為什么我們認(rèn)為輪轂電機(jī)代表了電動(dòng)汽車的發(fā)展方向

19世紀(jì)末，維也納的費(fèi)迪南德?保時(shí)捷（Ferdinand Porsche）、芝加哥的約瑟夫?雷德溫卡（Joseph Ledwinka）及弗雷德?紐曼（Fred Newman）在 一輛老式汽車的每個(gè)車輪上裝上電機(jī)，以簡單、高效且可控的方式提供動(dòng)力。這些汽車先驅(qū)們怎么都料不到，電力驅(qū)動(dòng)會(huì)很快式微，而且后人發(fā)明了更復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，將安裝在車輛中部內(nèi)燃機(jī)的輸出功率轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕喩系呐ぞ?。然而事?shí)確是如此。

一個(gè)世紀(jì)以后，為了減少溫室氣體排放、降低對化石能源的依賴并凈化城鎮(zhèn)城市空氣，人們重新燃起了對車輛電氣化的興趣。中國對此格外熱衷，中國政府曾宣布到2020年中國將有500萬輛電動(dòng)汽車上路。這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來將是艱難的，因?yàn)橹袊?00多家汽車制造商都缺乏開發(fā)復(fù)雜電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)。很榮幸，我們普羅天恩電氣公司（Protean Electric）能夠助力電動(dòng)汽車市場發(fā)展。我們生產(chǎn)的輪轂電機(jī)直接在車輪內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)力，可簡化汽車結(jié)構(gòu)，為乘客或貨物提供更多空間并完善汽車操縱性能。

普羅天恩電氣公司在世界范圍內(nèi)得到多位投資者及合作伙伴的支持，現(xiàn)正在中國建立制造廠。第一家工廠位于天津，目前正小批量生產(chǎn)輪轂電機(jī)。我們正與多家中國汽車制造商合作，將我們的技術(shù)融入其電動(dòng)或插電式混合動(dòng)力車輛。如果一切按計(jì)劃順利進(jìn)行，那么裝配我們公司所產(chǎn)電機(jī)的車輛將很快問世。因此，我們來更詳細(xì)地解釋這些電機(jī)如何工作，以及為什么我們認(rèn)為它代表了電動(dòng)汽車的發(fā)展方向。

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單就簡化機(jī)械配置而言，在車輪上直接安裝電機(jī)是一條顯而易見的發(fā)展之路。然而沒有一家大型制造商在混合動(dòng)力或電動(dòng)車車輪上安裝電機(jī)。原因?yàn)楹危?/p>

一些制造商不愿意采用輪轂電機(jī)的原因是擔(dān)心簧下質(zhì)量?；上沦|(zhì)量指的是汽車懸架系統(tǒng)以下所有部件的質(zhì)量。對于傳統(tǒng)車輛而言，簧下質(zhì)量包括制動(dòng)裝置、軸承、車輪、等速萬向節(jié)（位于傳動(dòng)軸兩端，以相同角速度傳遞動(dòng)力的裝置）以及輪胎，不包括位于汽車底盤之上、引擎蓋之下的傳動(dòng)系統(tǒng)其他部分，例如引擎或發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱。

減少簧下質(zhì)量可以改善司機(jī)及乘客的乘車品質(zhì)，并使懸架系統(tǒng)更好地控制輪胎緊密接觸路面。

輪轂電機(jī)會(huì)明顯增加簧下質(zhì)量，因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)力輪都要增加一個(gè)電機(jī)的質(zhì)量。很多汽車設(shè)計(jì)師認(rèn)為輪轂電機(jī)先天存在問題。但是這些擔(dān)憂是否合理呢？

很早之前我們咨詢了公認(rèn)的汽車行駛與操縱專家——英國蓮花工程公司（Lotus Engineering）。我們曾讓其工程師就簧下質(zhì)量對車輛操控的影響進(jìn)行客觀調(diào)查。這項(xiàng)測試決定著我們公司的成敗。

蓮花工程公司在一輛福特?？怂蛊嚨?個(gè)車輪上分別增加30公斤的質(zhì)量，并用儀器測量車輛的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，進(jìn)一步掌握車輪同時(shí)增加靜態(tài)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的影響。此外，由受訓(xùn)的專業(yè)駕駛員進(jìn)行實(shí)操評估，為增加簧下質(zhì)量對汽車駕駛及操縱的影響提供更多信息。

