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轮毂电机技术应用和产业化发展分析

今天主要关于分布式驱动,轮毂轮边技术的交流,今天分享关于轮毂电机产品,应用,产业化的发展。  

轮毂电机技术应用和产业化发展分析

  根据相关产业报告,我国电机产量约占全球总产量的80%-90%,我国电机产业技术拥有良好的产业基础,新能源汽车电机作为国家战略产业核心零部件,发展到今天,目前我们国内永磁同步电机技术成为新能源车用电机的主要技术途径。世界范围内虽然有开关磁组电机作为轮毂电机的一个选择,但目前轮毂电机生产企业仍然选用永磁同步电机为主。  

  上图为发改委公布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录(2016版)》,文中提到新能源汽车作为国家支持的重点战略发展行业,明确将轮毂电机和轮边电机技术作为我国新能源汽车技术未来发展的核心,这一技术趋势在行业内已达成一定的共识。  

  驱动系统分类中,集中式和分布式驱动有着显著的差别,就目前现状而言,绝大多数驱动仍然为集中式驱动。

  所谓分布式驱动是动力源多源,分布在轮端,从技术类型上来说分为轮边驱动和轮驱两种方式,轮驱方式又可以分为又分为轮毂直驱和轮内+变速机构这两种方式。主要应用PHEV和BEV车型上。  

  “太阳底下,从来没有新鲜事”。—— 希罗多德,出自于《圣经 · 旧约》

  最早的轮毂电机概念,保时捷先生在1900年左右提出,上图实物在底特律的汽车博物馆展览。

  随着第四次电动汽车浪潮的来临,整体产业技术的不断进步,发展和创新,轮毂电机的应用才真正进入车型的开发当中。从产业角度来说,轮毂电机也并非一个全新的概念,从技术形态上来看,电摩的驱动电机即是标准的轮毂电机,我们今天讨论的轮毂电机是以汽车使用为基础的。  

  高新科技即所谓的 “黑科技”实际上都是从国防军工,航天这些特种应用过渡到民用领域,比如GPS导航技术,同样的轮毂电机也是从高端的特种应用过渡到商用车市场未来发展到乘用车领域的。单纯从技术角度来讲,车辆未来的发展的未来,两大主流趋势是电气化,和智能化。从驱动系统来看,动力理想上是来自轮端,也就是说在需要的地方直接提供动力。当然了磁悬浮汽车和飞行汽车不在讨论范围范围内。

  上图依次为火星救援车,装甲车,矿用车,客车,以及概念车使用轮毂电机的实例。同时奇点汽车创始人沈海寅先生也曾提出轮式机器人的设想。总的来说,面向未来的概念设计已经开始采用轮毂电机或者说分布式驱动作为新的驱动方式,其主要的原因,作为交通工具,理想的动力来源来自轮端,目前随着产业技术的革新与发展也使得轮毂电机进入了实际应用的时代。  

  新能源客车一直是行业的新行者,新能源城市公交的电驱系统升级为分布式驱动系统已经成为一个不可逆的趋势。目前在国外市场,e-Tranction公司在欧洲超过10个城市已经投入商用公交车型,在国内,搭载分布式驱动系统的比亚迪K9纯电动客车也已经成功量产并运营于国内多个城市。除此之外,长江,中植等等车企也在推出分布式驱动的项目,对于客车而言,高效率,轻量化,低地板应用是个升级换代的趋势,而且大量的国内整车企业也积极推出相关车型。  

  接下来再看下轻型商用车和乘用车领域,目前,轮毂直驱技术已经成为各大主机厂和新进入者互联网造车企业重点关注的焦点,轻型商用车和物流车领域,轮边驱动也在商业化方面加速发展。上图依次为Protean基于Vauxhall Vivaro轻型商用车改装的物流车,福特Fiesta纯电动技术示范样车以及丰田自行开发的Toyota ME.WE。  

  简单来讲,汽车分布式驱动系统对传统驱动系统是一种颠覆式创新,未来变速器,驱动轴,差速器等都将不付需要,轮驱技术可以最大化简化驱动总成结构和布置,从而提升整车驱动效率。

  目前有很多整车企业和轮毂电机企业联合开发样车,虽然现在仍无法明确轮毂电机技术什么时候成熟,什么时候开始配套,但就目前而言,将轮毂技术基于产业化方向的攻关和技术储备是一个非常好的时机。

  目前轮毂电机仍然存在很多挑战,比如簧下质量问题,密封性问题,可靠性问题等。分布式驱动轮毂电机标准要求是多方面的,悬挂,制动,电力电子系统等是全套的规范,所以标准是来自全方面的标准要求,简而言之,要求很高。同时轮毂电机由于技术较新,目前全球范围内还没有形成现有的测试指标规范,部分规范也是根据轮毂电机所具有的技术特性和接合整车的应用环境而设定的。大家有兴趣可以点击文章末尾的“阅读原文”观看Proean公司官网公布的关于轮毂电机测试视频。  

