比亚迪炫技,掀轮边电机革命

2023-01-18 0 10
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和其他造车势力宣传“冰箱彩电大沙发”不同,比亚迪在1月5日举办的“敢越星河”仰望高端品牌暨技术发布会上,对传统驱动技术进行了一次革命性进击。除了带来旗下高端品牌仰望U8,还重点展示了国内首个量产的四电机驱动技术“易四方”,即用四电机平台独立驱动架构,通过矢量控制技术,实现对四轮动态控制。并且,该架构适用于纯电和混动平台,可全面覆盖硬派越野、超跑等多款高端的车型。

过去相当长的一段时间,新能源汽车产业链上的关注重点一直是电池,易四方横空出世后,电机行业开始引起资本市场的地震。通达动力(002576)直接迎来了一波涨停,方正电机(002196)、卧龙电驱(600580)也都实现了不小的涨幅,事实上,作为新能源汽车关键零部件的三电系统之一,驱动电机和动力电池一样经历了从无到有,从弱到强的发展过程。10年间电机行业的进步,亦成为支撑中国新能源汽车市场发展的重要力量。

易四方搭载的四电机轮边电机技术到底是什么?长期处于鄙视链底端的中国电机产业又是因何打破垄断,实现反超的?未来智能网联汽车的理想载体,会是分布式驱动电动汽车吗?

这些都是本文试图回答的问题。

一、摸着Rivian过河?

易四方的技术雏形早在20年前比亚迪发布的ET概念车上出现过。但是由于技术太过前瞻,展台上的 ET 鲜有人问津。在经过对电池、电驱与电控三大技术领域近20年的不断探索后,这项技术一步步发展成熟。驱动系统是其最大的亮点。

电动汽车的电驱动有两种常见方式——集中式和分布式。集中式是一台电机控制左右两个车轮,电动四驱版使用两台集中式电机分别控制前后两对车轮。分布式电机是四个车轮都可以由单独的电机驱动,每个车轮都能有自由的转速和旋转方向。

分布式电机又分为轮边电机和轮毂电机。轮毂电机是把电机直接做到轮毂里,轮边电机是装在车轮边上的电机,通过传动电机输出轴连接到车轮上。

在商用车领域,轮边电机的应用很广泛。比如采埃孚最为人熟知的ZF-AVE130轮边驱动技术,就大量运用在10至18米的客运车辆上,ZF-AVE130在两个后轮上各配备了一个带有两级减速机构的驱动电机,取消传动系统(车桥、传动轴)的机械硬联接,实现对车轮的独立控制。

在乘用车领域,仰望U8是国内首个搭载轮边电机的量产车型。仰望U8搭载了4个轮边电机,可以独立控制4个轮子的扭矩,相当于每一个轮子的扭矩控制都能实现可增可减、可正可负。也就是说,单个车轮可以独立进行驱动、制动、前进和后退。

图自比亚迪官方

四个轮子“解放”后,就能解锁很多新功能,比如,横向移动,原地掉头,或者水陆两栖。

与燃油车动力系统相比,易四方最大的不同在于其安全性。

如你在高速上爆胎,传统燃油车因为驱动轮只能同向转动,发生爆胎后只能依赖车身稳定控制程序。但轮边电机的四个轮子可以独立调整单轮扭矩,甚至任意输出正负扭矩,在某个车轮爆胎后,可以调整剩余的三个轮子的扭矩,通过驱动轮来干预车身姿态,直到车辆停稳。

官方据悉,易四方技术平台,各系统实现了100%的自主研发,架构上包括:前双电机总成、后双电机总成、中央控制器、刀片电池等核心部件;同时也涵盖了整车、发动机、电机、电池等相应的控制系统。

而说到轮边电机、原地掉头、水陆两栖,这并非比亚迪最先量产。车百智库此前在《宁王布局新赛道,悄悄酝酿一场革命》一文中曾提到的美国造车新势力Rivian,其旗下的两款车——电动皮卡R1T、硬派越野车R1S,均采用的是轮边电机驱动,也具备原地转向功能,最大涉水深度接近1米。早在2019年,Rivian就已经在技术上实现了这一点。R1T、R1S分别在2021年、2022年开始交付。

图自Rivian官方

若要按量产论资排辈,比亚迪要喊Rivian一声“大哥”。

二、特斯拉“功不可没”

过去中国电机产业一直处于鄙视链的底端,大型工业电机由瑞士的ABB、德国的西门子等西方巨头掌控,而小型电机如手机、硬盘等业务,日本拿下最多市场。

直到2020年全球新能源汽车驱动电机装机量相关数据显示,比亚迪、方正电机、蔚然动力、宁波双林、精进动力等中企,与特斯拉、大众汽车、日本电产等位居全球“十强”。中金公司认为新能源汽车电驱动系统(包含电机、电机控制器、减速器等)全球市场空间超万亿元,“有望成为继动力电池系统之后的第二个长坡厚雪赛道。”

中国电机产业为什么能实现强悍逆袭?这一切可以从特斯拉的电机选择说起。

早期,特斯拉采用感应电机路线,但感应电机的技术路线,其实并不适合电动汽车轻量化、高速化的发展方向。到了2018年,特斯拉和中国大陆商讨上海工厂时,开始把电机战略转向永磁电机路线,这也给了中国厂商机会,中国的磁性材料双雄中科三环和金力永磁,先后打入了特斯拉供应链。

2021年7月,特斯拉的Model Y和Model 3先后宣布换装国产驱动电机。而在换装之后,不仅两种车型都下调了价格;其功率和扭矩在原车基础上也都有了不同程度的提升,甚至Model Y的四驱长续航版本,其后电机的功率提升幅度高达22%。这种极高的性价比,也进一步坚定了特斯拉使用国产电机的决心。