蓮花工程公司發(fā)現(xiàn)，盡管增加簧下質(zhì)量的影響對于受過培訓(xùn)的專業(yè)駕駛員來說是明顯的，但其實(shí)際影響并不嚴(yán)重。增加簧下質(zhì)量讓汽車開起來就像懸架和操控系統(tǒng)還沒有經(jīng)過慣常的磨合，而磨合在汽車開發(fā)中是必不可少的。

蓮花工程公司的工程師通過稍微加大懸架阻尼就能大大減少附加簧下質(zhì)量的影響。并且，他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)把電機(jī)作為簧下質(zhì)量直接裝到車輪上時(shí)，可為汽車兩側(cè)分別提供動(dòng)力，實(shí)質(zhì)性地改善汽車操縱性能。

我們對其他車輛也做了類似研究。在所有研究中，我們發(fā)現(xiàn)只需重新調(diào)整減震器并增加單個(gè)車輪控制，對車輛操控的效果就會(huì)更好。因此事實(shí)上，增加簧下質(zhì)量并非完全是攪局。

關(guān)于輪轂電機(jī)的另一擔(dān)憂是增加了電機(jī)控制器軟件的復(fù)雜性。電機(jī)控制軟件必須實(shí)時(shí)根據(jù)車況及司機(jī)指令來控制每臺(tái)電機(jī)。通常情況下控制兩個(gè)電機(jī)反而比控制一個(gè)電機(jī)更加直接。但是如果一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障，控制器就需要防止發(fā)生失衡的危險(xiǎn)，避免車輛被不可控制地拖向一邊。

為了解決這個(gè)重大安全問題，我們在電機(jī)中建立了兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，既可以檢測故障又能平衡兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。車輛必須滿足ISO 26262安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求證明危險(xiǎn)技術(shù)故障的發(fā)生概率為極度不可能。這是一項(xiàng)極其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但我們確信我們的電機(jī)會(huì)幫助汽車制造商達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。

那么成本又是如何呢？無論技術(shù)多杰出，消費(fèi)者都不會(huì)接受過高的價(jià)格。我們將一個(gè)典型電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)（包括變速箱、電機(jī)、差速器及傳動(dòng)軸）與兩個(gè)輪轂電機(jī)的成本進(jìn)行比較。雖然雙電機(jī)比一個(gè)中央電機(jī)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)要貴一些，但是輪轂電機(jī)系統(tǒng)更有效，因?yàn)樗哂休^小的質(zhì)量并且不會(huì)受到變速器中摩擦損失的影響。這意味著，在許多情況下汽車制造商生產(chǎn)的汽車將跑得更快或更遠(yuǎn)（或兩者兼有），且成本不高于同類競爭性產(chǎn)品。

還有一個(gè)關(guān)于輪轂電機(jī)的擔(dān)憂是有些人認(rèn)為其缺乏耐用性。將電機(jī)裝在車輪上而不是引擎蓋下，這意味著當(dāng)汽車在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)，它們會(huì)受到重創(chuàng)。電機(jī)還經(jīng)常會(huì)遇到水、沙土、碎石和其他雜物的沖擊。是的，這些問題的確存在，但我們已經(jīng)進(jìn)行了大量真實(shí)測試，證明完全可以生產(chǎn)出能承受各種路況考驗(yàn)的產(chǎn)品。

過去，諸如以上擔(dān)憂使得大多數(shù)汽車生產(chǎn)商都忽略了輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。少數(shù)生產(chǎn)商在概念車中對輪轂電機(jī)進(jìn)行了探索?，F(xiàn)在一些公司正努力將流行于電動(dòng)車和踏板車已久的輪轂電機(jī)引入汽車市場，普羅天恩電氣公司作為領(lǐng)頭羊，已經(jīng)完成了必需的工程準(zhǔn)備，確保富有吸引力的輪轂電機(jī)為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。

