特斯拉推出輪邊電機(jī)？或?qū)⒊蔀榧冸妱?dòng)車主流驅(qū)動(dòng)形式——輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

最近，針對(duì)近期網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)的關(guān)于“特斯拉雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是輪邊驅(qū)動(dòng)形式”的熱議。知乎集合了眾多電動(dòng)汽車和智能汽車領(lǐng)域的專業(yè)答主，組成「拆車天團(tuán)」，對(duì)特斯拉的Model Y(參數(shù)|圖片)車型進(jìn)行了全面拆解和驗(yàn)證。
接下來就來一一剖析特斯拉的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是什么？輪邊驅(qū)動(dòng)形又是如何布置？我們?cè)撊绾螐膶＠嵌瓤炊嗊咈?qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景？

在區(qū)分兩者的概念前，我們先來了解下什么是純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)？首先，純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為“三電”系統(tǒng)核心技術(shù)之一，主要由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器等部件構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平直接決定了純電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和客戶的駕乘感受。[1]
現(xiàn)階段電動(dòng)汽車按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式分為：集中式和分布式驅(qū)動(dòng)布置兩類形式。
集中式驅(qū)動(dòng)布置形式按照電機(jī)數(shù)量可分為單電機(jī)和雙電機(jī)兩種；而分布式驅(qū)動(dòng)布置形式按照電機(jī)安裝位置可分為輪邊電機(jī)和輪轂電機(jī)兩種。
那么，特斯拉的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(jī)安裝的位置，（兩電機(jī)分別安裝在前橋和后橋的中部）其屬于集中式驅(qū)動(dòng)布置的雙電機(jī)形式。
用戶為什么會(huì)將這種雙電機(jī)布置形式誤解為輪邊驅(qū)動(dòng)形式呢？這時(shí)我們需要了解輪邊驅(qū)動(dòng)的定義：“每個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是電動(dòng)機(jī)不是集成在車輪內(nèi)，而是通過傳動(dòng)電機(jī)輸出軸連接到車輪把驅(qū)動(dòng)電機(jī)安置在副車架驅(qū)動(dòng)力附近，著重強(qiáng)調(diào)在驅(qū)動(dòng)輪附近”；簡而言之就是，輪邊電機(jī)的安裝位置緊靠驅(qū)動(dòng)輪附近；而特斯拉的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生概念上的混淆，誤以為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)是分布式驅(qū)動(dòng)形式的一種。

圖1特斯拉 Model Y集中式雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式
究其根源，用戶為什么會(huì)如此在意特斯拉的電機(jī)是集中式驅(qū)動(dòng)布置形式還是輪邊驅(qū)動(dòng)布置形式呢？其原因就在于輪邊電機(jī)的安裝會(huì)對(duì)整車總布置產(chǎn)生很大的影響，尤其是在后軸驅(qū)動(dòng)的情況下，由于車身和車輪之間存在很大的變形運(yùn)動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)軸的萬向傳動(dòng)也具有一定的限制。簡單來說，輪邊驅(qū)動(dòng)布置會(huì)對(duì)車輛的操控性和舒適性產(chǎn)生影響。這很可能是特斯拉用戶會(huì)對(duì)這種布置形式擔(dān)憂的來源。

雖然，輪邊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)布置形式會(huì)對(duì)車輛的操作性和舒適性產(chǎn)生影響。但是在要求較低的商用車行業(yè)，輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)勢則變得很顯著，它可以大大簡化車輛結(jié)構(gòu)，縮短動(dòng)力傳遞路徑，進(jìn)一步提高能量的傳動(dòng)效率，使電能得到最大限度的利用。[1]而且輪邊電機(jī)系統(tǒng)由于其電機(jī)安置位置離輪轂近的特點(diǎn)，對(duì)后期的維修服務(wù)非常友好。所以輪邊電機(jī)在商用車市場很受歡迎。
在商用車領(lǐng)域，國際上布局最為領(lǐng)先的是比亞迪、采埃孚和奔馳一類專門從事電機(jī)技術(shù)研發(fā)且有成熟產(chǎn)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(qū)動(dòng)車橋的車輛已經(jīng)正在亞歐城市中試用（如圖2），并且得到了德國聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部的補(bǔ)貼。近年來一些新型和傳統(tǒng)的零部件巨頭，如Protean、Elaphe舍弗勒、日本 NSK也開始意識(shí)到輪邊電機(jī)的重要性，逐步加強(qiáng)在輪邊電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)投入。

