作者：楊建川丨無錫威孚電驅科技 

當前新能源驅動電機的量產配套種類及數量，仍以中央電機為主。雖然輪轂電機可將動力、傳動、制動系統高度集成，減少驅動傳動部件數量、降低車輛質量、提高車輛效率并提升車內可用空間，但目前輪轂電機技術仍處于工程樣品、樣車調試驗證階段。

Protean與無錫威孚高科技集團股份有限公司的合資公司無錫威孚電驅科技有限公司將負責PD18(Protean Drive 18 inches)輪轂電機在中國市場的產業化推廣。本文簡要分析了PD18輪轂電機在技術、成本、制造、市場等領域面臨的產業化難點，探討了輪轂電機產業化發展思路。

1 分析背景

PD18永磁同步輪轂電機的基本參數如表1所示。

表1 PD18永磁同步輪轂電機基本參數

1.1 PD18輪轂電機研發里程

PD18輪轂電機已完成四代樣品迭代開發(Hi-Pa、LV、MHV、RAM)，并已開展第五代電機(BCR)研發，分別實現目標：技術可行性驗證、剎車及電控系統集成、性能驗證及客戶耐久性、性能提升及型式認證、持續本地化等降低成本以及可制造可裝配性(DFMA)改進，研發里程如圖1所示。

圖1 PD18輪轂電機研發里程

1.2 PD18輪轂電機開發流程

圖2 PD18輪轂電機設計測試流程

2 PD18輪轂電機產業化技術難點

雖然PD18各代輪轂電機具有相對完善的開發流程保障，但因輪轂電機輪端的實際應用環境(空間有限、振動沖擊、泥沙涉水、冷卻散熱等)，遠比中央電機復雜，故相應的開發難度將倍增，甚至會遺留一些技術問題短期難以解決，或使應用場景受限。

2.1 簧下質量對車輛性能的影響

輪轂電機造成的非簧載質量增大，對車輛乘坐舒適性、操控穩定性、安全性等存在影響。得益于PD18輪轂電機的高功率密度、輕量化設計要求，簧下質量增加有限。通過底盤懸架重新調校，受簧下質量增加而下降的車輛性能可以恢復，特別是對配備多連桿等獨立懸架的車輛。但輪轂電機外部接口的安裝空間，可能會受到整車底盤部件尺寸限制。基于大眾高爾夫GTE后驅車輛，在3種狀態下的由第三方專業機構主客觀、同等標準評價如圖3所示。

圖3 PD18輪轂電機換裝車輛性能對比

2.2 量產制動系統的配套開發

圖4所示PD18輪轂電機制動系統，包括：圓環形的制動盤、合適材料的制動片、能對制動盤提供足夠夾緊力的制動卡鉗、與車輛懸架連接的支撐托架等制動組件。制動盤固定在電機轉子內端面外緣，則制動傳遞路徑的載荷校核、制動摩擦磨損顆粒物及泥水沙石排出、制動熱衰退、制動振動噪聲控制及高低溫/鹽霧環境下應用可靠性等設計開發細節，均要求整車廠家結合搭載車輛的質量、軸荷、制動力分配、制動時間距離等，配套開發其可量產易維護的制動系統、重新標定ABS等安全系統。

圖4 PD18輪轂電機雙卡鉗制動系統示意圖

2.3 全生命周期下的密封性能保證

PD18輪轂電機設計壽命長達15年或里程達30萬公里，在第四代設計方案上(基本參數見表1)，主要采用兩道密封來保證全生命周期下的密封性能要求，如圖5所示。

圖5 PD18第四代輪轂電機密封方式示意

安裝于電機轉子與定子之間的特殊材質V型圈進行動密封，合理的自適應結構可實現水和顆粒物的隔離，并適應運行溫度變化及偏磨。針對線圈繞組等高壓部件，通過優選多層復合絕緣材料精確灌封進行靜密封。該密封結構已在某工程樣車上完成超過30萬公里確認，但針對不同車型或不同運行環境條件下的密封性能有待進一步驗證。出于降低成本等目的，考慮采取電機定轉子殼體全密封改進等結構方案(輪端允許尺寸是關鍵)，以減省密封部件或調整昂貴材料，且達到了更佳密封性能。

3 PD18輪轂電機產業化成本難點

從研究角度來說，輪轂電機讓人們對未來驅動技術的發展十分樂觀，但是由于其成本一直居高不下，導致輪轂電機驅動技術的大規模商業化應用尚未實現。在車輛的前輪或后輪，輪轂電機成對搭載，甚至在四輪以上的更多車軸應用，且每個輪轂電機常規各采用一套獨立的電控系統，故相同的功率輸出條件下，若車輛動力系統選用輪轂電機驅動方案，價格成本將是中央電機驅動方案的數倍。PD18輪轂電機主要成本分布如圖6所示。

圖6 PD18輪轂電機主要成本分布

出于功能安全冗余等設計考慮，且在尚未形成規模化量產，重要的電子件(IGBT、芯片及元器件等)均需以樣品價格進口，導致成本壓力較高。

4 PD18輪轂電機產業化制造難點

PD18輪轂電機的裝配制造主要有3方面的工藝：轉子組件分/組裝、定子組件分/組裝、定轉子合體。因允許安裝的車輛輪轂空間限制，PD18輪轂電機及內置電控系統一體化設計的機電耦合程度非常高，3方面制造工藝均與中央電機的核心工序不同，如永磁體選擇前充磁或后充磁、鐵心熱套變形量控制、動平衡糾正配重方式、線圈組繞制及三相連接、定子灌封溫度及溫升、機電耦合處粘合或焊接處理、定轉子合體后氣隙保證等方面均需要重新摸索適合穩定生產的量產方式，前后道工序參數的相互影響，開發定制工裝及智能設備。PD18輪轂電機轉子組件部分制造工序如圖7所示。

