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特斯拉推出轮边电机?或将成为纯电动车主流驱动形式

2021-10-12 10:55:59     来源:专利有观君        

【哔哥哔特导读】集中式驱动布置形式按照电机数量可分为单电机和双电机两种;而分布式驱动布置形式按照电机安装位置可分为轮边电机和轮毂电机两种。

最近,针对近期网络上出现的关于“特斯拉双电机驱动系统是轮边驱动形式”的热议。知乎集合了众多电动汽车和智能汽车领域的专业答主,组成「拆车天团」,对特斯拉的Model Y车型进行了全面拆解和验证。

电机

接下来就跟着智慧芽小编来一一剖析特斯拉的双电机驱动系统是什么?轮边驱动形又是如何布置?我们该如何从专利角度看懂轮边驱动技术的应用现状和发展前景?

一、特斯拉双电机驱动系统是轮边驱动的形式吗?NO!

在区分两者的概念前,我们先来了解下什么是纯电动汽车的驱动系统?首先,纯电动汽车驱动系统作为“三电”系统核心技术之一,主要由驱动控制系统、驱动电机和减速器等部件构成。驱动电机和驱动控制系统作为关键技术,其技术水平直接决定了纯电动汽车整车的动力性、经济性和客户的驾乘感受。

现阶段电动汽车按照驱动系统布置形式分为:集中式和分布式驱动布置两类形式。

集中式驱动布置形式按照电机数量可分为单电机和双电机两种;而分布式驱动布置形式按照电机安装位置可分为轮边电机和轮毂电机两种。

那么,特斯拉的双电机驱动系统在整车中是如何布置的呢?(见图1)可以明显看出,红色部分是特斯拉双电机安装的位置,(两电机分别安装在前桥和后桥的中部)其属于集中式驱动布置的双电机形式。

用户为什么会将这种双电机布置形式误解为轮边驱动形式呢?这时我们需要了解轮边驱动的定义:“每个驱动车轮由单独的电动机驱动,但是电动机不是集成在车轮内,而是通过传动电机输出轴连接到车轮把驱动电机安置在副车架驱动力附近,着重强调在驱动轮附近”;简而言之就是,轮边电机的安装位置紧靠驱动轮附近;而特斯拉的双电机驱动则是安装在车辆的前桥和后桥中部。两者的字面意思容易使人产生概念上的混淆,误以为双电机驱动是分布式驱动形式的一种。

究其根源,用户为什么会如此在意特斯拉的电机是集中式驱动布置形式还是轮边驱动布置形式呢?其原因就在于轮边电机的安装会对整车总布置产生很大的影响,尤其是在后轴驱动的情况下,由于车身和车轮之间存在很大的变形运动,对传动轴的万向传动也具有一定的限制。简单来说,轮边驱动布置会对车辆的操控性和舒适性产生影响。这很可能是特斯拉用户会对这种布置形式担忧的来源。

二、轮边电机在商用车行业的应用前景要远好于在乘用车领域

虽然,轮边电机的驱动布置形式会对车辆的操作性和舒适性产生影响。但是在要求较低的商用车行业,轮边驱动电机的优势则变得很显著,它可以大大简化车辆结构,缩短动力传递路径,进一步提高能量的传动效率,使电能得到最大限度的利用。[1]而且轮边电机系统由于其电机安置位置离轮毂近的特点,对后期的维修服务非常友好。所以轮边电机在商用车市场很受欢迎。

在商用车领域,国际上布局最为领先的是比亚迪、采埃孚和奔驰一类专门从事电机技术研发且有成熟产品的公司。其中,以国际零部件巨头采埃孚布局最为迅猛,安装了采埃孚轮边电驱动车桥的车辆已经正在亚欧城市中试用(如图2),并且得到了德国联邦交通和数字基础设施部的补贴。近年来一些新型和传统的零部件巨头,如Protean、Elaphe舍弗勒、日本 NSK也开始意识到轮边电机的重要性,逐步加强在轮边电机领域的研发投入。

三、轮边驱动系统专利技术分析

我们已经弄清楚了轮边驱动布置形式的概念和定义,并且发现轮边电机在商用车领域的应用前景要好于乘用车领域后。接下来我们需要从专利技术角度对轮边驱动电机技术的研究现状进行分析。通过智慧芽全球专利数据库发现日本在这一领域的研究起步早,其技术在世界上处于领先。但近10年来,中国关于轮边驱动电机的研究数量明显增多,在专利申请量上已经逐渐赶超国外企业,轮边驱动电机的研究日益受到全球重视。

1、轮边电机整体专利申请略有波动,但整体呈现显著上升趋势

首先,从轮边驱动电机的全球专利申请趋势分析发现,整个轮边电机技术发展处于稳定上升的态势;每年的专利数量呈现显著递增的趋势;专利授权比则呈现略微下降趋势。

1)萌芽期(2000年之前)

早在1900年,保时捷就研制出了两前轮电机驱动的双座电动汽车。笔者在智慧芽全球专利数据库检索后发现,数据库中最早出现的相关专利申请是在1916年;2001年之前的专利申请量较少,其中1993年、1995年、1997年和2000年各一件,德国申请两件、日本申请一件和俄罗斯申请一件。此阶段的专利申请还是以零星形式出现,并未成为电机主流的技术发展方向。

2)第一增长期(2002-2010年)

