新能源汽车轮毂电机直驱技术发展趋势【最新版】

新能源汽车轮毂电机直驱技术发展趋势

随着国内石油能源紧张以及环境污染的日益加剧，采用新能源汽车替代传统燃油车成为今后国内汽车行业主要的发展方向。随着政府政策的大力支持和各大主机厂的广泛宣传，近些年新能源汽车特别是纯电动汽车和插电式混合动力汽车受到了大量消费者的青睐。同时，分布式驱动系统作为区别于中央驱动的另外一种驱动方式，也受到了广泛关注。

其实早在1900年，费迪南德保时捷就把轮毂电机技术应用到了汽车制造上，首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车。但是受制于当时的电池寿命等原因，该技术并未得到广泛应用。直到20世纪70年代，轮毂电机技术逐步在矿山运输车等专业领域得到应用。目前市面上生产销售的电动自行车，多采用轮毂电机直驱方案，但该电机功率小、扭矩低，并不能满足乘用车的动力要求。

图1:早期装载轮毂电机的汽车

随着电机技术的不断发展，国外已有几家企业，如Protean、Elaphe 和e-Traction等设计了适用于乘用车和商用车的轮毂电机产品。但笔者认为乘用车应用门槛高、产品验证周期长，对系统的安全性、可靠性和耐久性等要求高，同时采用轮毂电机直驱系统对现有底盘平台的

颠覆太大，短期内轮毂电机并不会在乘用车上首先实现批量生产。但其高效的驱动形式、紧凑的结构设计和灵活的控制方式，在商用车、专用车和无人驾驶等领域应该会先于乘用车得到广泛的应用。本文主要针对商用车、专用车和无人驾驶平台，阐述和分析采用轮毂电机直驱系统的优势和目前还需克服的技术难题，也希望和大家共同探讨分布式驱动系统的应用前景。

一.商用车和物流车领域

现代物流业作为国民经济的基础产业，也间接推动了物流车行业的发展。物流配送主要可分为城际物流和同城物流:由于受到续航里程和充电时间的限制，目前用于城际配送的物流车基本采用传统的柴油车，今后可以重点发展串联式混合动力或者燃料电池物流车来解决里程焦虑和充电问题，不论哪种形式均可采用轮毂电机后驱方案;但对同城物流来说，国内很多大城市都限制燃油物流车进入市区，故同城物流配送采用纯电动物流车替换如依维柯、全顺、海狮等车型将成主要趋势。

目前市面上大部分的纯电动物流车都是在传统柴油车的基础上改装而来，采用中央电机替换柴油发动机，整车质量重、底盘离地间隙高、载重量和装载空间有限、能耗高，不能满足物流行业对于车辆大装载空间、高载重比和长续航的需求。如采用分布式驱动系统，可

充分发挥轮毂电机结构紧凑的优势，特别是对于采用后轮驱动的车型，可以省去传动轴、差速器等机械零部件，减轻簧下质量、有效降低底盘高度、增加装载容积;同时采用轻量化下车体，减少整车重量，结合轮毂电机高效驱动方式，提高系统效率、降低整车能耗，提升续航里程。美国的一家汽车技术公司Workhorse采用Protean的PD18轮毂电机设计了一款轻型纯电动物流车，并打算近期投入量产。

图2:NGEN-1000低地板轮毂电机物流车

浙江亚太机电股份有限公司专门设计开发用于同城配送的纯电动物流车底盘平台，该平台采用轮毂电机后驱系统，后悬架采用多连杆和横置板簧结构。平台货箱内地板通道两轮罩最窄处不小于1.2m，可以实现接近1:1的载重比，满载情况下货箱底板离地高度小于400mm，装载容积可达约7.6m3。

该平台主要向客户展示轮毂电机和悬架系统的集成方式，以及结合电机再生能量回收的高效驱动方案。目前该平台已落地，今后还会验证动力性、经济性等性能指标。

图3:亚太机电自主研发的集成轮毂电机的纯电动物流车后驱平台

由于物流车的使用场景和工况跟乘用车有很大差距，电机的高效工作区间也完全不同，故在电机设计或选型时要充分考虑重载、低速和大扭矩输出的特性。若是大型商用车或重载车辆，在轮毂电机设计初期就应考虑制动系统和后桥的集成方案，笔者认为单由一家设计公司很难完成该方案的开发工作，需要联合电机设计公司、制动系统设计公司和底盘悬架设计公司共同开发一套模块化的集成产品。

二.专用车和特种车领域

专用车或特种车是指装置有专用设备，具有专用功能，用于承担专门运输任务或专项作业及其他专项用途的车辆，如防爆车、救援车和牵引车等。其底盘和悬架系统往往为了实现某些特殊功能而做专门设计，采用轮毂电机直驱系统正好可以摆脱变速箱、减速器、差速器和传动轴等机械零部件的束缚，为轮边节省大量空间，可用于悬架系统的特殊设计。同时根据不用车型需求，可采用多轮驱动，单轮可以独立控制扭矩输出，整车动力输出均衡，提升车辆在复杂路况的通过性。由电机控制器中的电子差速功能替代传统的机械转向机构，整车可实现滑移转向，即靠左、右轮的反扭控制，实现原地掉头等功能，减小转弯半径，有效提升整车在特殊场景应用的灵活性。

