊上以單獨驅(qū)動該車輪，輪轂電機是電機嵌在車輪轱轆里，定子固定在輪胎上，轉(zhuǎn)子固定在車軸上而不是將動力通過傳動軸的形式傳遞到車輪。
   
輪邊電機通常是指每個驅(qū)動車輪由單獨的電動機驅(qū)動，但是電動機不是集成在車輪內(nèi)，而是通過傳動電機輸出軸連接到車輪(這就是和輪轂電機的差異點。
 
輪邊電機是電機裝在車輪邊上單獨驅(qū)動該車輪，兩側(cè)分別是一臺電機＋減速器，取消了主減速器和差速器，綜合電耗比較好，輪邊電機驅(qū)動系統(tǒng)便于實現(xiàn)電子差速與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，可回收制動能量，具有能量利用率高的獨特優(yōu)勢。
   
2.2、輪邊電機的特點和存在的技術(shù)障礙
分布式驅(qū)動技術(shù)是近些年比較熱的技術(shù)，一些企業(yè)一直在研究分布式驅(qū)動。輪邊驅(qū)動系統(tǒng)與中央驅(qū)動系統(tǒng)相比較，驅(qū)動力更集中，也會更精細化，因此在客車行業(yè)里受到較高的關(guān)注。
   
輪邊驅(qū)動雖然優(yōu)勢突出，但是其存在的技術(shù)難題也不容忽視。目前輪邊驅(qū)動系統(tǒng)主要問題集中在電機的控制上，哪臺電機需要工作，在什么樣的工況下工作，這需要很長的時間來研究。
 
車輛轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)動的速度不一致，分布式驅(qū)動取消差速器之后，需要電子差速控制器來完成轉(zhuǎn)彎，然而目前國內(nèi)這項技術(shù)還達不到使用要求。
 
輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動精細程度很高，甚至能夠精確到多少轉(zhuǎn)矩和扭力，但是越精細控制起來就會越復(fù)雜。
   
在車輛行駛過程中，其核心零部件VMS（整車控制器）的計算量非常大，每增加一臺電機或者一個節(jié)點，VMS的數(shù)據(jù)處理量就會成倍增加。
 
目前仍沒有一個理想的方案完美解決輪邊驅(qū)動的差速問題，尤其在高速轉(zhuǎn)彎與路面顛簸上的差速控制。另外，由于輪邊電機非簧載質(zhì)量高，影響舒適性，因此目前只有部分客車企業(yè)采用輪邊驅(qū)動技術(shù)。
   
2.3、輪邊電機的產(chǎn)業(yè)化
采埃孚是國際上首家生產(chǎn)電驅(qū)動車橋的輪邊電機企業(yè)，該公司的輪邊驅(qū)動技術(shù)最早用于沃爾沃商用車。在我國，比亞迪、長江客車（五龍公司）的輪邊電機客車在2014年相繼問世。同時，中植客車等國內(nèi)大型客車企業(yè)生產(chǎn)的獨立懸架輪邊電機產(chǎn)品也開始進入公告目錄?？梢哉f，2014年是我國輪邊電機客車市場化的元年。
   
比亞迪作為國內(nèi)首家推出輪邊驅(qū)動橋的車企，迄今為止搭載輪邊電機的比亞迪K9客車已經(jīng)有數(shù)千輛公交車投入運行。然而，從輪邊電機驅(qū)動客車的市場運行情況來看，除了比亞迪一枝獨秀之外，其他企業(yè)似乎并無太大起色。那么，輪邊電機客車走向市場的過程中，究竟有哪些問題成為掣肘因素？
 
分布式驅(qū)動技術(shù)市場化進程緩慢，其主要原因就是價格貴。
 
輪邊電機以及配套電池造價高，是輪邊驅(qū)動客車成本居高不下的原因之一。如果是集中式驅(qū)動，那么只要一臺電機就足夠，而分布式驅(qū)動則需要兩套以上的驅(qū)動系統(tǒng)和電機，成本增加是顯而易見的。
   
3、輪邊電機和輪轂電機的優(yōu)缺點分析
輪邊電機和輪轂電機同屬分布式電驅(qū)動橋，都是雙電機驅(qū)動。不同的是一個把電機放進輪轂內(nèi)，一個把電機放在車輪邊。
   
目前輪轂電機有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種技術(shù)方案路線，先普及一下內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的區(qū)別：
 
◆轉(zhuǎn)子和電機主軸一起轉(zhuǎn)、電機機座固定是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。 
◆轉(zhuǎn)子隨著電機外殼一起旋轉(zhuǎn)、電機主軸固定，這是外轉(zhuǎn)子電機。 
◆簡單說就是前者用外殼做定子，內(nèi)部和主軸做轉(zhuǎn)子，這是傳統(tǒng)的。 
◆后者是用外殼做轉(zhuǎn)子，內(nèi)部和主軸做定子。 
◆內(nèi)轉(zhuǎn)子一般極數(shù)少，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小。 
◆外轉(zhuǎn)子一般極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩大。
 
