一百年前就發明的輪轂馬達,為什麼會是自動駕駛的終極標配?

一百年前就發明的輪轂馬達,為什麼會是自動駕駛的終極標配?

自動駕駛,已經確定將是我們未來交通的主要承載方式。我們也知道,在通往自動駕駛的道路上,電動是唯一的選擇,但是電動車具體如何完美實現自動駕駛,爭議很大。

我們的判斷是,未來的自動駕駛,一定有輪轂馬達一席之地。

輪轂馬達,就是將一個馬達整合到汽車輪轂內,使汽車輪轂具有動力、傳動和制動功能,成為一個獨立的動力單元。

一百年前就發明的輪轂馬達,為什麼會是自動駕駛的終極標配?

 

電動車的驅動方式有兩種,集中式和分佈式。其中分佈式驅動又分為輪邊馬達驅動和輪轂馬達驅動。集中式,就是現在絕大部分電動車的驅動方式,馬達放置在底盤上,透過傳動軸驅動車輪運轉,通常一個馬達驅動兩個車輪或者作為整車四個車輪的動力來源。輪邊驅動屬於分佈式驅動,一個馬達驅動一個車輪,但是馬達並沒有整合到車輪內,而是透過傳動馬達輸出軸連接到車輪上。

輪轂馬達驅動則是將馬達整合到車輪內,徹底實現車輪自驅動,是分佈式驅動的最終形式。

關於分佈式驅動,還有內轉子和外轉子的方案,馬達也還有永磁同步、交流異步等等不同的選擇,相關的技術路徑我們今天不再贅述。我們要確定的問題在於,為什麼說,透過輪轂馬達實現的分佈式驅動,是自動駕駛的終極解決方案呢?

因為自動駕駛需要汽車能夠實現複雜的運動方式,只有分佈式驅動能夠完成這一點。

分佈式驅動實現了四個車輪每個車輪的單獨控制,每個車輪都可以做出360度的運動,可以完成你能想像到的,一個四方體的盒子在平面上所能實現的所有動作軌跡。

只有實現分佈式驅動,才能夠將機械的複雜度等量代換為程式碼的複雜度,用降維思路解決自動駕駛問題,將人從駕駛這種重複性勞動中徹底解放出來。

用機械實現一個單獨的功能並不難,但在一個機械平台上實現多個功能,其複雜度就會有指數性的上升。我們數學上典型的解題思路是「升維思考,降維解題」,就是用更高的維度去理解問題,看透事物的本質,把事物分解成最基本的組成,然後用降維的方法來解決問題,化複雜為簡單。這個升維的思路,也就是馬斯克常說的「第一性原理」。 

用純機械來實現組合機械功能難度異乎尋常的大,那不妨換一條路徑。用程式碼控制軟體,透過操作馬達驅動機械來實現各種機械功能。這樣就將複雜的機械功能轉換變成幾行程式碼的寫作,難度下降了N個數量級。

程式碼與機械功能之間的連接,就是馬達。因為馬達可以用非常小的誤差實現機械功能,以我們常用的17位伺服馬達為例,用脈衝來控制馬達運動,每131072個脈衝轉一圈,也就是最小精度是360/131072=0.0027度,定位誤差可以達到0.001mm。

這是一個程式碼改變世界的時代。程式碼驅動馬達,馬達帶動機械,這個冰冷的世界就這麼變得眉清目秀了起來。

學機械和做電子設備的人往往看不起寫程式碼的,甚至連金融市場的有些人都覺得電腦軟體是非實體經濟,但事實是,千萬不要小看這些寫程式碼的。在機械以及電子產品的單項性能很難有大突破的當下,產品綜合性能的突破必須靠程式碼。

工業機器人行業,就是一個典型的程式碼改變世界的例子。 

一百年前就發明的輪轂馬達,為什麼會是自動駕駛的終極標配?

典型的工業機器人由控制設備、伺服馬達和減速器三部分構成,控制設備帶動了伺服馬達,減速器作為馬達外延的機械設備,能夠實現控制設備下達的各種指令,控制設備的核心就是那一行行的程式碼。工業機器人是下一代工業革命的核心設備,原因就是程式碼的無窮延展性,所帶來的工業製造的無限可能性。

自動駕駛,同樣要遵循這樣的路徑。

實現自動駕駛,可能的路徑很多,但無一例外,都要求底層的機械系統具有強大的延展性和精確的操控能力。程式碼組合構成控制系統,保證了駕駛操控的延展性,電機操控下的分佈式驅動,則實現了駕駛系統的精確發力和定位,兩者構成了自動駕駛的核心驅動力。

程式碼+分佈式驅動,當下最可見的應用不是終極的自動駕駛,而是迅速實現車身的穩定控制。具備這個功能的系統就是我們常說的 ESP(Electronic Stability Program),最早由博世研發並投入量產,隨後其他的汽車廠商紛紛跟上,比如通用的 ESC、豐田的 VSC,名稱雖然不同,但基本功能類似。國內判斷一個車型是否高端,很長一段時間就是以是否安裝了 ESP 為重要標誌。

