特斯拉推出輪邊電機？或將成為純電動車主流驅動形式——輪邊驅動電機技術的應用現狀和發展前景

最近，針對近期網絡上出現的關于“特斯拉雙電機驅動系統是輪邊驅動形式”的熱議。知乎集合了眾多電動汽車和智能汽車領域的專業答主，組成「拆車天團」，對特斯拉的Model Y(參數|圖片)車型進行了全面拆解和驗證。
接下來就來一一剖析特斯拉的雙電機驅動系統是什么？輪邊驅動形又是如何布置？我們該如何從專利角度看懂輪邊驅動技術的應用現狀和發展前景？

在區分兩者的概念前，我們先來了解下什么是純電動汽車的驅動系統？首先，純電動汽車驅動系統作為“三電”系統核心技術之一，主要由驅動控制系統、驅動電機和減速器等部件構成。驅動電機和驅動控制系統作為關鍵技術，其技術水平直接決定了純電動汽車整車的動力性、經濟性和客戶的駕乘感受。[1]
現階段電動汽車按照驅動系統布置形式分為：集中式和分布式驅動布置兩類形式。
集中式驅動布置形式按照電機數量可分為單電機和雙電機兩種；而分布式驅動布置形式按照電機安裝位置可分為輪邊電機和輪轂電機兩種。
那么，特斯拉的雙電機驅動系統在整車中是如何布置的呢？（見圖1）可以明顯看出，紅色部分是特斯拉雙電機安裝的位置，（兩電機分別安裝在前橋和后橋的中部）其屬于集中式驅動布置的雙電機形式。
用戶為什么會將這種雙電機布置形式誤解為輪邊驅動形式呢？這時我們需要了解輪邊驅動的定義：“每個驅動車輪由單獨的電動機驅動，但是電動機不是集成在車輪內，而是通過傳動電機輸出軸連接到車輪把驅動電機安置在副車架驅動力附近，著重強調在驅動輪附近”；簡而言之就是，輪邊電機的安裝位置緊靠驅動輪附近；而特斯拉的雙電機驅動則是安裝在車輛的前橋和后橋中部。兩者的字面意思容易使人產生概念上的混淆，誤以為雙電機驅動是分布式驅動形式的一種。

圖1特斯拉 Model Y集中式雙電機驅動形式
究其根源，用戶為什么會如此在意特斯拉的電機是集中式驅動布置形式還是輪邊驅動布置形式呢？其原因就在于輪邊電機的安裝會對整車總布置產生很大的影響，尤其是在后軸驅動的情況下，由于車身和車輪之間存在很大的變形運動，對傳動軸的萬向傳動也具有一定的限制。簡單來說，輪邊驅動布置會對車輛的操控性和舒適性產生影響。這很可能是特斯拉用戶會對這種布置形式擔憂的來源。

雖然，輪邊電機的驅動布置形式會對車輛的操作性和舒適性產生影響。但是在要求較低的商用車行業，輪邊驅動電機的優勢則變得很顯著，它可以大大簡化車輛結構，縮短動力傳遞路徑，進一步提高能量的傳動效率，使電能得到最大限度的利用。[1]而且輪邊電機系統由于其電機安置位置離輪轂近的特點，對后期的維修服務非常友好。所以輪邊電機在商用車市場很受歡迎。
在商用車領域，國際上布局最為領先的是比亞迪、采埃孚和奔馳一類專門從事電機技術研發且有成熟產品的公司。其中，以國際零部件巨頭采埃孚布局最為迅猛，安裝了采埃孚輪邊電驅動車橋的車輛已經正在亞歐城市中試用（如圖2），并且得到了德國聯邦交通和數字基礎設施部的補貼。近年來一些新型和傳統的零部件巨頭，如Protean、Elaphe舍弗勒、日本 NSK也開始意識到輪邊電機的重要性，逐步加強在輪邊電機領域的研發投入。

圖2采埃孚輪邊電驅動車橋方案

我們已經弄清楚了輪邊驅動布置形式的概念和定義，并且發現輪邊電機在商用車領域的應用前景要好于乘用車領域后。接下來我們需要從專利技術角度對輪邊驅動電機技術的研究現狀進行分析。通過智慧芽全球專利數據庫發現日本在這一領域的研究起步早，其技術在世界上處于領先。但近10年來，中國關于輪邊驅動電機的研究數量明顯增多，在專利申請量上已經逐漸趕超國外企業，輪邊驅動電機的研究日益受到全球重視。
1、輪邊電機整體專利申請略有波動，但整體呈現顯著上升趨勢首先，從輪邊驅動電機的全球專利申請趨勢分析發現，整個輪邊電機技術發展處于穩定上升的態勢；每年的專利數量呈現顯著遞增的趨勢；專利授權比則呈現略微下降趨勢。（如圖3）
1)萌芽期（2000年之前）早在1900年，保時捷就研制出了兩前輪電機驅動的雙座電動汽車。筆者在智慧芽全球專利數據庫檢索后發現，數據庫中最早出現的相關專利申請是在1916年；2001年之前的專利申請量較少，其中1993年、1995年、1997年和2000年各一件，德國申請兩件、日本申請一件和俄羅斯申請一件。此階段的專利申請還是以零星形式出現，并未成為電機主流的技術發展方向。
2)第一增長期（2002-2010年）從2002年開始，輪邊電機的專利申請量呈現小幅度增長態勢。其中年均專利申請量31.5件，年均專利授權比64.8%；此階段的輪邊電機技術處于萌芽時期，專利申請量增長的主要動力來源于中國政府對新能源汽車產業鏈的扶持。整體產業處于政策引導階段，市場需求并不是特別顯著。
3)第二增長期（2011-2018年）從2011年開始，輪邊電機專利申請量在這一階段呈現爆發時增長態勢，其中年均專利申請量達到107件，同比增長75.5件；年均授權比63.54%，基本與第一階段年均授權比平齊；主要是新能源產業開始從政府引導轉為市場引導的階段，促使廠商大量申請與輪邊電機相關的專利以應對不斷增長的市場需求。
4)第三增長期（2019-至今）根據國家經濟研究局建立的平均趨勢法，智慧芽全球專利數據庫對輪邊驅動電機的專利申請趨勢進行了預測，未來3年輪邊電機的專利申請量仍呈現上升趨勢。其中預計2021年專利申請量達到136件；預計2022年專利申請量達到155件；預計2023年專利申請量達到166件。[2]

