輪轂電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上的技術(shù)壁壘是什么？需要怎樣的突破才能規(guī)模普及？它是如何幫助提高續(xù)航里程的？

輪轂電機(jī)并不是什么新鮮技術(shù)，幾乎所有的低速兩輪電動(dòng)摩托和電動(dòng)自行車(chē)，使用的都是輪轂電機(jī)。但為什么在兩輪車(chē)型上普及了十幾年的技術(shù)，至今仍然沒(méi)有在汽車(chē)上廣泛被采用？甚至連一款市售的采用輪轂電機(jī)的量產(chǎn)車(chē)都沒(méi)有，僅僅幾個(gè)品牌小批量改裝過(guò)輪轂電機(jī)這種裝備。輪轂電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上的技術(shù)壁壘是什么？需要怎樣的突破才能規(guī)模普及？它是如何幫助提高續(xù)航里程的？本期來(lái)為大家解讀。

■什么是輪轂電機(jī)？

輪轂電機(jī)就是直接把電機(jī)裝在輪端(集成在輪轂內(nèi)側(cè))用于直接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車(chē)身行駛的裝置。這種裝置其實(shí)并不新鮮，早在1898年，費(fèi)迪南德保時(shí)捷博士設(shè)計(jì)的第一臺(tái)汽車(chē)就是采用兩個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪的電動(dòng)車(chē)。只是受制于那個(gè)時(shí)代又大又重的鉛酸電池，后來(lái)沒(méi)有得到廣泛普及。

■不光續(xù)航里程，對(duì)動(dòng)態(tài)性能的提升，輪轂電機(jī)的優(yōu)勢(shì)也很明顯

首先省去了減速齒輪和差速器對(duì)動(dòng)力的損耗。傳動(dòng)系統(tǒng)往往在傳輸動(dòng)力的過(guò)程中會(huì)損耗掉一部分動(dòng)力，對(duì)于燃油車(chē)來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果可能是油耗高了1-2個(gè)而已，但對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，直接影響的就是續(xù)航里程。在電池價(jià)格如此高昂的時(shí)代，續(xù)航里程幾乎可以直接折算成錢(qián)。所以如果采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，那么就完全減去了減速器和差速器對(duì)動(dòng)力的損耗，可以非常有效的提高續(xù)航里程。

其次，采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛之后，如果是兩驅(qū)車(chē)，則動(dòng)力由兩個(gè)電機(jī)來(lái)提供，如果是四驅(qū)車(chē)動(dòng)力就由四個(gè)電機(jī)來(lái)提供。這樣分散驅(qū)動(dòng)的好處，就像傳統(tǒng)燃油車(chē)的多缸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，單個(gè)電機(jī)的功率可以較小，體積、重量都可以減輕。不但比單電機(jī)驅(qū)動(dòng)加傳動(dòng)系統(tǒng)造成的能量損耗要低，還可以降低每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，讓運(yùn)行更穩(wěn)定，后備功率更充足。

再者，采用輪轂電機(jī)，無(wú)論是采用兩驅(qū)還是四驅(qū)形式，都可以通過(guò)控制器輕松控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力輸出。不會(huì)像有差速器傳統(tǒng)的車(chē)型那樣因?yàn)閱蝹€(gè)車(chē)輪打滑而拋錨。對(duì)于激烈駕駛時(shí)的操控性，也可以輕松實(shí)現(xiàn)前后車(chē)輪或者左右車(chē)輪的扭矩分配，讓每一個(gè)車(chē)輪獲得最佳抓地性能。而這些都不會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)和差速器造成能量損耗。

最后，輪轂電機(jī)對(duì)于動(dòng)能回收同樣避開(kāi)了傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)能量的損耗，可以最大程度的回收制動(dòng)力。如果匹配得當(dāng)甚至可以回收超過(guò)90%的剎車(chē)能量。這也會(huì)進(jìn)一步提高車(chē)輛的續(xù)航里程。

▲輪轂電機(jī)剖面

■制約輪轂電機(jī)發(fā)展的兩大技術(shù)因素

把電機(jī)集成到輪轂以后，整個(gè)車(chē)輪總成的重量會(huì)大大增加。這樣會(huì)導(dǎo)致簧下質(zhì)量的增加。我們知道無(wú)論是主打操控的高性能車(chē)，還是主打舒適性的豪華車(chē)，都會(huì)采用各種高級(jí)材料或復(fù)雜工藝用來(lái)降低簧下質(zhì)量，比如采用鋁合金懸掛搖臂，或者鍛造鋁合金搖臂。簧下重量越輕，懸掛系統(tǒng)的響應(yīng)速度就會(huì)越快。在應(yīng)對(duì)不平起伏和顛簸時(shí)，能夠快速響應(yīng)的懸掛就能迅速讓減震器吸收不平震動(dòng)。相反簧下重量如果越大，懸掛響應(yīng)就會(huì)越慢，減震器對(duì)路面起伏的吸收就會(huì)越弱，導(dǎo)致大量震動(dòng)和沖擊被直接傳遞到車(chē)身上。

