直驅(qū)、輪邊、輪轂——新能源客車電機(jī)進(jìn)化之路

　　如果把動(dòng)力電池比作電動(dòng)汽車的血液，那么電機(jī)無疑就是電動(dòng)汽車的心臟。

　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車的三大核心部件之一，相比傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)，無疑有著更高的技術(shù)要求。如何讓這顆“心臟”在汽車的整個(gè)運(yùn)行壽命里始終強(qiáng)勁有力，是電機(jī)專家和整個(gè)行業(yè)長(zhǎng)期思考、不斷進(jìn)步的重要工作。

   前言

　　2017國(guó)家發(fā)改委一號(hào)文件《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄2016》中，關(guān)于新能源汽車“電機(jī)電控”部分重點(diǎn)提到了“用于驅(qū)動(dòng)或發(fā)電的高效電機(jī)，輪轂電機(jī)，輪邊電機(jī)”，這意味著目前廣泛使用的中央直驅(qū)電機(jī)、剛進(jìn)入市場(chǎng)不久的輪邊電機(jī)、還未開始市場(chǎng)化的輪轂電機(jī)都進(jìn)入了“指導(dǎo)目錄”。

　　那么直驅(qū)電機(jī)、輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)以及相應(yīng)的動(dòng)力總成系統(tǒng)各自是什么特點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用以及未來發(fā)展情況到底如何?

　　為此客車網(wǎng)先后采訪了多名汽車電機(jī)行業(yè)專家，聆聽他們對(duì)行業(yè)的思考和探索，同時(shí)深入調(diào)研中國(guó)新能源客車電機(jī)企業(yè)的最新技術(shù)和前瞻研發(fā)，歷時(shí)一月有余，三易其稿，匯總成文。感謝下列專家接受采訪，并為本文提供專業(yè)指導(dǎo)和寶貴意見：

　　電機(jī)如同汽車的心臟和大腦

　　關(guān)于電動(dòng)汽車的“三電”，最形象的比喻為：電機(jī)是心臟，電控是大腦，它們把動(dòng)力電池產(chǎn)生的電能像輸送血液一樣，輸送到整車和每一個(gè)零部件。

　　因此，電動(dòng)汽車的發(fā)展不能僅僅集中在動(dòng)力電池上，做好汽車的核心電機(jī)系統(tǒng)總成和整車控制更是至關(guān)重要。國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、“十三五科技發(fā)展規(guī)劃”中“電機(jī)系統(tǒng)與電力電子”起草者、《中國(guó)制造2025》節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖多個(gè)章節(jié)主筆人蔡蔚對(duì)客車網(wǎng)說：“因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車真正的核心，正如傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱一樣，它決定了汽車的品質(zhì)。”

　　實(shí)際運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，即使搭載的動(dòng)力電池優(yōu)質(zhì)可靠，也會(huì)隨著使用年限，產(chǎn)生不同程度的衰減，因此，在同樣工況下，要維持電機(jī)正常輸出，保證整車系統(tǒng)性能，必然伴隨著三電系統(tǒng)損耗增加。

　　但如果采用高效電機(jī)和電力電子控制器通過優(yōu)質(zhì)控制算法和軟件，可以一定程度上減少電池用量，也可以改善因使用年限產(chǎn)生的電池性能衰減——這是“三電”之間的關(guān)系，也是選擇優(yōu)質(zhì)電機(jī)的原因——蔡蔚如是說。

　　很多公交公司抱怨電動(dòng)客車?yán)m(xù)航里程一年比一年短，人們常常把這種情況全部歸結(jié)于電池性能衰減。但真實(shí)情況是，如果使用了劣質(zhì)電機(jī)或其他傳動(dòng)系統(tǒng)部件出問題，也可能造成里程衰減。

　　舉例來說，某公交公司2014年下半年投入使用一批純電動(dòng)客車，當(dāng)時(shí)261度電的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航里程150公里，剛開始運(yùn)營(yíng)狀況良好，甚至可以達(dá)到170公里。到2017年，同樣這批車，同樣的充電量以后，每充滿一次電卻只能跑70公里，更換新電池后也只能達(dá)到90公里。經(jīng)查實(shí)，這批車主要是被劣質(zhì)電機(jī)拖累所致。電機(jī)專家表示，如果配置質(zhì)量可靠的電機(jī)，就不可能出現(xiàn)這類問題。