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我們的新型輪轂電機(jī)系統(tǒng)，即ProteanDrive系統(tǒng)，是完全安置于車輪上的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。不過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)名稱似乎并不確切，因?yàn)镻roteanDrive系統(tǒng)沒有傳動(dòng)裝置。相反，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接連接到輪轂，從馬達(dá)向車輪傳遞扭矩。這就實(shí)現(xiàn)了最高的效率和緊湊性。我們針對不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)了不同尺寸的電機(jī)，但是我們的旗艦產(chǎn)品是Pd18。之所以稱之為Pd18是因?yàn)檫@款產(chǎn)品適合于直徑18寸（約46厘米）的輪輞。Pd18重36公斤，轉(zhuǎn)矩可達(dá)1250牛米，車輪功率可達(dá)75千瓦。也就是說兩個(gè)電機(jī)加起來轉(zhuǎn)矩可達(dá)2500牛米，功率可達(dá)150千瓦。

這看起來似乎非常具有吸引力，特別是考慮到典型的內(nèi)燃型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)只能產(chǎn)生幾百牛米的轉(zhuǎn)矩。但不要忘了，傳統(tǒng)汽車引擎轉(zhuǎn)矩還要乘以引擎與車輪間的傳動(dòng)比。1擋時(shí)，數(shù)字可能是10，擋位越高乘數(shù)將會(huì)越低。所以，一對Pd18提供的車輪轉(zhuǎn)矩與傳統(tǒng)汽車的相當(dāng)。

ProteanDrive系統(tǒng)的核心是永磁同步電機(jī)及一套緊密集成電子設(shè)備。電子設(shè)備準(zhǔn)確地將控制電流傳遞到電機(jī)的電磁線圈產(chǎn)生磁場，磁場與固定在轉(zhuǎn)子上的稀土永磁體相互作用。利用這一機(jī)制，輪轂電機(jī)能在1毫秒內(nèi)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩。

電子電路的設(shè)計(jì)剛好適合安裝在整個(gè)電機(jī)內(nèi)，并與電機(jī)共享冷卻。高達(dá)90安的電流通過電機(jī)上的線圈，會(huì)產(chǎn)生很多廢熱，這些廢熱與電子線路產(chǎn)生的熱量一起被電機(jī)外殼冷卻劑管道內(nèi)的水流帶走。冷卻劑與電子元件及電機(jī)線圈具有良好的熱接觸。防護(hù)性的環(huán)氧樹脂將線圈密封起來，可幫助導(dǎo)熱。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路的緊密集成，可使小體積的電機(jī)產(chǎn)生很大的功率。

軟件在微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列上運(yùn)行。軟件根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來控制作用在線圈上的電壓值，每秒決策1.6萬次。傳感器提供電機(jī)的電氣和熱力狀況，以及位置和速度信息。軟件確保通過電機(jī)的電流精準(zhǔn)地維持車輛平穩(wěn)運(yùn)行。

我們的電機(jī)不需要傳動(dòng)裝置、差速器或等速萬向節(jié)與車輪相連，因此摩擦損失能量很少。行駛相同里程的電池耗電減少，這項(xiàng)節(jié)省很重要。此外，電機(jī)還能降低運(yùn)行成本，車主們將很高興不必更換損壞的等速萬向節(jié)。

空間是另一優(yōu)勢。引擎蓋下不再有電機(jī)，這就騰出了更多空間。將電機(jī)安裝在車輪上，設(shè)計(jì)師們就擁有更多空間進(jìn)行汽車布局設(shè)計(jì)。消費(fèi)者正逐漸認(rèn)識到其中的巨大價(jià)值。

但是輪轂電機(jī)的真正閃光點(diǎn)是汽車操控。傳統(tǒng)車輛在實(shí)現(xiàn)增大牽引和平穩(wěn)控制等功能時(shí)，要靠降低車輪的轉(zhuǎn)速。但這種方式的響應(yīng)速度慢且需要利用制動(dòng)力。要擺脫輪胎打滑，施加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是個(gè)好辦法。而輪轂電機(jī)就可以做到這一點(diǎn)。事實(shí)上你可以在1毫秒內(nèi)對制動(dòng)力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，大大改善牽引及平穩(wěn)控制，減少制動(dòng)距離，增強(qiáng)駕駛性和安全性。