国外很多军工产品如运输车、作战车等也采用轮毂电机直驱系统，美国军方采用DARPA设计的轮毂电机纯电动特种车-extreme以

及美国海军陆战队测试过一台纯电动Nikola UTV特种车，轮毂电机运用在作战车上可以提高其机动性能，已受到军方越来越广泛的关注。浙江亚太机电股份有限公司也积极参与军工项目，为野外无人驾驶平台提供轮毂电机直驱系统，平台采用增程式混合动力系统，可以提高燃油经济性、增加续航里程，同时可以有效降低热辐射和整车噪音，有利于野外作战环境。

图4:纯电动特种车extreme和纯电动Nikola UTV特种车

专用车辆往往车型种类多，单一类型的需求量小，同时需要为不同类型的专用车做专门的设计和开发，这对轮毂电机的开发和验证周期提出了不小挑战。同时专用车或特种车工况复杂，工作环境恶劣，机械结构和电气系统都应作相应考虑:

1. 由于轮毂单元和电机集成为一体，轮毂轴承和紧固螺栓的强度需要重新设计匹配，同时也需要优化电机定转子的结构强度，防止轮边冲击对电机和永磁体造成损害;

2. 在一些极端条件下，如强磁场、大电流干扰等，对电气系统的绝缘防护、电磁抗干扰能力等都提出了更高的要求。

随着人工智能和车联网技术的发展，智能驾驶以及无人驾驶得到

了越来越多的关注。当整车实现L4级智能驾驶，甚至是更高的L5级完全无人驾驶时，需要整车具有环境感知和决策判断的能力，就好比是人的眼睛和大脑。同时也需要有执行机构，实现加速、转弯和刹车等功能。轮毂电机直驱系统作为驱动执行单元具有以下优势:

三.智能驾驶和无人驾驶领域

1. 中央电机由于需要变速箱、减速器、差速器和传动轴等，从发信号给电机到电机驱动作用到轮端，往往需要几百毫秒的响应时间;而采用轮毂电机可实现全时线控驱动，系统响应快、控制精度高，响应时间为几十毫秒，可提升整车的动态响应性能;

2. 可采用多轮独立驱动，通过牵引力控制、扭矩矢量控制等算法实现左、右轮不同扭矩输出，有效防止车轮打滑、减小转弯半径，提升车辆过弯时的稳定性和平顺性;

3. 由于省略了大量机械传动部件，底盘平台的设计将更加灵活多样，可满足未来智能出行的特殊功能需求。

图5:丰田为未来出行打造的纯电动轮毂电机共享移动平台

浙江亚太机电股份有限公司目前正在开发基于L3级的ADAS智能

驾驶辅助系统，主要功能包含ACC自适应巡航、AEB自动紧急制动、FCW前方碰撞预警、LDW车道偏离预警等功能。结合已经开发的IBS 线控助力系统、ESC车身稳定系统和轮毂电机线控驱动系统，今后可以为智能驾驶平台提供一整套成熟的智能化底盘主动控制方案。

今后的智能驾驶控制系统会采用多传感器融合的解决方案来提高目标识别的速度和准确度，目前已有较为成熟的线控驱动、线控制动和线控转向的解决方案，并且各大主机厂也在做各系统融合的开发，但在系统的决策层面，暂时还没有一套成熟的可量产的技术方案来实现如自动驾驶、路径规划等功能。笔者认为无人驾驶平台首先应用的场景应该是满足低速条件下的封闭场所，再逐渐往开放场地、中高速等场景应用，通过积累大量的行驶数据以及人工智能的深入学习，逐步完善整车的感知系统、决策系统和执行系统，将主动控制和被动安全深入耦合，最大程度提升整车的动态响应性、安全性和稳定性。同时国家相关部门也应该尽快完善和智能驾驶有关的技术标准以及和功能安全相关的测试方法，为行业发展提供明确的技术路线和法律法规。

从去年下半年到今年5月底，各大主机厂燃油车的销售量普遍下滑，可以说已经到了新能源汽车发展至关重要的时刻。如何摆脱传统燃油车的发展模式，找到一条适用于新能源汽车的发展道路，充分发挥新能源汽车的优势，实现整车的电动化、网联化、智能化、无人化

和共享化，成为当前急需解决的问题。而轮毂电机直驱系统作为最高效的终极驱动方案，肯定会随着新能源汽车的普及而实现更广泛的应用。

虽然目前产品种类和技术成熟度有待完善和提高，但其技术完全可以应用到专用车和特种车领域，定制化设计轮毂电机产品，首先实现小批量的生产，并提供完善的售后服务;同时和各大主机厂开展广泛合作，充分利用主机厂的资源和试验条件，在现有平台的基础上改装轮毂电机试验车，进行充分的系统验证和边界开发，如轮毂电机和悬架系统的集成、底盘悬架系统调校、电机再生能量回收和电液耦合制动匹配、电机和电池热管理系统设计和整车NVH优化等，为轮毂电机今后往乘用车市场实现大批量应用做好技术储备。

随着产业升级和互联网、通讯等其它行业的发展，新能源汽车产业终将整合行业资源，颠覆传统燃油车的应用场景和使用需求，找到一条适合自身的发展道路，为未来数字城市、智能化交通出行提供完善的解决方案。