圖3輪邊電機全球專利申請趨勢（來源：智慧芽英策專利分析系統）
2、中國是輪邊驅動技術最受關注的市場，其次是美國和日本從輪邊電機目標市場國/地區圖表中，分析得出中國是最受到國內外企業關注的市場，占總比重的40.54%；其次是美國和日本市場，其輪邊電機的專利申請量分別占總比重的16.22%和11.23%；（如圖4）
中國之所以能成為輪邊電機主要的目標市場原因在于，中國政府很早就將新能源汽車產業上升到國家戰略，并且在20年內對新能源汽車產業投資超過2萬億，除此之外還拿出數千億人民幣補貼新能源汽車購買者，以及執行免征購置稅等各項優惠政策。在中國政府的不懈推動下，國內新能源汽車產業得以蓬勃發展，從而促使企業加大對輪邊電機技術的研發投入。
另外，從圖中看出美國的輪邊電機專利申請量排名第二，占總比重的16.22%。主要原因在于新一屆的美國政府正加大對商用車產業電動化的補貼和激勵政策，而輪邊電機由于其適用于客車和卡車領域且方便維修和維修成本低的特點，故其市場份額隨之增長。筆者預測美國輪邊電機專利申請量會繼續保持較高的增長態勢。

圖4輪邊電機專利目標市場國/地區排名（來源：智慧芽英策專利分析系統）
3、比亞迪和斯巴魯公司的專利申請量占近半總比重從近年來輪邊電機專利申請人排名中可以看出，以比亞迪和宇通客車為代表的中國車企是輪邊電機專利申請的主力，占總比重的33.37%；其次是以斯巴魯和本田為代表的日本車企，占總比重的27.9%；最后是德國奔馳、保時捷和奧迪和法國的雷諾等一眾的老牌車企；
排名前10名申請人排名僅同濟大學一所高校。其余申請企業均為在商用車零部件或者整車領域有成熟業務。側面可見輪邊電機的商業化程度較高，已經處于大規模應用的階段。(如圖5)

圖5輪邊電機專利申請人排名分析（智慧芽英策專利分析系統）
此外，針對輪邊電機技術的專利地圖的不同領域分析可以看出，在與電動機相關的斷開輸出部、齒輪組、輸入齒輪和車輪速度特性、四輪獨立驅動、速度差、制動力聚集了大量的高價值專利。從這些領域的專利申請可以看出，車企聚焦在如何解決輪邊驅動電機在四輪獨立控制方面的一致性，以及解決輪邊驅動電機行駛時所產生的速度差和制動力不均衡的問題。這些問題同樣制約著輪邊電機在乘用車領域的大規模應用。

圖6輪邊電機技術專利地圖（智慧芽英策專利分析系統）
4、輪邊電機技術難題待解未來可期綜合來看，輪邊電機可以大大簡化車輛結構，縮短動力傳遞路徑，進一步提高能量的傳動效率，使電能得到最大限度的利用。而且輪邊電機系統由于其電機安置離輪轂近的特點，對于后期的維修服務非常友好。但其缺點也非常明顯，輪邊電機的安裝尤其是在后軸驅動的情況下，由于車身和車輪之間存在很大的變形運動，對傳動軸的萬向傳動具有一定的限制，對車輛的操縱性和舒適性產生影響。正是因為輪邊電機顯著的優缺點，使其目前在商用車領域的應用前景遠好于在乘用車領域。
通過對輪邊電機的專利技術分析發現，日本在該技術領域上處于領先地位。但近10年來，中國關于輪邊驅動電機的專利申請數量明顯增多，在專利申請量上已經逐漸趕超國外企業，可見輪邊驅動電機的研究日益受到全球重視。
從專利的目標申請國分析發現，中國是最受到國內外企業關注的市場，其次是美國和日本市場。現階段，輪邊電機的發展動力主要受到各國的政策影響，尤其是中國政府在近20年內對新能源汽車相關產業投資超過2萬億，極大地帶動了輪邊電機產業的發展。
另外，從輪邊電機專利申請人排名分析可以看出，以比亞迪和宇通客車為代表的國內企業是當前該領域的申請主力。其次是以斯巴魯、本田為代表的日本車企和德國奔馳、保時捷等一眾的老牌車企。這些企業均在商用車零部件或者整車領域有成熟業務。
從輪邊電機的專利地圖分析可得出，車企更多聚焦在如何解決輪邊驅動電機在四輪獨立控制方面的一致性，以及解決輪邊驅動電機行駛時所產生的速度差和制動力不均衡等阻礙技術在乘用車領域大規模應用的問題。這些問題同樣制約著現在輪邊電機在乘用電動車領域的大規模應用。
最后，雖然以特斯拉為代表的集中式驅動形式仍是純電動乘用車底盤技術的主流。但相信在不遠的將來，輪邊電機在突破技術層面的難點后，它能量利用效率高等優勢將會促使其在乘用車領域的規模化應用。