現(xiàn)分別用輪邊電機與外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機作對比：
   
3.1、輪邊電機VS外轉(zhuǎn)子輪轂電機
外轉(zhuǎn)子輪轂電機可以用在商用車上，也可以用在乘用車上。
 
外轉(zhuǎn)子電機由于轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，通常都不需要減速機構(gòu)，而采用直驅(qū)方案。但是由于外轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)特性，決定了其體積較大，導(dǎo)致占用空間大、重量偏大，這是其最大問題。
   
優(yōu)點：取消消機械減速機構(gòu)，減少傳動鏈條，也就減少了故障可能，效率更高。
 
缺點是：在起步、頂風或爬坡等需要承載大扭矩的情況時需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機效率峰值區(qū)域小，負載電流超過一定值后效率下降很快。
   
輪邊減速驅(qū)動一般采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機,配備固定傳動比的減速器，能獲得較高的功率密度，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)速最高可達到10000r/min。
 
高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機配備的減速器一般采用行星齒輪減速機構(gòu)，包括行星輪、太陽輪和行星架，安裝在電機與輪轂之間。電機輸出的轉(zhuǎn)矩通過行星齒輪減速機構(gòu)的減速增矩驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動，從而使汽車前進。
   
只能使用特制鋼圈和大單胎，導(dǎo)致成本上升、可維修性和可更換性下降。另外體積大導(dǎo)致的另一個問題就是散熱困難。
 
3.2、輪邊電機VS內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機
內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)速高，需配備減速器方可驅(qū)動車輪。
 
優(yōu)點是：由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，故具有較髙的比功率和效率，而且體積小，質(zhì)量輕，通過減速結(jié)構(gòu)的增矩后，輸出轉(zhuǎn)矩大,爬坡性能好，能保證汽車在低速運行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。
 
缺點是：難以實現(xiàn)潤滑，會使行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命變短，不易散熱，噪聲比較大。
   
內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機和輪邊電機在傳動結(jié)構(gòu)上已經(jīng)趨同：都是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機+減速器，所不同的只是一個把電機藏在輪轂里，一個放在輪邊。
 
由于內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機需要集成減速器，對于乘用車前輪來說，狹小的空間內(nèi)需要布置電機、減速器、制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等等，故內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機較少見于乘用車應(yīng)用。
 
4、輪轂電機和輪邊電機的產(chǎn)業(yè)化情況
4.1、日本SIM-Drive公司
開發(fā)電動汽車（EV）的日本風險企業(yè)SIM-Drive宣布，2010年1月到2011年3月推進的“第一輪先行開發(fā)車業(yè)務(wù)”的試制車輛已經(jīng)完成。雖然開發(fā)車輛“SIM-LEI”的鋰離子充電電池容量與日產(chǎn)汽車的EV“LEAF”（中國名：聆風）相當，但續(xù)航距離卻達到了后者1.5倍以上的333km（JC08模式）。
   
LEI是“Leading Efficiency In-wheel motor”的首字母縮寫。此次開發(fā)該車時，SIM-Drive制定了“與量產(chǎn)直接掛鉤”的開發(fā)目標。因此，當時所面臨的課題是，如何確保可供5名成人乘坐的車內(nèi)空間及超過300km的實用續(xù)航距離，以及采用適合量產(chǎn)的車身構(gòu)造等。
   
SIM-LEI配備的鋰離子充電電池容量為24.9kWh，與LEAF的24kWh基本相同。日產(chǎn)稱JC08模式下LEAF的續(xù)航距離為200km，而SIM-LEI則達到了LEAF的1.5倍以上。
 
關(guān)于輪內(nèi)馬達的改進，特點是采用了外轉(zhuǎn)子構(gòu)造，取代了原來主流的內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)造。雖然外轉(zhuǎn)子構(gòu)造比內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)造復(fù)雜，但具有容易輸出較大扭矩的特點。
   
由于馬達本身可確保扭矩，因此不再像原來的EV馬達那樣需要減速器，從而可減少摩擦損失。“因為沒有主傳動齒輪、差動齒輪、傳動軸等，摩擦損失可減少10％左右”（SIM-Drive車輛開發(fā)統(tǒng)括部長兼車輛試制評估室長真貝知志）。
 
4.2、福特
福特汽車公司2013年展示了一款以福特嘉年華為基礎(chǔ)開發(fā)的eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動汽車。eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)將獨立的電動機集成于兩個后輪轂中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計，能夠讓車輛無需轉(zhuǎn)向直接平移進人側(cè)方泊車位。  
這款嘉年華使用集成于后輪轂的獨立電機來替代傳統(tǒng)的發(fā)動機和傳動系統(tǒng)，大大減少了零部件數(shù)量和動力系統(tǒng)的體積，讓車輛的動力系統(tǒng)變得更加簡單，大大提高車內(nèi)空間的實用性，提高空間利用率。每個車輪獨立的輪轂電機相比一般電動車而言，也省掉了傳動半軸和差速器等裝置，同樣節(jié)省大量空間且傳動效率更高。
   
