輪轂電機(jī)或推動新能源汽車進(jìn)入分布式驅(qū)動時代1.0

輪轂電機(jī)或推動新能源汽車進(jìn)入分布式驅(qū)動時代1．0

——從專利角度簡析輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景

在新能源汽車的生產(chǎn)和制造中，驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)系到整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和客戶的駕乘感受。［1］現(xiàn)階段的新能源汽車按照驅(qū)動系統(tǒng)布置形式可分為集中式驅(qū)動布置和分布式驅(qū)動布置兩種。［2］

近年來，隨著新能源汽車行業(yè)的逐步發(fā)展，其動力性和能耗水平已經(jīng)成為衡量整車的重要指標(biāo)。電驅(qū)動技術(shù)作為三大核心部件之一，越來越受到行業(yè)的普遍重視。［3］根據(jù)恒州博智（QYR）機(jī)械及設(shè)備研究中心最新統(tǒng)計報告顯示，2020年全球新能源汽車驅(qū)動電機(jī)市場規(guī)模達(dá)到了162億元，預(yù)計2026年將達(dá)到488億元，年復(fù)合增長率（CAGR）高達(dá)17．1％。

而輪轂驅(qū)動技術(shù)作為分布式驅(qū)動技術(shù)的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動系統(tǒng)高效節(jié)能、驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控等多方面的獨(dú)特優(yōu)勢，被業(yè)界廣泛認(rèn)為是新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車動力的終極解決方案。［4］

綜合來看，輪轂電機(jī)具有直接驅(qū)動車輪的構(gòu)造，以及其高效率和良好的空間布置等各方面的優(yōu)點(diǎn)。但其技術(shù)缺陷仍未完全攻克，仍處于上升期。未來如果真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將會推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。

因此，筆者從從專利和技術(shù)分析深入分析輪轂電機(jī)這一領(lǐng)域，大致可以看到：日本企業(yè)在輪轂電機(jī)領(lǐng)域具有雄厚的技術(shù)實(shí)力；而國內(nèi)申請輪轂電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域基本是以高校為主，國內(nèi)企業(yè)的相關(guān)專利儲備不足。其次，中國是最受到國內(nèi)外企業(yè)關(guān)注的輪轂電機(jī)技術(shù)應(yīng)用市場；然后是日本和美國。在地域分布中，我國的江蘇省和浙江省非常重視輪轂電機(jī)技的專利布局；其次是廣東省和北京市。通過專利地圖發(fā)現(xiàn)，在電動汽車的“穩(wěn)定性控制、橫擺角速度、電動輪汽車、模型、橫擺力矩”方面聚集了大量的高價值專利。市場對于輪轂電機(jī)的穩(wěn)定性、和輪轂電機(jī)對汽車操縱性帶來的影響非常重視。

最后，我國輪轂電機(jī)的發(fā)展道路還很漫長，對于電機(jī)本體的設(shè)計和優(yōu)化還不成熟，只能小范圍使用；國內(nèi)輪轂電機(jī)的發(fā)展還不成熟，還需要開展國際合作，爭取趕上先進(jìn)水平。

一、輪轂電機(jī)的前世今生

輪轂電機(jī)技術(shù)美國和日本研究較早，其誕生初期可以追溯到電動汽車的誕生初期。早在1950年，美國人羅伯特就發(fā)明了一種將電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置，1968年被通用公司應(yīng)用在大型礦用自卸車上。而與國外相比，中國汽車生產(chǎn)廠商、高校及科研院所雖然近年來具備了一定的電動汽車開發(fā)能力，但對輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究仍不成熟，與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在較大差距。

過去這些年，受制于市場環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本與技術(shù)成熟度等多種綜合因素的影響，輪轂電機(jī)的發(fā)展幾經(jīng)沉浮，國內(nèi)外整車及零部件廠商也大多停留在持續(xù)關(guān)注和研發(fā)階段。近兩年，隨著新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的日益成熟，以及規(guī)模效應(yīng)漸成，輪轂電機(jī)這一推動汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)大跨步迭代的技術(shù)，又重新回到汽車產(chǎn)業(yè)熱議的中心。［5］

輪轂電機(jī)的工作原理，簡單來說就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)。這樣的布置大大簡化了底盤和空間占用；省去了機(jī)械聯(lián)結(jié)；提高了8％～15％的能源轉(zhuǎn)化效率；增加了汽車續(xù)航里程；但其缺點(diǎn)也非常明顯，簧下質(zhì)量的增加將對汽車的操作性能產(chǎn)生一定程度的影響；其次是電機(jī)本身對防水防塵防震的要求較高；此外，電機(jī)內(nèi)置輪轂內(nèi)，也無法有效散熱。

按照驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子類型不同，輪轂電機(jī)核心技術(shù)可分為高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)兩類：

