随着汽车的新能源化,汽车的结构更加简单了,简单到只需要电池包和电机就可以替代传统的发动机了。可是,除了离合器和变速箱结构简化外,传动系统还是非常复杂,尤其是四驱车辆。

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但是,有一项技术能淘汰全部传动系统,你敢信?

没错,就是轮毂电机!

轮毂电机定义

传统电动汽车的传动方案是把电机的输出扭矩通过变速器和差速器等传递到车轮。

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传统电动汽车传动方案

有童鞋可能会说,为什么这么复杂,把电机直接装在轮子上不就行了吗?

Bingo! 轮毂电机的技术就是将电机装在轮毂内,不经过任何机械结构的传递,直接驱动车轮。就是这么简单粗暴!

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Protean轮毂电机爆炸图

轮毂电机的优点

轮毂电机通过把电机集成在轮毂内,高度集成化,具有以下优点:

高效率

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,总体传动效率的损失还是很大的。而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。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。

空间布置

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由于高度集成化,省去了中间一大坨传动机构,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。上面那一坨变速箱就不需要了,前舱秒变行李舱不是梦。后驱车后地板上的“迷之突起”消失,啪啪啪更方便。

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方便控制

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。比如可以通过左右轮不同转速甚至反向旋转来实现差动转向,可以大大减小车辆的转向半径,甚至可以实现原地转向(不过对轮胎的磨损比较大)。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。

成本

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。

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。

轮毂电机的缺点和挑战

轮毂电机也存在一些缺点,遇到一些挑战。

簧下质量增加

簧下质量的增加对操控性能的影响,主要体现在:

颠簸路况时悬架的响应会变慢

轮毂转量增加使加速响应慢

对于第1点,普通家用轿车不太敏感,对于更高级别的车辆,可以通过优化悬架结构来改善。至于说的第2点,电机本身的低转高扭特性可以弥补这一点。

防震防水防尘的挑战

由于电机内置在轮毂里,工作环境要恶劣的多,而电机本身比较娇贵,所以对于防水防尘防震设计要求就很高。

冷却/散热的挑战

之所以要散热,一是因为本身电机工作会产生热量,二是机械制动时会产生大量热量。

问:不是轮毂电机可以实现100%制动能量回收吗?为什么不取消机械制动结构?

答:虽然理论上可以实现100%的制动能量回收,但是实际上不能取消传统制动结构。

原因如下:

轮毂电机的制动力矩不可能满足紧急制动的需求,跑车级别的驱动加速度能做到0.5g,就很可观了,而紧急制动时减速度很容易就能达到0.9g~1.1g。所以轮毂电机提供的制动力矩是远远不够的。

制动能量回收受制于电池的SOC(State of Charge,即剩余电量水平),在电池电量接近满电时,一般控制逻辑里是不会进行能量回收的。即使控制逻辑上可以实现满电时仍可以进行能量回收,为了确保电机故障时仍能保证车辆安全,传统机械制动结构还是必要的。

机械制动时,其原理本质为机械能转化为热能,瞬间会产生极大的热量,短时间内造成周边温度的大范围上升(连续制动时可以到300度以上)。电机的永磁体对温度非常敏感,温度太高会造成消磁,这会对电机造成破坏,一般轮毂电机采用水冷方式来保护电机。

此外,温度的上升也会造成制动性能的热衰退。由于轮毂电机的结构形式,导致轮毂电机的散热效果不如传统轮毂的散热效果好,这对制动系统的设计提出了挑战。

不过话说回来,轮毂电机封闭的轮辋造型,可以让空气更加平滑的通过车身,从而最大程度的降低风阻。

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轮辋造型对风阻系数影响示意图

一般车辆的轮辋考虑散热,轮辐之间空挡较大,造型是酱婶的(见下图)。

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普通车轮的轮辋造型

而为了降低风阻,BMW i3的轮辋造型是酱婶的。

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BMW i3轮辋造型

超低的0.19cd的风阻系数的奔驰IAA概念车,轮辋造型是酱婶的。

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奔驰IAA概念车轮辋造型

好吧,轮毂电机结构的轮辋造型是介个样子的。

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Protean轮毂电机轮辋造型

轮毂电机的发展现状

国际巨头的成果

2013年,福特与汽车零部件厂商舍弗勒共同开发搭载轮毂电机驱动技术的后驱嘉年华。用在嘉年华上的轮毂电机,单个重量为53千克,比传统车轮装置的重量高不少。

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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。

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。

其中,英国的Protean电机公司是一家专门研发生产轮毂电机的公司。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。

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据了解,Protean已与多家整车厂商合作研发了多款装配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。

国内零部件企业的布局

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。

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。

总结

由于轮毂电机具有高效率,高集成度的优点,与新能源汽车十分契合,在新能源汽车领域有非常好的发展前景。不过,由于轮毂电机增加了簧下质量,会影响车辆的操控性能,此外,还有很多防水防尘防震和散热的挑战需要克服。

总之,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。

【本文来源:公众号“聊聊汽车那些事儿”】

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