由於 ESP 技術掌握在博世這樣的一級供應商手裡,價格不菲,對於一般的汽車廠商來說,如果新車型上市,增加了 ESP 以後總價格不變,就意味著必須大幅壓縮其他的成本,這對汽車廠商來說壓力山大。不僅僅對燃油車是這樣,對於集中式驅動的電動車,也會面臨同樣的問題。提升功能就必須增加配置,也就意味著成本的層層遞進,超過消費者的承受能力之後就會帶來需求的下滑。

如果實現了分佈式驅動,上述問題就迎刃而解。不管是 ABS,還是選配的時候價值上萬元的 ESP ,或者其他的什麼車身控制系統,所需要的,只是更新一次程式碼,就這麼簡單。大家再也不用一個車型幾年等一回的,翹首以盼等著廠商加配置了。如果有一天過渡到了自動駕駛,需要的也不過是一次稍微耗時長一些的,作業系統版本的更新,邊際成本可以降到無限低。

汽車分佈式驅動也有兩種方式,一種是輪邊馬達驅動,另一種是輪轂馬達驅動。

輪邊馬達因為馬達與車輪是分開的,體積比較大,注定是一個過渡性的方案,目前主要應用於一些對體積要求不太高的商用車,比如客車中。輪轂馬達將馬達整合到了輪轂中,實現了動力、傳動和制動功能的集合,非常適合乘用車這種對體積效率要求高的車型,是自動駕駛最終的解決方案。

那麼現在的問題是,輪轂馬達都出現了一百多年了,為什麼還一直停留在紙面上呢?

一百年前就發明的輪轂馬達,為什麼會是自動駕駛的終極標配?

1896年,斐迪南‧保時捷,也就是後來的保時捷創辦人,就在英國註冊了輪轂馬達的專利,1900年就製造出了第一輛前輪輪轂馬達驅動的電動車。因為電池技術不成熟,引擎取代了電動車,在未來的一百多年裡,成為乘用車的主流,依靠電力驅動的輪轂馬達,也就一直被雪藏。直到最近的十年,以特斯拉為代表的電動車重新登上歷史舞台,輪轂馬達才又一次成為熱點。

但是,輪轂馬達產業化確實有自己的缺陷,簧下品質增加和電機材料過熱退磁,是兩個必須要邁過的門檻。汽車懸掛一般由彈簧製成,為了提高反應速度,方便操控,一般要求懸掛下面的結構儘量輕便,而輪轂馬達將馬達整合於輪轂中,會顯著增加簧下品質,這會對操控和安全性產生很大的負面影響。

此外,馬達整合在輪轂這麼一個狹小的空間內,制動的時候會產生很大的熱量,這些熱量傳導到電機上,而電機材料超過200度以上就會退磁,必須透過額外的散熱系統保證電機不過熱。

全球最領先的輪轂馬達生產廠商是三家歐美企業,即荷蘭的 e-Traction、美國的 Protean、歐洲的 Elaphe。中國的電動車廠商跑得快,這三家公司都基本都在中國有深入的合作。

其中2016年湖北泰特機電全資收購了 e-Traction,2019年又被恆大收購,恆大還拿下了美國的 Protean,三家公司有兩家被恆大收入囊中,至於 Elaphe,A股的亞太股份控制了20%的股權,並與其在中國國內建立了控股的合資公司。

不過,前兩家公司在併入恆大之後,在量產車型方面進展不大,至於亞太股份,公司在接受調研的時候多次表示,「公司輪轂馬達的生產線和檢測設備已安裝完成,基本滿足量產條件」,「公司正在按計畫推廣輪轂馬達計畫,前期已與多家整車廠在開發合作,目前已具備量產條件,公司會努力加快推進產業化。」,到現在為止,還是但聞樓梯響。

輪轂馬達的窘境,固然可以說產品確有缺陷,但更多的是原因是,這個市場沒有第一個吃螃蟹的。沒有應用,就談不上改進,更遑論推廣。輪轂馬達在電動自行車和電動摩托上已經應用好多年了,對於電動汽車而言,簧下品質和電機材料過熱,也不是解決不了的難題,難就難在,在電動車剛剛開始進入大規模普及階段的時候就談輪轂馬達,步子有些大。

 

距離討論輪轂馬達概念最熱的2016年,4年過去了,市場預想的輪轂馬達大爆發沒有來到,依然還是在期待量產的漫長等待中。

但在實現自動駕駛的賽道上,輪轂馬達是注定要走的一條路,並不會以個人甚至主機廠的意見為轉移,只是一個時間早晚的問題。但是第一個吃螃蟹的主機廠,或者車型,成為先烈的機率很大。

使用 Facebook 留言

Agu
1人給推

1.  Agu (發表於 2021年10月07日 20:09)
文章劃重點的「簧下品質增加和電機材料過熱退磁,是兩個必須要邁過的門檻」,中國用語「質量」你取代成「品質」但是文章意思明明是「重量」,編輯都不用審稿的嗎?同樣的錯誤還不止一處╮(╯_╰)╭

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則