轮毂电机产业化难点简析

作者：杨建川丨无锡威孚电驱科技 

当前新能源驱动电机的量产配套种类及数量，仍以中央电机为主。虽然轮毂电机可将动力、传动、制动系统高度集成，减少驱动传动部件数量、降低车辆质量、提高车辆效率并提升车内可用空间，但目前轮毂电机技术仍处于工程样品、样车调试验证阶段。

Protean与无锡威孚高科技集团股份有限公司的合资公司无锡威孚电驱科技有限公司将负责PD18(Protean Drive 18 inches)轮毂电机在中国市场的产业化推广。本文简要分析了PD18轮毂电机在技术、成本、制造、市场等领域面临的产业化难点，探讨了轮毂电机产业化发展思路。

1 分析背景

PD18永磁同步轮毂电机的基本参数如表1所示。

表1 PD18永磁同步轮毂电机基本参数

1.1 PD18轮毂电机研发里程

PD18轮毂电机已完成四代样品迭代开发(Hi-Pa、LV、MHV、RAM)，并已开展第五代电机(BCR)研发，分别实现目标：技术可行性验证、刹车及电控系统集成、性能验证及客户耐久性、性能提升及型式认证、持续本地化等降低成本以及可制造可装配性(DFMA)改进，研发里程如图1所示。

图1 PD18轮毂电机研发里程

1.2 PD18轮毂电机开发流程

图2 PD18轮毂电机设计测试流程

2 PD18轮毂电机产业化技术难点

虽然PD18各代轮毂电机具有相对完善的开发流程保障，但因轮毂电机轮端的实际应用环境(空间有限、振动冲击、泥沙涉水、冷却散热等)，远比中央电机复杂，故相应的开发难度将倍增，甚至会遗留一些技术问题短期难以解决，或使应用场景受限。

2.1 簧下质量对车辆性能的影响

轮毂电机造成的非簧载质量增大，对车辆乘坐舒适性、操控稳定性、安全性等存在影响。得益于PD18轮毂电机的高功率密度、轻量化设计要求，簧下质量增加有限。通过底盘悬架重新调校，受簧下质量增加而下降的车辆性能可以恢复，特别是对配备多连杆等独立悬架的车辆。但轮毂电机外部接口的安装空间，可能会受到整车底盘部件尺寸限制。基于大众高尔夫GTE后驱车辆，在3种状态下的由第三方专业机构主客观、同等标准评价如图3所示。

图3 PD18轮毂电机换装车辆性能对比

2.2 量产制动系统的配套开发

图4所示PD18轮毂电机制动系统，包括：圆环形的制动盘、合适材料的制动片、能对制动盘提供足够夹紧力的制动卡钳、与车辆悬架连接的支撑托架等制动组件。制动盘固定在电机转子内端面外缘，则制动传递路径的载荷校核、制动摩擦磨损颗粒物及泥水沙石排出、制动热衰退、制动振动噪声控制及高低温/盐雾环境下应用可靠性等设计开发细节，均要求整车厂家结合搭载车辆的质量、轴荷、制动力分配、制动时间距离等，配套开发其可量产易维护的制动系统、重新标定ABS等安全系统。

图4 PD18轮毂电机双卡钳制动系统示意图

2.3 全生命周期下的密封性能保证

PD18轮毂电机设计寿命长达15年或里程达30万公里，在第四代设计方案上(基本参数见表1)，主要采用两道密封来保证全生命周期下的密封性能要求，如图5所示。

图5 PD18第四代轮毂电机密封方式示意

安装于电机转子与定子之间的特殊材质V型圈进行动密封，合理的自适应结构可实现水和颗粒物的隔离，并适应运行温度变化及偏磨。针对线圈绕组等高压部件，通过优选多层复合绝缘材料精确灌封进行静密封。该密封结构已在某工程样车上完成超过30万公里确认，但针对不同车型或不同运行环境条件下的密封性能有待进一步验证。出于降低成本等目的，考虑采取电机定转子壳体全密封改进等结构方案(轮端允许尺寸是关键)，以减省密封部件或调整昂贵材料，且达到了更佳密封性能。

3 PD18轮毂电机产业化成本难点

从研究角度来说，轮毂电机让人们对未来驱动技术的发展十分乐观，但是由于其成本一直居高不下，导致轮毂电机驱动技术的大规模商业化应用尚未实现。在车辆的前轮或后轮，轮毂电机成对搭载，甚至在四轮以上的更多车轴应用，且每个轮毂电机常规各采用一套独立的电控系统，故相同的功率输出条件下，若车辆动力系统选用轮毂电机驱动方案，价格成本将是中央电机驱动方案的数倍。PD18轮毂电机主要成本分布如图6所示。

