理解轮毂电机 | 比亚迪高端“仰望”车型
时间：
2023-12-17 00:00
究竟什么是神秘的轮毂电机？原来，这是一种将汽车的“动力、传动和制动”功能集成于单一电机中的系统——该电机直接安装在每个车轮的边缘，从而独立驱动特定车轮。比亚迪为每款车型配备了四个独立的轮毂电机，并将这项创新技术命名为“e-4D”，意即通过四个独立电机分别从四轮输出动力，实现真正意义上的原地360度旋转，完全无需借助任何转向机构即可轻松转弯。
轮毂电机与轮边电机：
从结构上来说：
1. 轮毂电机：轮毂电机直接集成于车轮内部，精确安装在原刹车部件原本位于轮胎内的位置。这种设计巧妙地挤占了一定空间以容纳电机，但同时也自然增加了车轮的整体重量——即所谓的“非簧载质量”。此外，由于可用空间有限，这类电机通常无法提供极高功率输出，一般峰值功率仅在50至80千瓦左右。然而，电机功率越高，非簧载质量就越重，最终可能导致车辆操控性能下降，尤其是在转弯时表现尤为明显。
2. 轮毂电机：这种电机并非直接集成于轮毂内，而是外置安装，并通过传动轴将动力分别传递至左右两侧的车轮，从而实现驱动——这一设计与传统的集中式驱动系统有相似之处。然而，与传统系统不同的是，它不再依赖差速齿轮装置，而是由两个独立的电机经由驱动轴直接为车轮提供推进力。值得注意的是，整个电机总成被安装在车辆车架顶部，从而成为非簧载质量的一部分。这种设计不仅显著提升了车辆的操控性能，还大幅增加了空间布局的灵活性，使系统能够输出极为强劲的动力。通常，单个车轮即可产生200至300千瓦的功率，而整辆车的综合输出更可高达800至1000千瓦——这样的功率表现堪称惊人！以实际应用来看，这种级别的动力输出一般足以媲美一辆搭载约1000马力超级跑车的表现。
在性能方面：
1. 轮毂电机：仅适用于A级以下车辆，因为它们无法为整车提供特别出色的操控性能。
2. 轮毂电机：一些高性能车型——例如接近跑车级别，甚至B级及以上车型——能够实现更强的动力、更出色的加速性能以及更优异的操控性。
零件增减：
1. 轮毂：一种类型内置减速齿轮，而另一种则不带。目前，若想从电动机中获得高功率输出——尤其是在汽车等需要高转速的应用场景中——你绝对需要搭配一个变速箱。没有变速箱，根本无法进一步提升功率。例如，电动自行车常用的低速电机通常最高只能达到30至40千瓦左右，但若与齿轮式设计结合，这些电机便能轻松输出50至80千瓦的强劲动力。
2. 轮边式：通常，我们的电机设计可在15,000至20,000转/分钟的高转速下运行，从而提供相对较高的功率输出。对于两轮驱动车辆，这种配置包括一台电机、一个电子控制单元和一个减速箱——彻底取消了传统的差速器。取而代之的是，动力通过齿轮直接传递至左右两侧的车轮。相比之下，四轮驱动车辆则需安装*两套*此类系统，从而完全取代了以往用于调节非对称车轮转速的差速器。因此，差速器不再承受任何机械应力，取而代之的是由电子系统实现的扭矩分配功能。
3. ESP：不会降低；仍需监控扭矩和转速。
4. 空气悬架：由于轮边电机无需单个电机驱动，两个半轴实际上可在运动上实现分离。这使得悬架设计更加出色——同时不影响空气悬架系统的安装。
轮毂电机的优势：
1. 机动性：每个车轮均独立驱动，具备卓越的越野能力。它能迅速响应扭矩——例如，当某一车轮突然与地面失去接触时，车辆的其他部分仍能保持稳定运行。即使在极端条件下，车辆的稳定性与动力输出也几乎不受影响。