　　從“異步電機(jī)”到“永磁直驅(qū)電機(jī)”

　　據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，截止2016年底，我國(guó)永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)了系列化，產(chǎn)品的功率范圍覆蓋200千瓦以下整車的動(dòng)力需求，轉(zhuǎn)矩范圍覆蓋450-3500Nm，主要指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平并試下了大批量生產(chǎn)

　　據(jù)悉，早期推廣階段的電動(dòng)客車，主要以異步電機(jī)(也叫感應(yīng)電機(jī))作為電動(dòng)機(jī)使用，但由于異步電機(jī)需要產(chǎn)生激磁電流，導(dǎo)致附加了激磁損耗，再加上轉(zhuǎn)子電阻損耗，異步電機(jī)效率明顯低于永磁同步電機(jī)。

　　國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、精進(jìn)電動(dòng)科技股份有限公司董事長(zhǎng)余平認(rèn)為，截止2016年，高效的永磁直驅(qū)電機(jī)在客車領(lǐng)域已經(jīng)基本取代了異步電機(jī)，成為了絕對(duì)的客車驅(qū)動(dòng)主流。永磁直驅(qū)電機(jī)有降低電耗、降低運(yùn)營(yíng)成本、降低電池成本的優(yōu)勢(shì)。

　　國(guó)家863節(jié)能與新能源重大項(xiàng)目總體組電機(jī)專家、上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司總經(jīng)理貢俊告訴客車網(wǎng)：從異步電機(jī)到永磁電機(jī)，宇通為行業(yè)起到了重要的引領(lǐng)作用。

　　據(jù)客車網(wǎng)了解，永磁電機(jī)的磁鋼性能是核心，磁鋼等級(jí)是關(guān)鍵，磁鋼選擇和設(shè)計(jì)是決定電機(jī)效能以及抗去磁性的關(guān)鍵之一。磁鋼成本占電機(jī)有效材料成本的20-30%，由于永磁電機(jī)的特征，劣質(zhì)電機(jī)效率的衰減對(duì)電能的損失和續(xù)航里程影響較大，尤其是那些偷工減料、技術(shù)不過關(guān)的電機(jī)。

　　業(yè)內(nèi)曾有企業(yè)過分減少有效材料來降低成本，然后調(diào)整控制器參數(shù)蒙騙整車企業(yè)和終端用戶，導(dǎo)致劣幣驅(qū)逐良幣。當(dāng)新能源客車補(bǔ)貼退后，這種惡性競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)抬頭。

　　從“永磁直驅(qū)電機(jī)”到“雙電機(jī)直驅(qū)”

　　眾所周知，當(dāng)電機(jī)越來越輕量高效，動(dòng)力電池可以相應(yīng)少裝一些，整備質(zhì)量也就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

　　在運(yùn)營(yíng)過程中，用戶和電機(jī)技術(shù)專家發(fā)現(xiàn)，常規(guī)單電機(jī)直驅(qū)逐漸表現(xiàn)出高坡度區(qū)域爬坡力不足、中高速性能不足，在重量、成本方面也有不足。據(jù)某客車企業(yè)技術(shù)人員介紹，該問題被精進(jìn)電動(dòng)獨(dú)有的“非對(duì)稱雙電機(jī)動(dòng)力分配系統(tǒng)”解決：即把一個(gè)大電機(jī)(低速區(qū)高效)和一個(gè)小電機(jī)(中高速區(qū)高效)結(jié)合起來，使得系統(tǒng)在更加寬廣的工況區(qū)中有更高的效率，在實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力的同時(shí)，進(jìn)一步改善能耗。據(jù)介紹，這一技術(shù)比同級(jí)別的單電機(jī)系統(tǒng)電耗水平降低5-10%，效能明顯提升。

　　雙電機(jī)直驅(qū)近些年陸續(xù)在電動(dòng)客車上應(yīng)用，當(dāng)使用偏置門式橋的時(shí)候，電動(dòng)公交車也可以很好地實(shí)現(xiàn)低地板，滿足了廣大公交用戶的需要。

