车用轮毂电机是终极方案，但商业化起来其路很长—

（湖北省城市客车工程技术中心雷洪钧）王健老师（重庆交通大学交通运输学院教授）2年前就多次给我介绍说，欧洲的公交车采用轮毂电机已经是标配。从此我开始认真专注轮毂电机技术，继而思考如何，将其用到扬子江公司的新能源公交客车上。目前已有些体会：一方面，轮毂电机尚存诸多问题，如：在高速下失稳、非簧质量大、高密封环境下的散热难、制动集成困难、能量管理有待优化等。这是目前轮毂电机商业化的主要瓶颈；另一方面，传统车辆的一些技术方案（如：机械差速器，变速箱）经通过多年大规模商业化逐步演变而来的经典，要颠覆他，不容易的。轮毂电机尚存诸多问题的解决同样是经过规模化商业化过程的，否则主要瓶颈是不可能解决的。

用轮毂电机是新能源公交客车的终极方案，一步到位是十分困难的，探讨一条可以实现商业化的路线，是笔者的初衷。
一、目前纯电动车辆上采用的商品的轮毂电机类别
轮毂电机外形都为扁平型（图1）其结构如下图所示，由转子、轴承、定子、功率与控制电子模块以及密封背板等部分组成，可以分为三大类：

（1）按类型又可以细分四类：①永磁电机(PM)； ②异步电机(IM)；③开关磁阻电机(SRM)；④横向磁通电机(TFM)。（其中：永磁电机应用最普遍，而横向磁通电机是一种低速大扭矩新型电机）；
（2）按主磁通行经路径又可以细分三种形式：①径向磁场(radial )；②轴向磁场(axial )；③横向磁通(transverse)；
（3）按运动方式又可以细分三种形式：①内转子；②外转子；③双转子（其中：双转子结构是内转子主动，外转子从动。通过一组行星齿轮传递动力，实现反向旋转，使磁场切割导体的速度为内、外转子速度之和。）；
（4）按驱动方式又可以细分两种：
①直接驱动，即转子直接带动轮毂旋转，其驱动采用低速电机(体积大，耗材多，功率密度小，噪声低)，其基本特点是转速较低；
②间接驱动，即内转子结构，通过行星轮加齿环机构实现减速，带动轮毂旋转,因而也称之为减速驱动。而间接驱动则多对应于高速电机(体积小,耗材少，功率密度大，噪声高)，其基本特点是转速较高。
二、轮毂电机是直接驱动轮毂旋转，其技术优势明显
（1）轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的车轮中，使得驱动系统和整车结构简约归一，可利用空间增大，传动效率提高；
（2）省却了传统的机械换档、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等装置，简化了桥架结构；
（3）各轮毂扭矩独立可控，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越；
（4）有助于轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈技术的应用；
（5）如果导入四轮转向技术(4WS)，还可能实现零半径转向。
三、目前轮毂电机应用到新能源车辆上技术瓶颈分析
（1）用轮毂电机没了传统车桥，非簧载质量增加许多
轮毂电机驱动系统把驱动电机、减速机构、制动器都集中在车轮（图2）内，非簧载质量的增加许多。新问题来了：