電動機采用液冷設(shè)計，單個電機最大功率40千瓦（54馬力），電機工作時平均輸出功率為33千瓦，兩臺電機的最大功率為80千瓦（40×2），約109馬力，連續(xù)輸出時的平均功率為66千瓦（33×2），即90馬力。電機、電子控制器、冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)全部被集成在輪圈內(nèi)側(cè)。
   
福特汽車公司聯(lián)手其國際著名汽車零部件廠商舍弗勒（Schaeffler）以福特嘉年華為基礎(chǔ)而開發(fā)的eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動汽車。該款仍處于研發(fā)階段的汽車將為汽車制造商研發(fā)更為小巧、靈活的車型打下基礎(chǔ)，進而改善城市移動出行并應(yīng)對大城市所面臨的停車難的挑戰(zhàn)。eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動技術(shù)將獨立的電動機集成于汽車的兩個后輪轂中，從而取代了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中的發(fā)動機和變速器，以及用于電動車的中置發(fā)電機，從而節(jié)省了大量空間。
   
4.3、泰特輪轂電機
輪轂電機的分布式驅(qū)動模塊是怎么組成的？湖北泰特的技術(shù)平臺提供了高效、安全、可靠的“交鑰匙”的電驅(qū)動總成技術(shù)，其自主研發(fā)的The Motion全套動力總成由四部分組成，分別是：
 
a,The Wheel SM500輪轂電機驅(qū)動技術(shù)，該技術(shù)由永磁同步電機、外轉(zhuǎn)子、內(nèi)置逆變器等組成； 
b,The Drive電機驅(qū)動技術(shù)，這是電機控制的子系統(tǒng)； 
c,The Control分布式驅(qū)動控制系統(tǒng)，這是電驅(qū)動力總成控制子系統(tǒng)； 
d,The Connect高壓配電子系統(tǒng)。
   
湖北泰特制造的e-Traction輪轂電機，將輪胎、輪轂、永磁同步外轉(zhuǎn)子、定子、逆變器、壓盤集成在車輪內(nèi)，其峰值輸出扭矩可高達6000-10200Nm，最高轉(zhuǎn)速達到500rpm/85-97kmph，堪稱超低速大扭矩。
   
早在2016年9月，作為天海集團子公司的泰特機電便耗資5500萬歐元全資收購了e-Traction公司。
 
這家位于荷蘭的公司成立于1981年，專注于商用車輪轂電機的研發(fā)及應(yīng)用，至今已超過36年。e-Traction公司的輪轂電機技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，目前擁有200余項專利，包括100余項發(fā)明專利。經(jīng)第三方機構(gòu)評估，該公司目前僅專利價值就已達5800萬歐元。
   
4.4、ZF輪邊電機
ZF AVE130已經(jīng)批量應(yīng)用
   
4.5、比亞迪輪邊電機
已經(jīng)批量應(yīng)用于K9電動大巴，出口國外。
   
5、總結(jié)與展望
從目前的應(yīng)用來看，輪邊電機已經(jīng)開始進入產(chǎn)業(yè)化，而輪轂電機尚在批量應(yīng)用的前夜。
 
輪轂電機方面，內(nèi)轉(zhuǎn)子+減速器方案理論上功率密度更高、結(jié)構(gòu)更緊湊，但由于技術(shù)過于復(fù)雜，目前尚未見到量產(chǎn)的產(chǎn)品；外轉(zhuǎn)子輪轂電機盡管體積大、重量大，但是由于結(jié)構(gòu)相對簡單、傳動鏈條少、效率高，已經(jīng)有部分企業(yè)進入量產(chǎn)狀態(tài)。
 
受結(jié)構(gòu)限制，從目前行業(yè)趨勢來看，外轉(zhuǎn)子輪轂電機最有可能在電動大巴上取得突破，而在重載的卡車領(lǐng)域可能還是輪邊電機方案更合適；另外，外轉(zhuǎn)子輪轂電機可能在一些特種領(lǐng)域如軍用越野和礦山電動輪等行業(yè)率先取得突破。
 
乘用車方面，由于舒適性和操控性要求更高，輪轂內(nèi)布置空間更小，制動及散熱和簧下質(zhì)量等問題更加難以解決，所以輪轂電機在乘用車上的應(yīng)用更加困難，盡管福特嘉年華已在幾年前推出了輪轂電機汽車，但并沒有被市場所認可；這也反應(yīng)了汽車行業(yè)的一大特點：技術(shù)過關(guān)不等于產(chǎn)業(yè)化，也就是說，攻克技術(shù)難點、能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，不等于消費者買賬，這中間還有成本、性能、故障率等等多方面和維度的考量。