为什么我们认为轮毂电机代表了电动汽车的发展方向

19世纪末，维也纳的费迪南德•保时捷（Ferdinand Porsche）、芝加哥的约瑟夫•雷德温卡（Joseph Ledwinka）及弗雷德•纽曼（Fred Newman）在 一辆老式汽车的每个车轮上装上电机，以简单、高效且可控的方式提供动力。这些汽车先驱们怎么都料不到，电力驱动会很快式微，而且后人发明了更复杂的传动装置，将安装在车辆中部内燃机的输出功率转变为车轮上的扭矩。然而事实确是如此。

一个世纪以后，为了减少温室气体排放、降低对化石能源的依赖并净化城镇城市空气，人们重新燃起了对车辆电气化的兴趣。中国对此格外热衷，中国政府曾宣布到2020年中国将有500万辆电动汽车上路。这个目标实现起来将是艰难的，因为中国的100多家汽车制造商都缺乏开发复杂电动驱动系统的工程经验。很荣幸，我们普罗天恩电气公司（Protean Electric）能够助力电动汽车市场发展。我们生产的轮毂电机直接在车轮内产生动力，可简化汽车结构，为乘客或货物提供更多空间并完善汽车操纵性能。

普罗天恩电气公司在世界范围内得到多位投资者及合作伙伴的支持，现正在中国建立制造厂。第一家工厂位于天津，目前正小批量生产轮毂电机。我们正与多家中国汽车制造商合作，将我们的技术融入其电动或插电式混合动力车辆。如果一切按计划顺利进行，那么装配我们公司所产电机的车辆将很快问世。因此，我们来更详细地解释这些电机如何工作，以及为什么我们认为它代表了电动汽车的发展方向。

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单就简化机械配置而言，在车轮上直接安装电机是一条显而易见的发展之路。然而没有一家大型制造商在混合动力或电动车车轮上安装电机。原因为何？

一些制造商不愿意采用轮毂电机的原因是担心簧下质量。簧下质量指的是汽车悬架系统以下所有部件的质量。对于传统车辆而言，簧下质量包括制动装置、轴承、车轮、等速万向节（位于传动轴两端，以相同角速度传递动力的装置）以及轮胎，不包括位于汽车底盘之上、引擎盖之下的传动系统其他部分，例如引擎或发动机和变速箱。

减少簧下质量可以改善司机及乘客的乘车品质，并使悬架系统更好地控制轮胎紧密接触路面。

轮毂电机会明显增加簧下质量，因为每个动力轮都要增加一个电机的质量。很多汽车设计师认为轮毂电机先天存在问题。但是这些担忧是否合理呢？

很早之前我们咨询了公认的汽车行驶与操纵专家——英国莲花工程公司（Lotus Engineering）。我们曾让其工程师就簧下质量对车辆操控的影响进行客观调查。这项测试决定着我们公司的成败。

莲花工程公司在一辆福特福克斯汽车的4个车轮上分别增加30公斤的质量，并用仪器测量车辆的振动和运动。同时还利用计算机模拟技术，进一步掌握车轮同时增加静态质量及转动质量的影响。此外，由受训的专业驾驶员进行实操评估，为增加簧下质量对汽车驾驶及操纵的影响提供更多信息。

莲花工程公司发现，尽管增加簧下质量的影响对于受过培训的专业驾驶员来说是明显的，但其实际影响并不严重。增加簧下质量让汽车开起来就像悬架和操控系统还没有经过惯常的磨合，而磨合在汽车开发中是必不可少的。

莲花工程公司的工程师通过稍微加大悬架阻尼就能大大减少附加簧下质量的影响。并且，他们还发现当把电机作为簧下质量直接装到车轮上时，可为汽车两侧分别提供动力，实质性地改善汽车操纵性能。