圖2采埃孚輪邊電驅(qū)動(dòng)車橋方案

我們已經(jīng)弄清楚了輪邊驅(qū)動(dòng)布置形式的概念和定義，并且發(fā)現(xiàn)輪邊電機(jī)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用前景要好于乘用車領(lǐng)域后。接下來我們需要從專利技術(shù)角度對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。通過智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)日本在這一領(lǐng)域的研究起步早，其技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先。但近10年來，中國關(guān)于輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究數(shù)量明顯增多，在專利申請(qǐng)量上已經(jīng)逐漸趕超國外企業(yè)，輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究日益受到全球重視。
1、輪邊電機(jī)整體專利申請(qǐng)略有波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)顯著上升趨勢首先，從輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)輪邊電機(jī)技術(shù)發(fā)展處于穩(wěn)定上升的態(tài)勢；每年的專利數(shù)量呈現(xiàn)顯著遞增的趨勢；專利授權(quán)比則呈現(xiàn)略微下降趨勢。（如圖3）
1)萌芽期（2000年之前）早在1900年，保時(shí)捷就研制出了兩前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙座電動(dòng)汽車。筆者在智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫檢索后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫中最早出現(xiàn)的相關(guān)專利申請(qǐng)是在1916年；2001年之前的專利申請(qǐng)量較少，其中1993年、1995年、1997年和2000年各一件，德國申請(qǐng)兩件、日本申請(qǐng)一件和俄羅斯申請(qǐng)一件。此階段的專利申請(qǐng)還是以零星形式出現(xiàn)，并未成為電機(jī)主流的技術(shù)發(fā)展方向。
2)第一增長期（2002-2010年）從2002年開始，輪邊電機(jī)的專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)小幅度增長態(tài)勢。其中年均專利申請(qǐng)量31.5件，年均專利授權(quán)比64.8%；此階段的輪邊電機(jī)技術(shù)處于萌芽時(shí)期，專利申請(qǐng)量增長的主要?jiǎng)恿碓从谥袊畬?duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的扶持。整體產(chǎn)業(yè)處于政策引導(dǎo)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(jī)專利申請(qǐng)量在這一階段呈現(xiàn)爆發(fā)時(shí)增長態(tài)勢，其中年均專利申請(qǐng)量達(dá)到107件，同比增長75.5件；年均授權(quán)比63.54%，基本與第一階段年均授權(quán)比平齊；主要是新能源產(chǎn)業(yè)開始從政府引導(dǎo)轉(zhuǎn)為市場引導(dǎo)的階段，促使廠商大量申請(qǐng)與輪邊電機(jī)相關(guān)的專利以應(yīng)對(duì)不斷增長的市場需求。
4)第三增長期（2019-至今）根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)研究局建立的平均趨勢法，智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的專利申請(qǐng)趨勢進(jìn)行了預(yù)測，未來3年輪邊電機(jī)的專利申請(qǐng)量仍呈現(xiàn)上升趨勢。其中預(yù)計(jì)2021年專利申請(qǐng)量達(dá)到136件；預(yù)計(jì)2022年專利申請(qǐng)量達(dá)到155件；預(yù)計(jì)2023年專利申請(qǐng)量達(dá)到166件。[2]

圖3輪邊電機(jī)全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢（來源：智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）
2、中國是輪邊驅(qū)動(dòng)技術(shù)最受關(guān)注的市場，其次是美國和日本從輪邊電機(jī)目標(biāo)市場國/地區(qū)圖表中，分析得出中國是最受到國內(nèi)外企業(yè)關(guān)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(jī)的專利申請(qǐng)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(jī)主要的目標(biāo)市場原因在于，中國政府很早就將新能源汽車產(chǎn)業(yè)上升到國家戰(zhàn)略，并且在20年內(nèi)對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)投資超過2萬億，除此之外還拿出數(shù)千億人民幣補(bǔ)貼新能源汽車購買者，以及執(zhí)行免征購置稅等各項(xiàng)優(yōu)惠政策。在中國政府的不懈推動(dòng)下，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展，從而促使企業(yè)加大對(duì)輪邊電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入。
另外，從圖中看出美國的輪邊電機(jī)專利申請(qǐng)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(duì)商用車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化的補(bǔ)貼和激勵(lì)政策，而輪邊電機(jī)由于其適用于客車和卡車領(lǐng)域且方便維修和維修成本低的特點(diǎn)，故其市場份額隨之增長。筆者預(yù)測美國輪邊電機(jī)專利申請(qǐng)量會(huì)繼續(xù)保持較高的增長態(tài)勢。