①车辆垂直方向的振动幅度变大，降低了车辆的平顺性和舒适性；
②轮胎的附着性能变差，车辆控制难度变大；
③电机放置在车轮内，来自路面的冲击载荷是很大的；
④非簧载质量增加，车辆尤其是大客车（商业车）制动更为困难。
（2）电子差速性能指标要超过经典的机械差速器并非易事
轮毂电机是直接驱动轮毂旋转后，传统车辆的机械传动部分被取消了，机械差速器不用了。而机械差速器是经典，电子差速控制技术水平要超过经典的机械差速器并非易事。难在电子差速控制技术国内外还处于初步积累阶段，当车速超过某一定值时，车辆会出现明显的方向失稳现象，如何解决？目前还要进行攻关。
（3）轮毂电机一致性要求精度，是传统电机生产工艺技术不能比的
轮毂电机是成对（最少要用2个以上）使用要到车辆上，彼此之间性能上要求的一致性，是传统电机生产工艺技术不能比的。目前传统电机的生产一致性，其要求互换好即可，而轮毂电机生产一致性，则要求多个电机在工作上能深度配合到位。这样的一致性，比传统电机的一致性要高出数量级的水准。车身左右两边对称的电机装配的同心度比硬联接时有要高出很多。这是目前电动自行车可以普遍采用轮毂电机，而商业车辆上目前做不到的原因之一。
（4）轮毂电机既要冷却到位又要散热性好，这是非常矛盾的
轮毂电机放置在狭小的车轮内，一方面，车轮经常处在大负荷低速爬长坡工况下是一个常态，如果冷却做得不好，如果出现冷却不足，会导致电机过热（烧毁）的；另一方面，车轮工作环境十分恶劣，如：路面的泥水砂石等对轮毂电机的防护和保养而言，其密封性要求是越强越好。同时提高密封性与散热性是矛盾的。如何解决好这个矛盾，是高难度的技术问题。
（5）“有限车载能源和动力的调度与管理问题”，对新能源车辆而言是一个全新的课题
目前传统车辆节油不再是纯机械层面的技术，已是在大量地使用智能控制技术。新能源车辆车载能量比传统车辆要少得多，新能源车辆能量管理系统更需要采用智能控制技术。如何解决好？它是一个系统工程性、最优化技术解决方案，难度非常大。
四、车用轮毂电机是终极方案，其商业化路线探讨
新能源车辆目前推广的困局是：“是先有鸡，还是先有蛋”。大家都希望以对方为前提，同样轮毂电机的应用也是一样的。一个论点是：“轮毂电机目前的问题解决了，才可以规模商业化；另一个论点是“规模化应用了，目前轮毂电机的问题是可以解决的。”
笔者认为，轮毂电机商业化路线基本是三种，但是不同路线，得到的结果是不一样的。
（1）以某一个车型为突破口，一篮子解决这个车型上商业化的瓶颈
这是许多人想象的方案。一篮子的解决方案（或者顶层方案），是逻辑上工作安排方案，而具体的技术问题，是要落到实处的，是有时序要求的。目前轮毂电机存在这样多的技术问题，且彼此是关联的。如果一步到位来实施，其难度是相当大的。当然，有决心，有能力来集中大量的人力、物力、资金，加上强有力组织能力，不是不能解决好。如果没有这个能力，一步到位实施方案，商业化成功的可能性不大；即使有这样的实力，一步到位实施方案，商业化成功的可行性也不是大概率事件。理由是不确定的因素太多。如果其期望是发现问题，寻找探索解决委托的途径，这是另一个层面的话题。
（2）以某一个车型为突破口，分步解决小瓶颈问题，推动毂电机应用商业化进程
第一步，一个电机替代发动机、电池替代油箱，保留其他传统部件，形成规模化应用；
第二步，一个电机替代发动机、电池替代油箱，拿下变速箱，保留其他传统部件，实现直驱，形成规模化应用；
第三步，在直驱的基础上，把电机安装在驱动桥上，拿下传动轴，形成规模化应用；
第四步，在第三步的基础上，把电机安装车轮边（用轮边电机），拿下传统车桥，形成规模化应用；
第五步，在四步的基础上，把轮边电机拿下，安装轮毂电机，最终形成规模化应用。
（3）从低级车辆开始推进，每一步形成规模后，再逐级向上推进，再形成规模应用
目前轮毂电机应用在电动自行车上已经成规模商业化。这为后续的推广奠定一定的基础。比电动自行车性能要求高一些是小型低速电动车，这是轮毂电机在商业车推广（商业化）的切入口，解决好其技术问题，形成第一波商业规模化应用；有了小型低速电动车采用轮毂电机规模化的基础，再以纯电动城市车为新的切入口，解决好其技术问题，形成第二波商业规模化应用；接下来，以6-8米纯电动公交车找到新的切入口，形成第三波规模化应用；再接下来，以9-10米纯电动公交车找到新的切入口，形成第四波规模化应用。
五、总结
车用轮毂电机商业应用成功与否是新能源汽车推广成功的最终重要的标志。大家都在努力，推进技术路线如何选择是企业自己的事情。但是从《决策分析学》研究结论而言，按不同的技术路线来推进，去成本（含时间、空间、资金、人力、物力的）是不同的，其成功概率也是不同的。笔者的观点是：
（1）车用轮毂电机是终极方案，但商业化起来其路很长，思想上必须清晰认识到位；
（2）技术上没有基本上解决好，不可能规模化的商业化应用；
（3）没有规模化的商业化应用，技术上的问题不可能都解决到位；
（4）推进路线的研究是学理工作者的事情，其结论正确与否，仅供企业家参考；
（5）条条道路通长城（北京），不到长城（北京）非好汉。最终由实践来检验。

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