2. 转向：在电机驱动下，每个车轮均可实现正反向旋转，且速度可自由调节——这使得车辆理论上能够实现极小的转弯半径。本质上，这就像是画出一个完美的圆圈。
3. 安全与稳定：实现对车辆稳定性的快速调节，即使在高速行驶时也能轻松完成漂移。即便在高速状态下，若前轮突然发生爆胎，系统一旦检测到车身倾斜，便会立即调整各电机的速度与扭矩——迅速恢复车辆平衡，确保整车继续向前平稳前行，不会失去控制。
轮毂电机的缺点：
1. 价格高昂，仅适用于高端车型
2. 控制颇具挑战性——即使是前轮转向的突然失效，也可能导致车辆偏离航线，从而引发安全问题。
3. 在设计方面，它实际上增加了一个额外的组件，这使得整体体积略微增大。即便采用标准外壳，如果仍使用铝材，最终可能仍需改用镁合金——甚至可能进一步融入碳化硅，以实现更紧凑的设计，从而不可避免地推高成本。
自行车价值：
比亚迪高端仰望车型搭载了完全自主研发的前沿技术。其轮边总成内置单电机，可输出约200千瓦的功率——当四台电机协同工作时，整车总功率接近800千瓦。为实现小型化与高效化，该系统采用了基于碳化硅的电子控制模块。此外，每套轮边总成还配备了前后双置差速锁，使两台电机既能同步锁定，又能独立驱动单侧车轮；同时，中央锁也纳入了整体设计中。 经测算，这一配置的成本约为每侧2万元人民币（含2个电机及2个电子控制单元），而前后两套系统的总成本则轻松突破4万元人民币。
碳化硅功率电子器件的价格约为4000至4500元，电机成本大约为3000至3500元，而剩下的1500元则用于变速箱。
电气控制：碳化硅无疑由比亚迪自行供应，因为公司内部生产成本显著更低——无论是模块还是器件封装都是如此。
电机外壳：有些是外部采购的，而他内部也有一些。
减速齿轮：自制齿轮，以及像崇达和双环等效仿企业。
二级组件很可能全部由内部制造，而三级组件则大多来自外部采购。
企业布局：
1. 华为：我们早在2020年便已开始研发轮边总成，目前B样件也已开发完成。不过，由于专注于轮边系统自然面向高端品牌，目前似乎仍难以找到合适的车型来搭载这些产品。
2. 比亚迪：早在专利布局初期——自2018年起——便已占据显著优势。
3. 舍弗勒：正与比亚迪同步开展相关研究，已于2019年底在欧洲完成了整车测试与调试工作。此外，他们还自主研发了用于整车管理的控制算法。
4. 特斯拉：我们目前正在研发Model S Plaid的三电机版本。其中，后轮驱动采用轮毂电机，而前轮驱动则由直流电机提供动力。如何将电子差速器与转向系统协同控制将是关键——尽管从理论上讲，在前轴安装轮毂电机会增加整个系统的控制复杂性。因此，我们选择仅在后轴配备轮毂电机。
5. 大众汽车：还有一款纯电车型——其后轮驱动采用轮毂电机，而前轮驱动则由直流电机提供动力。这实际上模拟了双电机布局。
电动汽车轮毂电机零部件制造面临的挑战：
1. 从逻辑上讲：适用范围包括D级车型——即那些价格不低、且涉及客户定义相关问题的车辆——因此，在整车层面推进通常比在零部件层面更为顺畅。
2. 组件技术：高度集成——掌握核心的“三电”技术至关重要。
1）在功率方面，这包括基于碳化硅的电机控制器，其IGBT开关频率通常约为10 kHz。然而，碳化硅的开关频率最高可达到20 kHz——甚至在某些情况下可达30 kHz。更高的开关频率会显著提升瞬时电压，从而直接影响电机的耐压设计。
2）转速超过15,000 rpm的高速电机涉及动平衡、NVH问题，并带来巨大的制造挑战；