　　余平對(duì)客車網(wǎng)表示，中央驅(qū)動(dòng)方式對(duì)傳統(tǒng)的整車設(shè)計(jì)沖擊較小，而且可以調(diào)整成多種多樣的驅(qū)動(dòng)方式，如單電機(jī)直驅(qū)、雙電機(jī)直驅(qū)、變速方案、減速方案、混動(dòng)(含增程式)方案，而后文提到的(輪邊或輪轂)驅(qū)動(dòng)方式缺乏這些靈活性，限制了產(chǎn)品的普及和發(fā)展。

　　余平認(rèn)為：無論是從傳統(tǒng)零部件搭載，還是生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益來看，中央集中驅(qū)動(dòng)電機(jī)是未來客車市場(chǎng)的主流，這個(gè)時(shí)間至少要持續(xù)3-5年。

　　(也有專家認(rèn)為，“中央直驅(qū)”表述不如“集中驅(qū)動(dòng)”更科學(xué)，因?yàn)橹彬?qū)電機(jī)也就是集中驅(qū)動(dòng)。本文兩種說法均采納)。

　　從“集中直驅(qū)”到分布式“輪邊電機(jī)”

　　當(dāng)中央直驅(qū)電機(jī)(集中直驅(qū))已經(jīng)廣泛被客車用戶所接受的時(shí)候，部分用戶悄悄把眼光看向了更高處：一方面電動(dòng)客車對(duì)整車輕量化的需求越來越強(qiáng)烈，另一方面公交車需要更大面積的低地板，輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

　　輪邊電機(jī)可以讓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步減重瘦身，取消了客車 “后牙包”，實(shí)現(xiàn)了前后貫通低的地板，其獨(dú)立懸架可以使公交車實(shí)現(xiàn)寬通道——部分公交公司的目光立即被吸引住了。

　　2014年起，比亞迪裝載輪邊電機(jī)的客車在國(guó)內(nèi)問世，其后在南京、杭州、深圳等地推廣，受到了廣大公交公司的歡迎。藉此，比亞迪客車品牌在業(yè)內(nèi)迅速滲透。目前搭載輪邊電機(jī)的K9已經(jīng)有數(shù)千輛公交車在運(yùn)行。

　　據(jù)長(zhǎng)期從事輪邊電機(jī)技術(shù)研發(fā)的成都聯(lián)騰動(dòng)力控制技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)史迪新向客車網(wǎng)介紹，采埃孚是國(guó)際上第一家電驅(qū)動(dòng)車橋的輪邊電機(jī)，最早在沃爾沃客車上應(yīng)用。其后，國(guó)內(nèi)陸續(xù)有比亞迪、長(zhǎng)江客車(五龍公司)，中植客車帶獨(dú)立懸架輪邊電機(jī)的客車進(jìn)入公告目錄，宇通也在研發(fā)生產(chǎn)輪邊電機(jī)，應(yīng)該很快進(jìn)入公告。

　　輪邊驅(qū)動(dòng)，在應(yīng)用于汽車之前，其實(shí)更多的是應(yīng)用在地鐵和高鐵上中國(guó)稱雄世界的先進(jìn)技術(shù)，時(shí)速380公里的高鐵，使用的就是輪邊電機(jī)。客車網(wǎng)關(guān)注到，在2016年下半年，比亞迪推出的云軌商用車上，應(yīng)用了自主研發(fā)的輪邊電機(jī)技術(shù)。

　　資料顯示，比亞迪云軌的輪邊電機(jī)技術(shù)，在體積、重量、扭矩、精度、噪音以及全壽命周期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用層面進(jìn)行有效的平衡，其技術(shù)全部自主研發(fā)、自行生產(chǎn)的輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用永磁同步技術(shù)，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。

　　據(jù)史迪新向客車網(wǎng)表示：輪邊電機(jī)的技術(shù)要求比其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)更高一些。輪邊電機(jī)居于簧下，需要更好的抗振性和密封性，還要以較小的體積、較低的重量獲得足夠的扭矩、低噪音、低發(fā)熱，設(shè)計(jì)難度加大，實(shí)用驗(yàn)證時(shí)間不如中央直驅(qū)電機(jī)，市場(chǎng)還需要給輪邊電機(jī)更多的時(shí)間來驗(yàn)證。

　　但隨著輪邊電機(jī)的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化，我們相信，輪邊電機(jī)的成本會(huì)逐漸降低，這對(duì)中國(guó)電動(dòng)客車的技術(shù)進(jìn)步和輕量化意義重大。

　　“輪轂電機(jī)”市場(chǎng)化路在何方?