1、高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)代表：德國舍弗勒

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)為了滿足車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速的要求，需要與減速裝置配合使用，來達(dá)到減速增扭的目的。［4］

從智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫可以看到，德國舍弗勒公司于2019年申請的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的代表專利（專利號：WO2020181466A1，專利名稱：Hub motor driving system and motor vehicle）。（如圖1）專利說明書提到，該輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)改變了殼體主體和轉(zhuǎn)子支架之間的徑向軸承和密封組件的位置，使得潤滑油在離心力的作用下容易到達(dá)該徑向軸承和密封組件并且使得能夠騰出足夠的空間用于存儲更多的潤滑油進(jìn)而提高潤滑油的存量。

目前，舍弗勒的輪轂驅(qū)動已啟動量產(chǎn)，并搭載眾多車型進(jìn)行實(shí)車測試。比如舍弗勒Mover、德國航空航天中心模塊化概念車U－Shift、德國Innvelo 48 V燃料電池概念車以及德國聯(lián)邦教育和研究部資助的無人駕駛車輛等。

圖1德國Schaeffler公司研發(fā)的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)（來源：智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫）

2、低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)代表：英國Protean公司

低速外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)直接驅(qū)動車輪，無須配以減速機(jī)構(gòu)。與內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)相比，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，軸向尺寸減小，傳動效率進(jìn)一步提升。［4］

英國Protean公司于2008年申請的低速外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的代表專利（專利號：GB2456351A，專利名稱：Vehicle with in－wheel motor brake）。（如圖2）專利說明書中提到經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過該技術(shù)車輛的動能可以在輪內(nèi)電動機(jī)中轉(zhuǎn)換成電能，而不產(chǎn)生超出電氣系統(tǒng)能力的電流。

該發(fā)明適用于電動車輛，例如具有4個輪內(nèi)電動機(jī)（每個車輪一個）的汽車，能夠以超過60英里／時的速度進(jìn)行高速行駛。本發(fā)明的實(shí)施例能夠產(chǎn)生在幾秒鐘內(nèi)輸出超過200kW功率的制動力，從而使大約1．5噸車輛在5秒內(nèi)從60英里／時減速。體現(xiàn)本發(fā)明的電動機(jī)能夠進(jìn)行這種功率轉(zhuǎn)換，并且僅具有30Kg量級的質(zhì)量。

圖2英國Protean公司研發(fā)的低速外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)（來源：智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫）

二、專利和技術(shù)分析

對于輪轂電機(jī)相關(guān)的專利，其申請人主要集中于恩梯恩（NTN株式會社）、豐田和日產(chǎn)等日本的上中游汽車廠商研究的比較深入。筆者針對輪轂電機(jī)所涉及的專利情況，進(jìn)行了檢索，其結(jié)果進(jìn)行如下展示：

1、汽車企業(yè)在輪轂電機(jī)方面的應(yīng)用發(fā)展

輪轂電機(jī)自發(fā)展以來已有超100年的歷史，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也有幾十年。國外來看，日本的最早使用是在1991年，通用企業(yè)的應(yīng)用是在2003年，法國米其林的應(yīng)用在2007年。

國內(nèi)企業(yè)主要通過合資收購國外優(yōu)秀企業(yè)和自主研發(fā)，快速推動國內(nèi)分布式驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如恒大集團(tuán)全資收購英國輪轂電機(jī)企業(yè)Protean；廣州汽車集團(tuán)對輪轂電機(jī)新能源汽車的深入研究，相繼推出了新能源汽車GE3、GS4 PHEV、GA3S PHEV等。（如圖3）

圖3國內(nèi)外部分輪轂電機(jī)發(fā)展歷程（來源：智慧芽整理）

2、輪轂電機(jī)整體專利申請顯著上升

進(jìn)一步從輪轂電機(jī)所涉及的專利的申請和授權(quán)情況來進(jìn)行分析。首先，從年專利申請量可以看出，輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展仍處于上升期，每年專利數(shù)量呈現(xiàn)顯著遞增的趨勢（如圖4）。

我們可將專利申請趨勢劃分為三階段：2010年前、2011－2015年、2016－至今。

第一階段，年均專利申請量150件，但專利授權(quán)高；第一階段的輪轂電機(jī)技術(shù)屬于萌芽期，處于技術(shù)探索和基礎(chǔ)性發(fā)明誕生的過程；

第二階段，年均專利申請量560件，同時專利授權(quán)比高出第一階段；二階段，由于我國政府加大對新能源汽車的扶持力度，新能源汽車進(jìn)行全面政策扶持階段。輪轂電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了不少的縱向和橫向延生的專利；