那中国电机又是如何做到这一点的呢?车百智库认为主要有两个方面,一是电机技术路线的选择,二是电机技术水平的创新。

先说路线选择,相比感应交流异步电机,永磁电机技术更为成熟,且结构较为简单,具有制造、使用、维护方便的优点。最重要的是,永磁电机本身就由磁体打造,能量转换效率更高,体积更小。国内企业早就看到永磁同步电机的潜力,如今市场上的热门车型,像比亚迪汉、理想one、小鹏P7、蔚来ES6等,选择的都是永磁同步电机。

事实上,在永磁同步电机技术领域,外国企业的研究并不比中国差多少。但关键是,永磁电机所用的原材料钕铁硼几乎完全掌握在中国手里。而中国作为稀土大国,自然在此领域掌握着绝对的话语权。

再说来扁线电机技术。

过去电机技术普遍使用的铜线是圆形,扁线电机,简单来说就是将传统电机缠绕的铜线从圆线变为扁线,这样就可以把空隙塞满,从而提升电机的功率密度、降低成本。

但扁线电机因为不能互相干扰,加工难度极大,为了解决这个难题,工程师在扁形铜线上涂了10层特殊材料,使用更先进的缠绕方式才解决了这个难题,现在全球主要的扁线加工产能基本在国内。这既帮特斯拉解决了产能难题,也让国内供应商顺势卡位。

抢占了永磁和扁线两个优势后,中国电机产业也借着新能源的东风展开了反超之路。

三、孰优孰劣

据盖世汽车预测,分布式驱动具备结构紧凑、效率高等特点,是未来新能源电驱动布置的发展方向。通过将轮毂电机、轮边电机安装在轮辋内部或附近,具有车身布置灵活结构紧凑,易于实现底盘模块化设计等优点;同时各轮驱动/制动转矩独立可控,具备高机动性和高可靠性,更易实现车辆主动控制。

同为分布式驱动,轮边电机和轮毂电机孰优孰劣?

轮毂电机不是什么新鲜的先进技术,费迪南德·保时捷就在1896年获得了英国赋予的轮毂电机发明专利。轮毂电机是把电机直接做到轮毂里,与车轮同心布置。根据电机转子形式分成内转子式和外转子式两种,省去了差速器、半轴和二级变速装置等部件,简化结构,同时可以避免传动损失,减少能耗。数据显示,相对于传统的传动系统来说,轮毂电机可以提高8%-15%左右的效率。

从全球范围来看,轮毂电机主要是一些以滑板底盘为基础的造车新势力在应用,国外的代表企业是REE,国内的代表企业是PIX Moving。

但轮毂电机受簧下质量、防水防尘密封性以及成本等挑战,短期内规模化量产难度较高。轮边电机则是把电机布置在车轮边的前后驱动桥上,因而占用空间更小,可以在电驱动总成中集成水冷和减速器。目前,轮边电机在新能源客车领域已经有一定应用,据分析全球汽车大概现在是15亿辆,一个轮边电机算5000元,一辆新能源汽车用4个轮边电机就是一台车2万,按照10%渗透率测算,轮边电机市场规模可达3万亿。

而电动四驱的崛起会逐渐取代机械四驱吗?

在机械四驱的世界里,奥迪Quattro是一定有姓名的,相比同期的多片式离合器差速器,Quattro 超前了一整个时代。但电动四驱的出现抹平了机械Quattro的领先优势,软件的开发与升级能力,是电动车时代四驱系统的杀手锏。只要是搭载前后双电机的电动车,都可以靠一套软件来精准控制前后轮的动力,实现全时四驱。必要时,软件可以完全切断前轴或者后轴的动力,这是机械 Quattro 无法实现的。

电动四驱也有其短板,比如在硬派越野场景的极限路况下,若只有一个车轮有附着力,有三把锁的车型可以将动力全部传输至该车轮,进行脱困尝试。但像特斯拉Model Y这样的前后双电机四驱车型,在该场景下,前轴电机下线,只靠后轴电机很容易动力不足,脱困耗时长、难度大。即便采用四轮轮毂电机,该场景下的整车动力也被封印到只有四分之一,极难脱困。

所以说机械四驱未必大限将至,但有一点可以确定的是新能源时代留给机械四驱的时间不多了。电能既然可以用难以想象的速度,抹平燃油车价格与性能之间的强关联,这种情况大概率也会发生在四驱系统上。

四、尾声

回过头看,比亚迪的“易四方”的确是一项好技术,但最大的问题可能就在可靠性、耐久性上。尤其是如何实现车轮左右硬锁止、如何防止电机过热、如何保证电机对四轮的动态调整始终保持最优解,如何在传感和计算控制某个环节出问题时有其他的补救方案等。

但不可否认的是,比亚迪是第一个把四电机独立驱动系统推向量产的中国车企。新事物,必然存在风险及大量亟需解决的难点,我们需要给比亚迪一点时间。或许前路漫漫,但比亚迪在技术革新上的勇气值得中国车企学习。

就像王传福当年说的那样:“没有比人更高的山,没有比脚更远的路,只要灵魂不屈,就会走出一条康庄大道。”

【全文参考】

[1]《比亚迪仰望这不是在造车,是在造梦啊》,品驾,董楠

[2]《新能源车的另一个心脏:电机产业链的东迁之路》,远川科技评论,陈帅

[3]《2023年智能电动汽车二十大前瞻技术趋势》,盖世汽车社区

[4]《电驱动系统是下一个长坡厚雪的万亿赛道》,中金公司

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