3）大功率组件需要高容量放电电池。通常，标准的热管理电池以3至5C的放电速率运行——这意味着100千瓦时的电池最高可输出500千瓦功率。然而，车轮侧电机每台需200千瓦，四台总计800千瓦（200千瓦×4），因此亟需具备8C高倍率放电能力的电池。但目前，这类电池的研发颇具挑战，主要受限于如何有效降低电池内部电阻并妥善控制热量。如果电池储能容量提升至200千瓦时，那么只需4C的放电速率即可满足需求，这充分体现了能量密度与放电能力之间的重要平衡。
4）此外：轴承、冷却润滑、控制算法、EMS等。
比亚迪的优势：
在热管理方面：在开发第四代混合动力系统时，我们已实现了基于制冷剂的电池单元冷却技术——这也是目前最高效的冷却方式。
关于电池：这款混动车型搭载了一台前轮驱动的160千瓦电机和一台后轮驱动的200千瓦电机，整车电池容量为40千瓦时，支持8C放电速率。比亚迪在这方面表现卓越——此前，采用三元锂电池时，其放电速率几乎可达15C，同时在约12C的稳定输出下仍能保持高效性能；而使用磷酸铁锂电池时，放电速率通常达到8至10C，且稳定输出始终高于8C。
比亚迪的两种电池类别中，一种称为能量型，另一种则为功率型。能量型电池具有高能量密度，而功率型电池则具备显著更高的放电速率。这两种电池的化学配方各不相同，尤其值得注意的是，功率型电池的生产成本通常更高。
比亚迪仰望极有可能采用磷酸铁锂；而锰铁锂电池则不太可能，因为这会显著推高成本。
应用场景：
比亚迪的解决方案要求车辆售价至少达到50万元，才能使这一产品具备可行性。与此同时，特斯拉和大众的一些方案初期可能采用前轮驱动并搭载集中式动力系统，随后逐步过渡到轮边驱动——这或许能让价格区间在30万元左右的车型成为现实。
仰望系列车型：
内部代号为1234：其中，1代表已推出的坚固型越野车，2和3是双门轿跑车，而4则是一款城市SUV。
参数：该车辆应具备1000公里的续航里程，实现0至62英里/小时（0至100公里/小时）的加速仅需约2.9秒，并且最高时速超过260公里/小时。
比亚迪内部拥有两种备受好评的专利布局：一种是U形布局，另一种则是梯形布局。
1. R1 的主要特点是采用梯形布局：两个变速箱位于中间，而两个电机则紧邻变速箱布置——这种排列方式酷似一座梯子。电子控制单元安装在电机和减速齿轮的顶部，使得整个组件显得相对较高。然而，由于该设计中包含一根从减速齿轮直接延伸出来的半轴，最终导致整个装置的高度显著增加。尽管如此，从中心轴左右两侧伸出的两根半轴却格外长。这种布局特别适合越野车辆，因为这类车辆通常不配备独立悬挂系统，而是采用更为坚固、行程更大的悬架设计，因此梯形布局正是此类应用的理想选择。
2. R2-R3组件采用U形布局：两个电机置于中央，另外两个则面对面地排布在两侧。左右两侧的电机呈直线排列。同时，两个减速箱分别安装在电机的两侧，而电子控制单元则巧妙地嵌入U形空间中——无需再放置于组件顶部，从而有效降低了整机高度。不过，这种布局会导致半轴长度缩短。 这种紧凑的设计不仅减少了整体占地面积，还降低了车辆转弯时车轮转向和垂直运动的复杂性。结合碳化硅技术的高速性能，它能够显著提升功率密度，同时完美融入系统设计之中。
目前，这两项正在同步推进，且进展基本同步。
来源：湖南大学深圳校友会机械分会
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