第三階段，年專利申請量1500件，專利數(shù)量明顯大幅度上升，主要由于我國宣布取消汽車制造行業(yè)的外資限制，尤其是新能源制造領(lǐng)域，技術(shù)開始進(jìn)行市場化運(yùn)作階段。但由于數(shù)量增加，專利授權(quán)比低于第一和第二階段；

由此智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行預(yù)測，輪轂電機(jī)專利申請量在未來3年將繼續(xù)保持增長態(tài)勢，2021年預(yù)計增長到1793件，2022年預(yù)計增長到2328件，2023年預(yù)計增長到2525件。

圖4輪轂電機(jī)專利申請趨勢（來源：智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）

3、中國是輪轂電機(jī)最受關(guān)注的市場，江蘇浙江尤為重視

輪轂電機(jī)技術(shù)主要分布的國家／地區(qū)，我們可以清晰發(fā)現(xiàn)中國是受到國內(nèi)外企業(yè)最關(guān)注的市場；其次是日本和美國市場（如圖5）。這主要得力于我國政府對新能源汽車極高的重視程度。將作為國家戰(zhàn)略，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)投資超過2萬億，并且還拿出數(shù)千億人民幣補(bǔ)貼新能源汽車購買者，以及免征購置稅等各類優(yōu)惠政策。在中國政府的大力推動以及企業(yè)的積極努力下，通過近十年的培育，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。輪轂電機(jī)作為產(chǎn)業(yè)鏈中的一員，其專利申請也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。

圖5輪轂電機(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)）

此外，從我國各省市在輪轂電機(jī)中的專利申請排名可以看出，江蘇省和浙江省非常重視輪轂電機(jī)技的專利布局；其次是廣東省和北京市作為第二梯隊較為重視輪轂電機(jī)的技術(shù)布局（如圖6）。

結(jié)合各省市的十四五規(guī)劃和定位來看：江蘇的重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)包括打造綠色智能汽車產(chǎn)業(yè)，以智能制造為主攻方向大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)；浙江省的十大重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)包括打造節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，突破動力電池、電驅(qū)、電控關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展汽車電子和關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)，完善充電設(shè)施布局，打造全球先進(jìn)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)集群。形成以杭州、寧波、臺州為核心，溫州、湖州、紹興、金華等地協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)布局。到2025年，節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到1萬億元；廣東省的十大重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)包括到2025年，汽車制造業(yè)營業(yè)收入超1．1萬億元，打造具有國際影響力的汽車產(chǎn)業(yè)集群。

圖6輪轂電機(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)）

4、在輪轂電機(jī)上，日本企業(yè)占比超六成

從近年來輪轂電機(jī)專利申請人排名可以看出，雖然中國市場的專利申請量最多，但是申請人為日本企業(yè)申請專利占比達(dá)到61．4％；其中NTN株式會社公司在輪轂電機(jī)相關(guān)專利量占總比超過39．3％（如圖7）；值得關(guān)注的是，日本企業(yè)在輪轂電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域仍具有雄厚實(shí)力；但國內(nèi)申請輪轂電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的基本是以高校為主，國內(nèi)企業(yè)的相關(guān)專利儲備不足。

圖7輪轂電機(jī)專利目標(biāo)市場國／地區(qū)排名（智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）

此外，從輪轂電機(jī)技術(shù)的專利地圖的不同領(lǐng)域分析可以看出，在電動汽車的穩(wěn)定性控制、橫擺角速度、電動輪汽車、模型、橫擺力矩方面聚集了大量的高價值專利?？梢娛袌鰧τ谳嗇炿姍C(jī)的穩(wěn)定性、和輪轂電機(jī)對汽車操縱性帶來的影響非常重視。（如圖8，其中綠色標(biāo)簽代表高價值專利；藍(lán)色標(biāo)簽代表專利許可；紅色代表專利訴訟）

圖8輪轂電機(jī)技術(shù)專利地圖（來源：智慧芽英策專利分析系統(tǒng)）

參考文獻(xiàn)：

［1］劉春暉．（2021）．淺談電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類．汽車實(shí)用技術(shù)（16），11－13．
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［2］尹彥秋 ＆ 張俊深．（2021）．純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢． 內(nèi)燃機(jī)與配件（17），215－217．
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doi：10．16638／j．cnki．1671－7988．2021．09．067．

［4］李勇，徐興，孫曉東，江浩斌 ＆ 曲亞萍．（2017）．輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究概況及發(fā)展綜述．電機(jī)與控制應(yīng)用（06），1－7＋18．
doi：CNKI：SUN：ZXXD．0．2017－06－001．

［5］方紅燕，門峰 ＆ 岳思含．（2021）．輪轂電機(jī)產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險與投資策略研究． 汽車工業(yè)研究（02），31－34．
doi：CNKI：SUN：CCGY．0．2021－02－008．