下一局汽车革命,是轮毂电机?

文摘   汽车   2024-09-29 14:00   上海  

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轮毂电机

在2024年整个上半年,中国新能源汽车的总销量达到491万辆附近,占全球总数的66%。中国汽车市场生产的电机占全球总量的70%-80%,主要采用永磁同步电机,其中永磁同步电机的装机量占比达到78%。
目前,主流车企如比亚迪、特斯拉、理想、小鹏、蔚来等均采用永磁同步电机。尽管热门的轮毂电机作为未来电机技术的革命性产品尚未量产,但这一技术仍处于发展阶段。
轮毂电机的量产面临着一些关键技术挑战,包括轻量化、电机效率和整车控制核心问题。国内外企业和专家正在积极投入研究,探索这一颠覆性技术的新方向。一旦轮毂电机实现量产,将显著提升新能源汽车电机的效率,简化底盘设计,并实现整车轻量化,从而推动整车质量的提升。

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核心挑战

轮毂电机的概念最早可追溯到约1890年前后,当时出现了一批关于直驱和减速构型的轮毂电机专利。1900年,费迪南德·保时捷博士成功制造了首台轮毂电机驱动的汽车。尽管他相继研制了双驱、四驱和混合动力结构,但由于当时三电技术尚不成熟,轮毂电机驱动技术并未得到广泛推广。
1940年,轮毂电机开始应用于矿卡等大型特种车辆。在过去的20年里,轮毂电机在皮卡和轿车上初步应用,验证了其在分布式控制和效率方面具有巨大潜力。然而,其主要应用障碍在于如何在确保轮毂电机的转矩输出能力和能量转化效率的前提下降低重量和体积,即提高转矩密度
转矩密度是决定轮毂电机应用的关键因素之一。采用设计大直径外转子电磁拓扑和增加稀土永磁体用量等方法,可以显著提升轮毂电机的转矩密度。随着电机多物理场设计软件的成熟和电机优化方法的普及,出现了多种不同总体构型和电磁拓扑的轮毂电机设计方案,电机设计细节也得到了优化。

目前,径向磁场轮毂电机的额定转矩密度可达每公斤19Nm以上然而,单纯追求轮毂电机的转矩密度可能会影响其散热和结构强度。虽然在大多数轮毂电机研究中转矩密度是首要考虑的因素,但在满足其他设计要求的同时平衡转矩密度增加了设计的复杂性。
轮毂电机面临的主要挑战包括:同时考虑轮毂电机驱动系统效率和汽车动力性能指标的困难;轮毂电机零件与轮毂结构件集成困难,热源集中,簧下质量大;以及轮毂电机批量应用受到其转矩密度限制的挑战。

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国内技术路线

分布式驱动(集成角模块悬挂总成)


通过集成角模块悬挂总成,底盘实现了左右轮的机械电气解耦,使得轮端可以实现-90到+25度的转向,从而赋予底盘多种机动姿态,如横移、蟹形变道、后轮辅助转向、枢形移车以及原地转向等能力。
这种完全解耦的线控转向技术实现了电子助力转向系统(SBW)与分布式四轮角模块的融合控制。同时,借鉴电机制动能量回收(EMB)技术的思路,实现了与轮毂电机之间的协调控制,进一步提升了底盘的安全性和经济性。

降低簧下质量


轮毂驱动式电动汽车通过在轮辋内部安装轮毂电机,实现了取消发动机、离合器、变速器、传动轴等装置的效果。这种设计导致簧载质量减少,而非簧载质量显著增加。过大的非簧载质量会对车辆的平顺性产生影响,尤其是在高速行驶且路况较差的路面上更为显著。

目前,国内外采用了两种主要方法来降低非簧载质量。一种是轻量化设计,包括选用铝、镁合金等材料来制造悬架、轮辋和其他零部件,或者将电机、轮辋、轮毂、轮毂轴承和制动系统等部件进行一体化设计以减轻重量。同济大学通过高度集成悬架与电动轮模块,大幅减轻了车辆底盘结构的重量。

另一种方法是非簧载质量转换,着重于将电驱系统与轮毂一体化设计,以实现轻量化。国内的轮毂电机研究侧重于轻量化设计理念,这种一体化设计不仅减少了车身重量成本,而且相对于国外的轮毂电机技术,在实际应用上具有更大的优势。

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国内代表企业

目前国内研究轮毂电机的企业主要有弗迪动力、吉利汽车、汇川动力、亚太电机等,主要研究方向聚焦于电机的性能、外观设计和底盘设计方向。


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弗迪动力

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弗迪动力有限公司原为比亚迪集团旗下第十四事业部及第十七事业部,自2003年起致力于汽车动力总成及新能源整体解决方案,2019年,弗迪动力有限公司止挂牌成立,为比亚迪全资控股子公司,拥有“电机、电控、电源、发动机、变速器、车桥”核心技术,可提供全擎汽车动力平台产品全域软件控制系统匹配标定服务。

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吉利汽车

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吉利汽车是吉利汽车集团旗下品牌。吉利汽车集团有限公司隶属于浙江吉利控股集团,总部位于中国浙江杭州,在浙江台州/宁波、陕西西安、湖南湘潭、四川成都、陕西宝鸡、山西晋中等地建有汽车整车和动力总成制造基地,并在白俄罗斯等国家和地区建有海外工厂。

吉利汽车集团是中国领先的汽车制造商,立志成为最具竞争力和受人尊敬的中国汽车品牌。 吉利汽车集团旗下现拥有吉利汽车品牌、领克品牌、睿蓝品牌,拥有宝腾汽车49.9%的股份及全部经营管理权。

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汇川动力

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苏州汇川联合动力系统股份有限公司,是汇川技术控股子公司,2009年进入新能源汽车零部件领域,主要从事新能源汽车电机、电控、电源及动力总成等产品的开发、生产和销售。汇川联合动力总部位于中国苏州,并在中国苏州、常州,匈牙利米什科尔茨设有生产基地。公司研发团队超千人,其中博士、硕士比例超过50%,申请专利700余项。

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亚太电机

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浙江亚太机电股份有限公司致力于汽车基础制动系统、汽车底盘电子智能控制系统、轮毂电机以及线控底盘的开发、生产、销售,于2009年8月28日在深圳证券交易所上市。是国家重点高新技术企业、国家技术创新示范企业、国家创新型试点企业、中国汽车零部件制动器行业龙头企业、首批国家汽车零部件出口基地企业、国内率先自主研发生产汽车ABS的大型专业化一级汽车零部件供应商,国家科学技术进步二等奖获得单位,设有国家认可实验室、院士工作站和博士后科研工作站。

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未来展望

未来轮毂电机的发展趋势包括新材料应用、设计优化和结构集成。新型材料的应用将扩展性能边界,智能优化方法将寻找最佳设计,而结构集成将实现轮毂和电机功能的创新。轮毂电机的主要材料包括铜、永磁体、电工钢和铝,其中铜和永磁体对性能影响较大。

在导体材料方面,碳基复合材料在实验室水平取得了良好进展,但在大尺度下保证整体电导率仍是一个挑战。永磁体方面,由于轮毂电机要求高磁能积、耐退磁和易粘接,材料改性难以同时满足这些需求。因此,通过分区域布置不同材料永磁体形成复合永磁体,有望提高综合性能。

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