图6 PD18轮毂电机主要成本分布

出于功能安全冗余等设计考虑，且在尚未形成规模化量产，重要的电子件(IGBT、芯片及元器件等)均需以样品价格进口，导致成本压力较高。

4 PD18轮毂电机产业化制造难点

PD18轮毂电机的装配制造主要有3方面的工艺：转子组件分/组装、定子组件分/组装、定转子合体。因允许安装的车辆轮毂空间限制，PD18轮毂电机及内置电控系统一体化设计的机电耦合程度非常高，3方面制造工艺均与中央电机的核心工序不同，如永磁体选择前充磁或后充磁、铁心热套变形量控制、动平衡纠正配重方式、线圈组绕制及三相连接、定子灌封温度及温升、机电耦合处粘合或焊接处理、定转子合体后气隙保证等方面均需要重新摸索适合稳定生产的量产方式，前后道工序参数的相互影响，开发定制工装及智能设备。PD18轮毂电机转子组件部分制造工序如图7所示。

图7 PD18轮毂电机转子组件部分制造工序

5 PD18轮毂电机产业化市场难点

轮毂电机产业化之路，必须要有上下游产业链的同步工程支持，各展所长解决技术及成本等难点。PD18轮毂电机的专业零部件供应商，尚需在3～5年内持续配合样件开发及奠定稳定供货能力、打破国外知识产权垄断；整车厂家推动低地板型式等新一代汽车底盘动力学一体化控制系统研发[5]，将制动/驱动、转向主动悬架等功能集成于“主动轮”或“电动轮”，提升燃料电池及电动汽车等新能源车在可用车内空间、续航里程、智能驾驶及操控安全等方面的商业价值；完善普通终端客户用车体验及产品售服体系，对产业化推广进度影响巨大。PD18轮毂电机在新底盘平台搭载示意图如图8所示。

图8 PD18轮毂电机在新底盘平台搭载示意图

6 结 语

轮毂电机产品所具有的系统高度集成化特点，符合氢燃料和智能化以及新型通用化电动汽车平台发展的应用需求。簧下质量、制动系统、密封性能等技术攻克，电子件冗余精简及国产降低成本方案，制造工艺及核心装备开发，产业上下游同步工程等，仍是轮毂电机产业化进程需要持续解决难点。加深轮毂电机产业链的国际合作，实现相关技术、工艺、成本等优势融合互补，可以提升轮毂电机产业化的市场前景。国家制造战略政策、分布式驱动及智能汽车等技术推广，将是促进轮毂电机产业化发展的契机。

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轮毂电机

“轮毂电机”说白了就是将车子的“动力系统、传动系统、刹车系统”集成到一起而设计出来的电机。

轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，保时捷就首先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。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。

轮毂电机的优缺点

优点1：省略大量传动部件，让车辆结构更简单

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。除开结构更为简单之外，采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少。

优点2：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。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。

优点3：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。

如此优秀的技术，为什么没能普及呢？其实对于轮毂电机，一部分人担心的的精确控制四轮转速之类的完全不是什么问题，这只是普通的电控系统就能实现的功能，而且实现起来比传统汽车容易得多，国外博世、戴姆勒、GE等都能提供可靠方案，国内也有几家可以做的，比如亚太电机。其次，在极限情况下，比如有一个电机失灵，系统也可以轻松调整其他轮毂电机转速，使整车不至于失控。

真正的问题在于：

1，虽然整车质量大大下降，但是簧下质量大大提高了，将对整车的操控、舒适性和悬挂的可靠性带来非常巨大的影响！

2，成本问题，高转化效率、轻量化的四轮轮毂电机价格居高不下，目前尚不足以吸引厂商进行转型。

3，可靠性问题，将精密的电机放到轮毂上，就算不考虑长期剧烈上下振动和恶劣的工作环境（水、尘）带来的故障问题，也要考虑轮毂部分是车祸中很容易受损的部位，维修成本偏高。

4，制动热量与能耗问题，电机本身就在发热，由于簧下质量增加，制动压力更大，发热也更大，如此集中的发热对制动性能要求非常高，目前只能寄希望于水冷、油冷。且电制动系统会增加耗能，在目前电池难以突破的状况下，这个问题更显得突出。

总结

一、轮毂电机驱动的主要优势

1、取消了离合器、变速器、传动轴、差速器等部件，底盘结构得到简化；

2、去掉了机械传动部分，系统的传动效率得到提高，能量回收效率同样提高，尤其是市区复杂工况下更为明显；

3、驱动系统占用车辆空间大大减少，为整车腾出更大空间，整车的布置将更加灵活多变；

4、轮毂电机汽车只需通过电机控制即可，而非传统汽车需要对整个传动系如变速箱、差速器等进行综合控制，性能更高、成本更低；

5、可轻松应用四轮转向技术，提高车辆的转向行驶性能，减小转弯半径，驾驶操控更加灵活。

6、轮毂电机四轮独立驱动，动力分散控制，可实现多种驱动形式，且控制更加精准，提高车辆行驶稳定性。

轮毂电机这项技术确实有着很好的优势，不仅能节省大量空间，还能提升传动效率，是新能源车发展的一个很好的方向。但是目前来看这项技术还存在许多问题，比如车轮工作环境过于复杂、耐久性不好保证、还有高速的震动、噪音以及制动和悬架的优化等等，这些都是工程师们需要一步步解决的。

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