　　當(dāng)搭載輪邊電機(jī)的新能源公交車還在市場(chǎng)化進(jìn)程初期，各公交公司負(fù)責(zé)人和客車企業(yè)技術(shù)員還在研究探索中，一種將電機(jī)裝在輪轂上的分布驅(qū)動(dòng)方式也出現(xiàn)了，那就是輪轂電機(jī)。

　　2016年底，天津天海同步集團(tuán)旗下子公司湖北泰特，讓荷蘭一家歐洲最大的新能源汽車輪轂電機(jī)生產(chǎn)商的技術(shù)姓了“中”。該公司董事長(zhǎng)呂超長(zhǎng)期從事變速器、電機(jī)研究，他向客車網(wǎng)表示，新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展分為三個(gè)階段，第一代是中央電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)技術(shù)，第二代是輪邊電機(jī)技術(shù)，第三代是輪轂電機(jī)技術(shù)。

　　據(jù)介紹，與前兩代技術(shù)相比，輪轂電機(jī)技術(shù)具有更加高效、節(jié)能、輕量化、小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效解決新能源汽車成本、降低整體能耗等問題，是最直接、最高效的驅(qū)動(dòng)方式，是未來的應(yīng)用趨勢(shì)。

　　呂超和他的技術(shù)專家們認(rèn)為，從技術(shù)發(fā)展角度來講，輪轂電機(jī)是將來傳統(tǒng)汽車或者電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的一個(gè)方向。這種技術(shù)使汽車由中央式驅(qū)動(dòng)改為分布式驅(qū)動(dòng)，省掉變速器、傳動(dòng)軸、差速器等傳動(dòng)部件，將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置整合到輪轂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速機(jī)的一體化，從機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為電驅(qū)動(dòng)。

　　呂超表示，輪轂電機(jī)一旦在公交車、乘用車或轎車上大規(guī)模的推廣應(yīng)用，它對(duì)整個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)是一個(gè)革命性的沖擊。輪轂電機(jī)一旦放在12米客車上，傳統(tǒng)整車一些配套設(shè)備都會(huì)被取消。目前，荷蘭公司的輪轂電機(jī)已經(jīng)在歐洲國(guó)家的大巴、公交車上應(yīng)用。

　　但也有人認(rèn)為，從整車的控制角度，從輪轂電機(jī)本身，從一體化的執(zhí)行實(shí)施等方面，輪轂電機(jī)將涉及機(jī)、電、熱等很多技術(shù)難題，只有把所有的問題解決以后，輪轂電機(jī)才能真正在公交車或者在商用車上得到應(yīng)用，到那時(shí)，輪轂電機(jī)的市場(chǎng)化方向才能看得清楚。有被采訪者認(rèn)為，這至少需要3—5年的時(shí)間。

　　“驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力總成”中國(guó)市場(chǎng)布局

　　天下大勢(shì)，分久必合。不論哪種技術(shù)路線，業(yè)內(nèi)大咖普遍認(rèn)為最終的方向就是“集成”。作為國(guó)家永磁同步電機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第一起草單位的負(fù)責(zé)人，貢俊表示：從整機(jī)廠需求來看，國(guó)外大佬都往總成化走。不同的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型都可以實(shí)現(xiàn)總成，包括商用車電機(jī)變速箱總成、雙電機(jī)總成等，當(dāng)前乘用車動(dòng)力總成系統(tǒng)也在探索是否可以在客車?yán)锩孀鰬?yīng)用。

　　據(jù)貢俊介紹，目前帶減速器的高速電機(jī)總成(轎車的標(biāo)配)，或帶自動(dòng)變速器的永磁電機(jī)系統(tǒng)，可以比現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率更高。