从2002年开始,轮边电机的专利申请量呈现小幅度增长态势。其中年均专利申请量31.5件,年均专利授权比64.8%;此阶段的轮边电机技术处于萌芽时期,专利申请量增长的主要动力来源于中国政府对新能源汽车产业链的扶持。整体产业处于政策引导阶段,市场需求并不是特别显著。

3)第二增长期(2011-2018年)

从2011年开始,轮边电机专利申请量在这一阶段呈现爆发式增长态势,其中年均专利申请量达到107件,同比增长75.5件;年均授权比63.54%,基本与第一阶段年均授权比平齐;主要是新能源产业开始从政府引导转为市场引导的阶段,促使厂商大量申请与轮边电机相关的专利以应对不断增长的市场需求。

4)第三增长期(2019-至今)

根据国家经济研究局建立的平均趋势法,智慧芽全球专利数据库对轮边驱动电机的专利申请趋势进行了预测,未来3年轮边电机的专利申请量仍呈现上升趋势。其中预计2021年专利申请量达到136件;预计2022年专利申请量达到155件;预计2023年专利申请量达到166件。

2、中国是轮边驱动技术最受关注的市场,其次是美国和日本

从轮边电机目标市场国/地区图表中,分析得出中国是最受到国内外企业关注的市场,占总比重的40.54%;其次是美国和日本市场,其轮边电机的专利申请量分别占总比重的16.22%和11.23%;

中国之所以能成为轮边电机主要的目标市场原因在于,中国政府很早就将新能源汽车产业上升到国家战略,并且在20年内对新能源汽车产业投资超过2万亿,除此之外还拿出数千亿人民币补贴新能源汽车购买者,以及执行免征购置税等各项优惠政策。在中国政府的不懈推动下,国内新能源汽车产业得以蓬勃发展,从而促使企业加大对轮边电机技术的研发投入。

另外,从图中看出美国的轮边电机专利申请量排名第二,占总比重的16.22%。主要原因在于新一届的美国政府正加大对商用车产业电动化的补贴和激励政策,而轮边电机由于其适用于客车和卡车领域且方便维修和维修成本低的特点,故其市场份额随之增长。笔者预测美国轮边电机专利申请量会继续保持较高的增长态势。

3、比亚迪和斯巴鲁公司的专利申请量占近半总比重

从近年来轮边电机专利申请人排名中可以看出,以比亚迪和宇通客车为代表的中国车企是轮边电机专利申请的主力,占总比重的33.37%;其次是以斯巴鲁和本田为代表的日本车企,占总比重的27.9%;最后是德国奔驰、保时捷和奥迪和法国的雷诺等一众的老牌车企;

排名前10名申请人排名仅同济大学一所高校。其余申请企业均为在商用车零部件或者整车领域有成熟业务。侧面可见轮边电机的商业化程度较高,已经处于大规模应用的阶段。

此外,针对轮边电机技术的专利地图的不同领域分析可以看出,在与电动机相关的断开输出部、齿轮组、输入齿轮和车轮速度特性、四轮独立驱动、速度差、制动力聚集了大量的高价值专利。从这些领域的专利申请可以看出,车企聚焦在如何解决轮边驱动电机在四轮独立控制方面的一致性,以及解决轮边驱动电机行驶时所产生的速度差和制动力不均衡的问题。这些问题同样制约着轮边电机在乘用车领域的大规模应用。

4、轮边电机技术难题待解未来可期

综合来看,轮边电机可以大大简化车辆结构,缩短动力传递路径,进一步提高能量的传动效率,使电能得到最大限度的利用。而且轮边电机系统由于其电机安置离轮毂近的特点,对于后期的维修服务非常友好。但其缺点也非常明显,轮边电机的安装尤其是在后轴驱动的情况下,由于车身和车轮之间存在很大的变形运动,对传动轴的万向传动具有一定的限制,对车辆的操纵性和舒适性产生影响。正是因为轮边电机显著的优缺点,使其目前在商用车领域的应用前景远好于在乘用车领域。

通过对轮边电机的专利技术分析发现,日本在该技术领域上处于领先地位。但近10年来,中国关于轮边驱动电机的专利申请数量明显增多,在专利申请量上已经逐渐赶超国外企业,可见轮边驱动电机的研究日益受到全球重视。

从专利的目标申请国分析发现,中国是最受到国内外企业关注的市场,其次是美国和日本市场。现阶段,轮边电机的发展动力主要受到各国的政策影响,尤其是中国政府在近20年内对新能源汽车相关产业投资超过2万亿,极大地带动了轮边电机产业的发展。

另外,从轮边电机专利申请人排名分析可以看出,以比亚迪和宇通客车为代表的国内企业是当前该领域的申请主力。其次是以斯巴鲁、本田为代表的日本车企和德国奔驰、保时捷等一众的老牌车企。这些企业均在商用车零部件或者整车领域有成熟业务。

从轮边电机的专利地图分析可得出,车企更多聚焦在如何解决轮边驱动电机在四轮独立控制方面的一致性,以及解决轮边驱动电机行驶时所产生的速度差和制动力不均衡等阻碍技术在乘用车领域大规模应用的问题。这些问题同样制约着现在轮边电机在乘用电动车领域的大规模应用。

最后,虽然以特斯拉为代表的集中式驱动形式仍是纯电动乘用车底盘技术的主流。但相信在不远的将来,轮边电机在突破技术层面的难点后,它能量利用效率高等优势将会促使其在乘用车领域的规模化应用。

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