  “以现有的办法是解决不了将来的问题”。这个很值得大家思考未来的技术方向,我们应该持拥抱变革的态度。当然了,轮毂电机在整车应用中的挑战更大。

  由于轮驱系统的局限性簧下质量增加对整车NVH的确存在影响,但相关论文已经证明簧下质量的增加对整车操控性能存在一定影响,但该影响通过调教整车的悬挂系统可达到与原车基本一样的表现,而在商用车领域和特种车应用领域这些表现又是微乎其微的。

  通过实践,装配轮毂电机的样车和传统汽车驾驶操控也基本一致,影响甚微。

  整车控制尤其差速方面,针对电子差速控制,包括安全策略,国内国外都有相关技术积累,同时也做了大量的实车测试,这个问题其实是完全可以解决的。而且亲测样车,对驾驶操控性影响微乎其微。

  去年年底出台的新一轮的新能源补贴政策,包括碳排放积分的制度,实际导向是整车和应用层面的节能减排,提倡的能效的提升以及整车的轻量化,抛开智能驾驶不提的话,毫无疑问这是整个行业努力的方向。分布式驱动,轮毂电机是实现这一方向的趋势之一。  

  行业内约定俗称的“三巨头”,即Protean,Elaphe以及天海集团全资收购的e-Trantion。

  目前亚太轮毂电机已经在黑河完成实验,虽然还在工程开发阶段,但Elaphe技术发展还是很快的。Protean已经在天津投资建厂,具备小批量量产能力,有望成为乘用车领域最早实现量产的企业。

  同时易仑动力虽然较为年轻,但志于与轮毂电机行业同仁积极交流,共同成长,一起推动中国轮毂电机产业化的发展。

问答环节

  Q: 对于国内市场而言,轮毂电机的发展现状和趋势是什么?与国外方案(如福特已经推出了的嘉年华轮毂电机样车)相比,主要的差距在哪里?技术突破口主要在哪些方面?

  A:国内轮毂电机企业发展相对于比较滞后,技术突破口光从电机而言,低速大扭矩,能量密度,功率密度。整车应用角度,底盘悬挂,轮驱集成相对于国外的企业还存在一些差距。同时在产品开发验证方面,国内有很多企业包括易仑动力虽然已经做了很多工作,但与国外一些公司仍存在差距,但在不久的将来,相信我们可以迎头赶上。

  Q:制约轮毂电机发展的控制技术、工程化(精密制造方面)以及电磁噪声问题目前是否得到显著改善?电机的载荷谱是如何设计的?对铁芯材料有何要求?使用哪种绕组?电机零部件加工工艺是否会发生变化?

  A:虽然说轮毂电机或轮边电机和传统驱动电机特性有所差异,但采用的技术大致相同,控制技术和电磁技术不存在挑战,工程化方面尤其涉及到精密制造方面的确存在挑战。关于具体的设计参数,由于技术保密原因,暂不方便公开,非常抱歉。

  Q:就当前来看,国内采用轮毂电机方案的整车企业较少,未来随着新能源行业补贴下降,轮毂电机系统与传统电机驱动方案相比,有哪些优劣势(成本、传动效率方面)?目前整车企业对于轮毂电机方案的态度怎样?整车企业对轮毂电机有哪些技术、寿命等参数要求?目前轮毂电机冷却方案主要是水冷还是风冷,考虑因素有哪些?

  A:成本是制约产业化的重要因素,但比较成本是在同样的规模效应而言,在同等技术的条件下,分布式驱动小批量生产的成本大概是集中式驱动的150%,达到规模产业化,成本大概是集中式驱动的120%。同样的我们也不应该忽视分布式驱动轮毂电机在驾驶特性,乘客空间,载货空间等的提升上带来的客户价值的提升,已知在公交领域内,基于整车全生命周期来看,分布式驱动比传统集中式驱动成本降低10%左右。主机厂对于轮毂电机现在持一个拥抱的态度,积极开始作为技术储备。风冷和水冷考虑功率使用情况,风冷成本比水冷成本更低,对于大功率冷却方式采用水冷,甚至采用油冷。

  Q:对于分布式驱动技术,在实验室如何开展带载的振动实验,与传统汽车振动实验相比,有哪些难点?

  A:关于实验方面,更建议大家观看Protean相开的有关视频,和传统汽车相比,如果单从震动和冲击而言,并没有太多的区别。

  Q:相对于传统汽车,轮毂电机车型轮胎寿命如何?如果单个电机出现故障,怎么解决?

A:随着产业发展,轮毂电机对于轮胎和传统汽车没有特别的要求;单个电机出现故障是个整车安全的问题,对于轮毂电机来说未来也是ISO26262整个的体系规范,典型工况分为两种,一是高速情况下电机失效,等同于爆胎,通过整车相关控制器协助驾驶员做出判断,避免事故的发生。一般工况下,假如在两驱情况下,一边轮毂电机失效,结合转向等技术纠偏,在技术上而言是可以达到的。

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