　　(清華大學(xué)汽車研究院)蘇州新能源汽車研究所所長(zhǎng)、蘇州綠控傳動(dòng)科技有限公司董事長(zhǎng)李磊告訴客車網(wǎng)：當(dāng)前國(guó)內(nèi)客車已經(jīng)市場(chǎng)化的動(dòng)力總成主要有中央直驅(qū)、電機(jī)加變速箱、電機(jī)加減速箱、輪邊驅(qū)動(dòng)橋和中央電驅(qū)橋。輪邊驅(qū)動(dòng)橋需要兩套電機(jī)和電機(jī)控制器，成本較高，且電子差速控制較為困難;電機(jī)加減速箱的方案難以同時(shí)兼顧輸出扭矩和車速的要求。因此這兩種動(dòng)力總成市場(chǎng)推廣的不多。

　　應(yīng)用最為廣泛的是中央直驅(qū)和電機(jī)加變速箱的方案。中央直驅(qū)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但是重量較重，如果是用于車速要求較高的公路客車，能耗也較高。8米以上客車直驅(qū)方案成本也較高。電機(jī)加變速箱的方案，爬坡度更高、重量更輕、電耗較低、成本較低，且其輕量化優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)在更大的車型上更明顯。

　　李磊認(rèn)為，綜合來看，8米以下客車中央直驅(qū)的方案更具競(jìng)爭(zhēng)力，而8米以上的客車比較適合用電機(jī)加變速箱的方案。當(dāng)然由于電機(jī)的高效區(qū)較寬，變速箱一般采用兩檔箱即可。中央電驅(qū)橋特別是帶兩檔的電驅(qū)橋因?yàn)槿∠藗鹘y(tǒng)的主減速器，可以明顯的降低電耗，在8米以下客車上有較好的應(yīng)用潛力。

　　據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)的客車用戶已經(jīng)普遍能接受更高效的電機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng)，只不過具體到性價(jià)比和技術(shù)差異化，還需要進(jìn)一步培訓(xùn)用戶(培養(yǎng)市場(chǎng))。

　　未來趨勢(shì)：輕量化+終生免維護(hù)

　　我們現(xiàn)在面對(duì)的是一個(gè)2800萬輛的市場(chǎng)，這是世界上最大的市場(chǎng)，也是世界上最多元化的市場(chǎng)，技術(shù)發(fā)展不會(huì)止步，市場(chǎng)呼喚更好性能、更高效率和更優(yōu)成本的電機(jī)系統(tǒng)。

　　蔡蔚提出，未來電機(jī)的發(fā)展方向，一是高效、輕量、高性價(jià)比，二是實(shí)現(xiàn)電機(jī)安全、可靠、耐久和終生免維護(hù)。

　　其實(shí)，這不僅是未來發(fā)展方向，也是上述多位被采訪者及其企業(yè)正在努力，并且已經(jīng)部分完成的工作。

　　客車網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，客車行業(yè)“全生命周期”采購(gòu)成本概念，之所以能被廣大公交公司迅速接受，這客車行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈所有技術(shù)人員和企業(yè)家們長(zhǎng)期不懈地努力密不可分。也正因?yàn)槿绱耍袊?guó)客車的影響力在全球與日俱增。

　　后記

　　在本次調(diào)研之前，筆者與很多公交行業(yè)人員一樣，忽略了電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)客車性能的作用，以為只有動(dòng)力電池才是新能源客車最核心的零部件，動(dòng)力電池完全能決定客車行駛里程。經(jīng)過本次調(diào)研，我們才知道，只有電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)不斷創(chuàng)新，與其他核心零部件共同進(jìn)步，新能源客車才能更好地為廣大人民群眾服務(wù)。

　　限于筆者水平和專業(yè)知識(shí)的不足，文中不足之處在所難免，敬請(qǐng)各位讀者朋友和專業(yè)人士指正。(再次感謝蔡蔚、余平、貢俊、史迪新、呂超、李磊等專業(yè)技術(shù)人員接受采訪，并為本文多次修改訂正。此外，還要感謝湖北省汽車工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)雷洪鈞、精進(jìn)電動(dòng)副總裁李紅旗對(duì)本文的貢獻(xiàn)。)