輪轂電機(jī)同時(shí)考慮到了扭矩矢量分配系統(tǒng)，即為不同的車輪應(yīng)用不同轉(zhuǎn)矩，從而顯著改善汽車操作。比如本田在某些型號的汽車中裝入其超級操控全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)通常十分復(fù)雜且昂貴。如果汽車應(yīng)用的是輪轂電機(jī)系統(tǒng)，那么扭矩矢量分配只需恰當(dāng)?shù)能浖涂梢悦赓M(fèi)實(shí)現(xiàn)。有了這一功能，汽車將像行駛在軌道上一樣，在城市交通中反應(yīng)敏捷，在高速路上保持平穩(wěn)。

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為了達(dá)到這些目標(biāo)，我們必須攻克一些技術(shù)難關(guān)。其中之一是實(shí)現(xiàn)逆變器的小型化和集成化：逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用電機(jī)的交流電。汽車的大多數(shù)逆變器為鞋盒大小，然而我們將逆變器縮小到原尺寸的一半，恰好可以安置在電機(jī)后面。這樣，每個(gè)電機(jī)僅用兩根直流電纜，而不需6根電纜輸送交流電。如果我們將逆變器安裝在其他位置，將無法避免采用6根電纜這種情況。

與大多數(shù)競爭性產(chǎn)品不同，我們的電機(jī)外部裝配有轉(zhuǎn)子，使定子與轉(zhuǎn)子間距（磁力作用區(qū)）處于最大半徑，從而在輪輞范圍內(nèi)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。利用這一方法，電機(jī)無需傳動(dòng)裝置便可產(chǎn)生足夠轉(zhuǎn)矩，避免降低效率及產(chǎn)生噪音。

當(dāng)然，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩需要耗費(fèi)很多電能，因此線圈和電子線路會(huì)產(chǎn)生很多熱量。為此，我們必須想辦法將熱量導(dǎo)出電機(jī)，避免燒壞元件。那么我們究竟需要導(dǎo)出多少熱量？電爐上的一個(gè)加熱元件產(chǎn)生的熱量近3千瓦，而電機(jī)產(chǎn)生的熱量高達(dá)6千瓦。我們利用液體冷卻系統(tǒng)，包括安裝在汽車中間位置的一個(gè)散熱器，來導(dǎo)出這些熱量。

為了讓車輪經(jīng)受住在車輛壽命期限內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境的考驗(yàn)，我們的設(shè)計(jì)考慮到了各種情況。除了沖撞、振動(dòng)、水及巖石，我們還預(yù)想到，當(dāng)司機(jī)需要車輛供電時(shí)，電子設(shè)備會(huì)迅速變熱然后冷卻下來；反復(fù)熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致零部件提前退化。因此我們使用特殊鉆機(jī)對電子設(shè)備進(jìn)行檢測并確認(rèn)薄弱點(diǎn)。我們現(xiàn)在擁有的是一種非常穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，可以維持車輪在整個(gè)車輛壽命期內(nèi)的運(yùn)行。我們所定義的車輛壽命是行駛30萬公里，使用15年以及運(yùn)轉(zhuǎn)8000小時(shí)，這是汽車行業(yè)的普遍期望值。

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然而我們還需要攻克一個(gè)難關(guān)：一些汽車制造商固化的思維模式。他們中的許多人早已認(rèn)定輪轂電機(jī)不可行，很難說服他們改變。這就是為什么當(dāng)我們和中國以及西方一些新建汽車制造商達(dá)成合作時(shí)，我們感到非常興奮，這些汽車制造商思想更加開放。

盡管與歐洲及北美傳統(tǒng)汽車制造商合作的進(jìn)展緩慢，但我們正在努力。我們可以看到輪轂電機(jī)在需求強(qiáng)勁的應(yīng)用方面擁有明顯的競爭優(yōu)勢，比如低板貨車、電動(dòng)全驅(qū)汽車以及卡車。此外，輪轂電機(jī)能夠節(jié)省很大空間，未來自動(dòng)駕駛汽車的設(shè)計(jì)師們也對此興趣濃厚。

雖然在這里不能講述得太具體，但我們預(yù)期我們的客戶及戰(zhàn)略合作伙伴將在今年下半年發(fā)布一些振奮人心的消息。因此，普羅天恩充滿信心，最終將實(shí)現(xiàn)百年以前先驅(qū)們將電機(jī)裝進(jìn)老式汽車車輪的愿景。