我们对其他车辆也做了类似研究。在所有研究中，我们发现只需重新调整减震器并增加单个车轮控制，对车辆操控的效果就会更好。因此事实上，增加簧下质量并非完全是搅局。

关于轮毂电机的另一担忧是增加了电机控制器软件的复杂性。电机控制软件必须实时根据车况及司机指令来控制每台电机。通常情况下控制两个电机反而比控制一个电机更加直接。但是如果一个电机出现故障，控制器就需要防止发生失衡的危险，避免车辆被不可控制地拖向一边。

为了解决这个重大安全问题，我们在电机中建立了两个完全独立的系统，既可以检测故障又能平衡两个或多个电机的转矩。车辆必须满足ISO 26262安全标准，该标准要求证明危险技术故障的发生概率为极度不可能。这是一项极其严格的标准，但我们确信我们的电机会帮助汽车制造商达到这一标准。

那么成本又是如何呢？无论技术多杰出，消费者都不会接受过高的价格。我们将一个典型电动传动系统（包括变速箱、电机、差速器及传动轴）与两个轮毂电机的成本进行比较。虽然双电机比一个中央电机及动力传动系统要贵一些，但是轮毂电机系统更有效，因为它具有较小的质量并且不会受到变速器中摩擦损失的影响。这意味着，在许多情况下汽车制造商生产的汽车将跑得更快或更远（或两者兼有），且成本不高于同类竞争性产品。

还有一个关于轮毂电机的担忧是有些人认为其缺乏耐用性。将电机装在车轮上而不是引擎盖下，这意味着当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，它们会受到重创。电机还经常会遇到水、沙土、碎石和其他杂物的冲击。是的，这些问题的确存在，但我们已经进行了大量真实测试，证明完全可以生产出能承受各种路况考验的产品。

过去，诸如以上担忧使得大多数汽车生产商都忽略了轮毂电机的优点。少数生产商在概念车中对轮毂电机进行了探索。现在一些公司正努力将流行于电动车和踏板车已久的轮毂电机引入汽车市场，普罗天恩电气公司作为领头羊，已经完成了必需的工程准备，确保富有吸引力的轮毂电机为电动汽车提供动力。

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我们的新型轮毂电机系统，即ProteanDrive系统，是完全安置于车轮上的动力传动系统。不过动力传动系统这个名称似乎并不确切，因为ProteanDrive系统没有传动装置。相反，电动机的转子直接连接到轮毂，从马达向车轮传递扭矩。这就实现了最高的效率和紧凑性。我们针对不同的应用设计了不同尺寸的电机，但是我们的旗舰产品是Pd18。之所以称之为Pd18是因为这款产品适合于直径18寸（约46厘米）的轮辋。Pd18重36公斤，转矩可达1250牛米，车轮功率可达75千瓦。也就是说两个电机加起来转矩可达2500牛米，功率可达150千瓦。

这看起来似乎非常具有吸引力，特别是考虑到典型的内燃型汽车发动机只能产生几百牛米的转矩。但不要忘了，传统汽车引擎转矩还要乘以引擎与车轮间的传动比。1挡时，数字可能是10，挡位越高乘数将会越低。所以，一对Pd18提供的车轮转矩与传统汽车的相当。

ProteanDrive系统的核心是永磁同步电机及一套紧密集成电子设备。电子设备准确地将控制电流传递到电机的电磁线圈产生磁场，磁场与固定在转子上的稀土永磁体相互作用。利用这一机制，轮毂电机能在1毫秒内产生所需转矩。

电子电路的设计刚好适合安装在整个电机内，并与电机共享冷却。高达90安的电流通过电机上的线圈，会产生很多废热，这些废热与电子线路产生的热量一起被电机外壳冷却剂管道内的水流带走。冷却剂与电子元件及电机线圈具有良好的热接触。防护性的环氧树脂将线圈密封起来，可帮助导热。电机与驱动电路的紧密集成，可使小体积的电机产生很大的功率。

软件在微处理器和现场可编程门阵列上运行。软件根据传感器数据来控制作用在线圈上的电压值，每秒决策1.6万次。传感器提供电机的电气和热力状况，以及位置和速度信息。软件确保通过电机的电流精准地维持车辆平稳运行。