所以，現(xiàn)在主流的電動(dòng)汽車(chē)并沒(méi)有把電機(jī)直接集成到輪轂當(dāng)中，而是更類(lèi)似于傳統(tǒng)燃油車(chē)的傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)，采用一個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋，通過(guò)減速齒輪和差速器分出兩個(gè)半軸，分別把動(dòng)力傳遞給左右驅(qū)動(dòng)輪。

▲華人運(yùn)通首款基于量產(chǎn)導(dǎo)向開(kāi)發(fā)的四輪轉(zhuǎn)向輪轂電機(jī)工程車(chē)-RE05

不過(guò)，對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，簧下質(zhì)量增加對(duì)性能的影響似乎沒(méi)有燃油車(chē)那么恐怖。因?yàn)殡妱?dòng)車(chē)的簧上質(zhì)量本身很大。相對(duì)較大的簧下質(zhì)量來(lái)說(shuō)，如果簧上質(zhì)量足夠大，對(duì)舒適性的影響也就不會(huì)那么明顯。這也是為什么像豐田蘭德酷路澤這樣的硬派越野車(chē)，在懸掛采用了簧下質(zhì)量巨大的整體橋結(jié)構(gòu)之后，仍然能夠獲得足夠的乘坐舒適性。因?yàn)椴捎梅浅休d結(jié)構(gòu)的車(chē)身本身已經(jīng)帶來(lái)了巨大的簧上質(zhì)量。就像電動(dòng)車(chē)一樣，在電池的加持下，簧上質(zhì)量要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油車(chē)(即便是做了輕量化之后)。所以簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量的比值，并不會(huì)比傳統(tǒng)燃油車(chē)超出太多。所以對(duì)于舒適性的影響并不會(huì)那么明顯。

而操控方面，本身輪轂電機(jī)具備對(duì)單個(gè)車(chē)輪獨(dú)立的扭矩輸出控制，這就好比配備了一套性能超強(qiáng)的中央差速器四驅(qū)系統(tǒng)，而通過(guò)單個(gè)電機(jī)對(duì)輪端扭矩的控制，可以說(shuō)比任何一種主動(dòng)式差速器都要更加直接、響應(yīng)更加迅速。所以在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方面，輪轂電機(jī)可以找補(bǔ)回來(lái)很大一部分因?yàn)榛上沦|(zhì)量增加損失掉的動(dòng)態(tài)操穩(wěn)。所以，因?yàn)榛上沦|(zhì)量增加導(dǎo)致的舒適性和操控性的損失，都會(huì)因?yàn)殡S著工程開(kāi)發(fā)的細(xì)致化，而逐步找補(bǔ)回來(lái)，甚至超出預(yù)期目標(biāo)。所以，簧下質(zhì)量的增加并不是輪轂電機(jī)目前沒(méi)有普及的根本原因。

■永磁電機(jī)在溫度超過(guò)攝氏200度時(shí)會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象

我在前幾期的專(zhuān)欄力為大家介紹過(guò)，永磁同步電機(jī)是目前電機(jī)當(dāng)中效率比較高的解決方案。但是永磁體有一個(gè)致命缺陷，就是在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)退磁。一旦退磁，電機(jī)功率和效率都會(huì)被極大的衰減。這就是制約輪轂電機(jī)發(fā)展的很重要的一個(gè)瓶頸。因?yàn)橐坏┌央姍C(jī)布置在輪轂之中，它的位置會(huì)非?？拷鼊x車(chē)盤(pán)。車(chē)輛因制動(dòng)產(chǎn)生的高溫會(huì)直接被傳導(dǎo)到電機(jī)上，一但電機(jī)升溫就會(huì)產(chǎn)生退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

目前全球幾大致力于研發(fā)輪轂電機(jī)的供應(yīng)商如：米其林、普利司通等，都在通過(guò)設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)來(lái)給電機(jī)散熱。一方面通過(guò)水冷系統(tǒng)冷卻電機(jī)的定子，另一方面通過(guò)高效的制動(dòng)動(dòng)能回收系統(tǒng)盡可能的減小剎車(chē)系統(tǒng)的介入，從而減小剎車(chē)負(fù)荷。最后因剎車(chē)產(chǎn)生的溫度，再通過(guò)良好的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)把熱量散發(fā)出去，并且在剎車(chē)系統(tǒng)和電機(jī)之間加入硅鋼片來(lái)進(jìn)行隔熱，從而把電池的極限溫度控制在140度以下。通過(guò)上述解決方案，目前輪轂電機(jī)在極限制動(dòng)情況下，溫度已經(jīng)可以控制到低于100攝氏度了。所以，即便是高溫退磁的情況也正在被供應(yīng)商攻克，相信在不久之后，像SUV或硬派越野這類(lèi)簧上質(zhì)量大，對(duì)動(dòng)態(tài)操控要求不那么高的電動(dòng)車(chē)會(huì)率先規(guī)?；慨a(chǎn)輪轂電機(jī)這樣的解決方案，從而帶來(lái)更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更經(jīng)濟(jì)的用車(chē)體驗(yàn)。