圖7 PD18輪轂電機轉子組件部分制造工序

5 PD18輪轂電機產業化市場難點

輪轂電機產業化之路，必須要有上下游產業鏈的同步工程支持，各展所長解決技術及成本等難點。PD18輪轂電機的專業零部件供應商，尚需在3～5年內持續配合樣件開發及奠定穩定供貨能力、打破國外知識產權壟斷；整車廠家推動低地板型式等新一代汽車底盤動力學一體化控制系統研發[5]，將制動/驅動、轉向主動懸架等功能集成于“主動輪”或“電動輪”，提升燃料電池及電動汽車等新能源車在可用車內空間、續航里程、智能駕駛及操控安全等方面的商業價值；完善普通終端客戶用車體驗及產品售服體系，對產業化推廣進度影響巨大。PD18輪轂電機在新底盤平臺搭載示意圖如圖8所示。

圖8 PD18輪轂電機在新底盤平臺搭載示意圖

6 結 語

輪轂電機產品所具有的系統高度集成化特點，符合氫燃料和智能化以及新型通用化電動汽車平臺發展的應用需求。簧下質量、制動系統、密封性能等技術攻克，電子件冗余精簡及國產降低成本方案，制造工藝及核心裝備開發，產業上下游同步工程等，仍是輪轂電機產業化進程需要持續解決難點。加深輪轂電機產業鏈的國際合作，實現相關技術、工藝、成本等優勢融合互補，可以提升輪轂電機產業化的市場前景。國家制造戰略政策、分布式驅動及智能汽車等技術推廣，將是促進輪轂電機產業化發展的契機。

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輪轂電機

“輪轂電機”說白了就是將車子的“動力系統、傳動系統、剎車系統”集成到一起而設計出來的電機。

輪轂電機技術并非新生事物，早在1900年，保時捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在20世紀70年代，這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。而對于乘用車所用的輪轂電機，日系廠商對于此項技術研發開展較早，目前處于領先地位，包括通用、豐田在內的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。

輪轂電機的優缺點

優點1：省略大量傳動部件，讓車輛結構更簡單

對于傳統車輛來說，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、讓車輛的結構更為復雜，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。除開結構更為簡單之外，采用輪轂電機驅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。

優點2：可實現多種復雜的驅動方式

由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性，因此無論是前驅、后驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現，全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向，大大減小車輛的轉彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向（不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大），對于特種車輛很有價值。

優點3：便于采用多種新能源車技術

新能源車型不少都采用電驅動，因此輪轂電機驅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，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動車型上得以實現。

如此優秀的技術，為什么沒能普及呢？其實對于輪轂電機，一部分人擔心的的精確控制四輪轉速之類的完全不是什么問題，這只是普通的電控系統就能實現的功能，而且實現起來比傳統汽車容易得多，國外博世、戴姆勒、GE等都能提供可靠方案，國內也有幾家可以做的，比如亞太電機。其次，在極限情況下，比如有一個電機失靈，系統也可以輕松調整其他輪轂電機轉速，使整車不至于失控。

真正的問題在于：

1，雖然整車質量大大下降，但是簧下質量大大提高了，將對整車的操控、舒適性和懸掛的可靠性帶來非常巨大的影響！

2，成本問題，高轉化效率、輕量化的四輪輪轂電機價格居高不下，目前尚不足以吸引廠商進行轉型。

3，可靠性問題，將精密的電機放到輪轂上，就算不考慮長期劇烈上下振動和惡劣的工作環境（水、塵）帶來的故障問題，也要考慮輪轂部分是車禍中很容易受損的部位，維修成本偏高。

4，制動熱量與能耗問題，電機本身就在發熱，由于簧下質量增加，制動壓力更大，發熱也更大，如此集中的發熱對制動性能要求非常高，目前只能寄希望于水冷、油冷。且電制動系統會增加耗能，在目前電池難以突破的狀況下，這個問題更顯得突出。

總結

一、輪轂電機驅動的主要優勢

1、取消了離合器、變速器、傳動軸、差速器等部件，底盤結構得到簡化；

2、去掉了機械傳動部分，系統的傳動效率得到提高，能量回收效率同樣提高，尤其是市區復雜工況下更為明顯；

3、驅動系統占用車輛空間大大減少，為整車騰出更大空間，整車的布置將更加靈活多變；

4、輪轂電機汽車只需通過電機控制即可，而非傳統汽車需要對整個傳動系如變速箱、差速器等進行綜合控制，性能更高、成本更低；

5、可輕松應用四輪轉向技術，提高車輛的轉向行駛性能，減小轉彎半徑，駕駛操控更加靈活。

6、輪轂電機四輪獨立驅動，動力分散控制，可實現多種驅動形式，且控制更加精準，提高車輛行駛穩定性。

輪轂電機這項技術確實有著很好的優勢，不僅能節省大量空間，還能提升傳動效率，是新能源車發展的一個很好的方向。但是目前來看這項技術還存在許多問題，比如車輪工作環境過于復雜、耐久性不好保證、還有高速的震動、噪音以及制動和懸架的優化等等，這些都是工程師們需要一步步解決的。

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