我们的电机不需要传动装置、差速器或等速万向节与车轮相连，因此摩擦损失能量很少。行驶相同里程的电池耗电减少，这项节省很重要。此外，电机还能降低运行成本，车主们将很高兴不必更换损坏的等速万向节。

空间是另一优势。引擎盖下不再有电机，这就腾出了更多空间。将电机安装在车轮上，设计师们就拥有更多空间进行汽车布局设计。消费者正逐渐认识到其中的巨大价值。

但是轮毂电机的真正闪光点是汽车操控。传统车辆在实现增大牵引和平稳控制等功能时，要靠降低车轮的转速。但这种方式的响应速度慢且需要利用制动力。要摆脱轮胎打滑，施加驱动转矩是个好办法。而轮毂电机就可以做到这一点。事实上你可以在1毫秒内对制动力和电机转矩进行准确控制，大大改善牵引及平稳控制，减少制动距离，增强驾驶性和安全性。

轮毂电机同时考虑到了扭矩矢量分配系统，即为不同的车轮应用不同转矩，从而显著改善汽车操作。比如本田在某些型号的汽车中装入其超级操控全轮驱动系统，但所需的机械结构通常十分复杂且昂贵。如果汽车应用的是轮毂电机系统，那么扭矩矢量分配只需恰当的软件就可以免费实现。有了这一功能，汽车将像行驶在轨道上一样，在城市交通中反应敏捷，在高速路上保持平稳。

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为了达到这些目标，我们必须攻克一些技术难关。其中之一是实现逆变器的小型化和集成化：逆变器将电池的直流电转变为适用电机的交流电。汽车的大多数逆变器为鞋盒大小，然而我们将逆变器缩小到原尺寸的一半，恰好可以安置在电机后面。这样，每个电机仅用两根直流电缆，而不需6根电缆输送交流电。如果我们将逆变器安装在其他位置，将无法避免采用6根电缆这种情况。

与大多数竞争性产品不同，我们的电机外部装配有转子，使定子与转子间距（磁力作用区）处于最大半径，从而在轮辋范围内产生最大转矩。利用这一方法，电机无需传动装置便可产生足够转矩，避免降低效率及产生噪音。

当然，产生转矩需要耗费很多电能，因此线圈和电子线路会产生很多热量。为此，我们必须想办法将热量导出电机，避免烧坏元件。那么我们究竟需要导出多少热量？电炉上的一个加热元件产生的热量近3千瓦，而电机产生的热量高达6千瓦。我们利用液体冷却系统，包括安装在汽车中间位置的一个散热器，来导出这些热量。

为了让车轮经受住在车辆寿命期限内可能遇到的各种环境的考验，我们的设计考虑到了各种情况。除了冲撞、振动、水及岩石，我们还预想到，当司机需要车辆供电时，电子设备会迅速变热然后冷却下来；反复热循环会导致零部件提前退化。因此我们使用特殊钻机对电子设备进行检测并确认薄弱点。我们现在拥有的是一种非常稳定的设计，可以维持车轮在整个车辆寿命期内的运行。我们所定义的车辆寿命是行驶30万公里，使用15年以及运转8000小时，这是汽车行业的普遍期望值。

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然而我们还需要攻克一个难关：一些汽车制造商固化的思维模式。他们中的许多人早已认定轮毂电机不可行，很难说服他们改变。这就是为什么当我们和中国以及西方一些新建汽车制造商达成合作时，我们感到非常兴奋，这些汽车制造商思想更加开放。

尽管与欧洲及北美传统汽车制造商合作的进展缓慢，但我们正在努力。我们可以看到轮毂电机在需求强劲的应用方面拥有明显的竞争优势，比如低板货车、电动全驱汽车以及卡车。此外，轮毂电机能够节省很大空间，未来自动驾驶汽车的设计师们也对此兴趣浓厚。

虽然在这里不能讲述得太具体，但我们预期我们的客户及战略合作伙伴将在今年下半年发布一些振奋人心的消息。因此，普罗天恩充满信心，最终将实现百年以前先驱们将电机装进老式汽车车轮的愿景。