圖4輪邊電機(jī)專利目標(biāo)市場國/地區(qū)排名（來源：智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）
3、比亞迪和斯巴魯公司的專利申請(qǐng)量占近半總比重從近年來輪邊電機(jī)專利申請(qǐng)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(jī)專利申請(qǐng)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(shí)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(qǐng)人排名僅同濟(jì)大學(xué)一所高校。其余申請(qǐng)企業(yè)均為在商用車零部件或者整車領(lǐng)域有成熟業(yè)務(wù)。側(cè)面可見輪邊電機(jī)的商業(yè)化程度較高，已經(jīng)處于大規(guī)模應(yīng)用的階段。(如圖5)

圖5輪邊電機(jī)專利申請(qǐng)人排名分析（智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）
此外，針對(duì)輪邊電機(jī)技術(shù)的專利地圖的不同領(lǐng)域分析可以看出，在與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的斷開輸出部、齒輪組、輸入齒輪和車輪速度特性、四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、速度差、制動(dòng)力聚集了大量的高價(jià)值專利。從這些領(lǐng)域的專利申請(qǐng)可以看出，車企聚焦在如何解決輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)在四輪獨(dú)立控制方面的一致性，以及解決輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛時(shí)所產(chǎn)生的速度差和制動(dòng)力不均衡的問題。這些問題同樣制約著輪邊電機(jī)在乘用車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

圖6輪邊電機(jī)技術(shù)專利地圖（智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）
4、輪邊電機(jī)技術(shù)難題待解未來可期綜合來看，輪邊電機(jī)可以大大簡化車輛結(jié)構(gòu)，縮短動(dòng)力傳遞路徑，進(jìn)一步提高能量的傳動(dòng)效率，使電能得到最大限度的利用。而且輪邊電機(jī)系統(tǒng)由于其電機(jī)安置離輪轂近的特點(diǎn)，對(duì)于后期的維修服務(wù)非常友好。但其缺點(diǎn)也非常明顯，輪邊電機(jī)的安裝尤其是在后軸驅(qū)動(dòng)的情況下，由于車身和車輪之間存在很大的變形運(yùn)動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)軸的萬向傳動(dòng)具有一定的限制，對(duì)車輛的操縱性和舒適性產(chǎn)生影響。正是因?yàn)檩嗊呺姍C(jī)顯著的優(yōu)缺點(diǎn)，使其目前在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用前景遠(yuǎn)好于在乘用車領(lǐng)域。
通過對(duì)輪邊電機(jī)的專利技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，日本在該技術(shù)領(lǐng)域上處于領(lǐng)先地位。但近10年來，中國關(guān)于輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的專利申請(qǐng)數(shù)量明顯增多，在專利申請(qǐng)量上已經(jīng)逐漸趕超國外企業(yè)，可見輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究日益受到全球重視。
從專利的目標(biāo)申請(qǐng)國分析發(fā)現(xiàn)，中國是最受到國內(nèi)外企業(yè)關(guān)注的市場，其次是美國和日本市場。現(xiàn)階段，輪邊電機(jī)的發(fā)展動(dòng)力主要受到各國的政策影響，尤其是中國政府在近20年內(nèi)對(duì)新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資超過2萬億，極大地帶動(dòng)了輪邊電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
另外，從輪邊電機(jī)專利申請(qǐng)人排名分析可以看出，以比亞迪和宇通客車為代表的國內(nèi)企業(yè)是當(dāng)前該領(lǐng)域的申請(qǐng)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(shí)捷等一眾的老牌車企。這些企業(yè)均在商用車零部件或者整車領(lǐng)域有成熟業(yè)務(wù)。
從輪邊電機(jī)的專利地圖分析可得出，車企更多聚焦在如何解決輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)在四輪獨(dú)立控制方面的一致性，以及解決輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛時(shí)所產(chǎn)生的速度差和制動(dòng)力不均衡等阻礙技術(shù)在乘用車領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的問題。這些問題同樣制約著現(xiàn)在輪邊電機(jī)在乘用電動(dòng)車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
最后，雖然以特斯拉為代表的集中式驅(qū)動(dòng)形式仍是純電動(dòng)乘用車底盤技術(shù)的主流。但相信在不遠(yuǎn)的將來，輪邊電機(jī)在突破技術(shù)層面的難點(diǎn)后，它能量利用效率高等優(yōu)勢將會(huì)促使其在乘用車領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。