轮毂电机或推动新能源汽车进入分布式驱动时代 1.0
—— 从专利角度简析轮毂电机技术发展 现状 及发展前景
在 新 能源汽车的生产 和 制造中，驱动 系统 关系 到 整车的动力性、经济 性 和客户的驾乘感受 。 [1] 现阶段 的 新能源 汽车按照驱动系统布置形式 可 分为集中式驱动布置和分布式驱动布置两种 。 [2]
近年来 ， 随着 新能源汽车行业 的逐 步 发展 ， 其 动力性和能耗水平 已经 成为衡量整车的重要指标 。 电驱动技术 作为三大核心部件 之一， 越来越受到行业 的普遍重视。 [3] 根据 恒州博智 (QYR)机械及设备研究中心 最新统计报告显示， 2020年全球新能源汽车驱动电机市场规模达到了162亿元，预计2026年将达到488亿元，年复合增长率(CAGR) 高达 17.1%。
而 轮毂驱动技术作为分布式驱动技术的一种 ，具有结构简单、传动系统高效节能、驱动和制动转矩独立可控等多方面的独特优势， 被业界广泛认为 是新能源 和 智能网联汽车动力的终极解决方案 。 [4]
综合来看，轮毂电机具有 直接驱动车轮 的构造，以及其高效率和良好的空间布置等各方面的优点。但其技术缺陷仍未完全攻克，仍处于上升期。未来如果真正实现量产，将会推进新能源汽车产业跨越式发展 。
因此， 笔者从 从专利 和技术分析深入 分析轮毂电机这一领域， 大致可以看到： 日本企业在轮毂电机领域具有雄厚的技术实力；而国内申请轮毂电机技术领域基本是以高校为主，国内企业的相关专利储备不足。其次，中国是最受到国内外企业关注的轮毂电机技术应用市场；然后是日本和美国。在地域分布中，我国的 江苏省和浙江省非常重视轮毂电机技的专利布局；其次是广东省和北京市 。通过专利地图发现， 在电动汽车的 “ 稳定性控制 、 横摆角速度 、 电动轮汽车 、 模型 、 横摆力矩 ” 方面聚集了大量的高价值专利。市场对于轮毂电机的稳定性、和轮毂电机对汽车操纵性带来的影响非常重视。
最后， 我国轮毂电机的发展道路还很漫长，对于电机本体的设计和优化还不成熟，只能小范围使用；国内轮毂电机的发展还不成熟，还需要开展国际合作，争取赶上先进水平。
一、 轮毂电机的 前世今生
轮毂电机技术 美国和日本 研究较早，其诞生初期可以追溯到电动汽车 的 诞生初期 。 早在 1950 年 ，美国人罗伯特 就 发明 了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置 ， 1968年被通 用公司应用在大型矿用自卸车上。 而 与国外相比 ， 中国 汽车生产厂商、高校及科研院所 虽然 近年 来 具 备了一定的电动汽车开发能力，但对轮毂电机驱动技术的研究仍不成熟，与国外先进技术相比仍 存在较大差距 。
过去这些年，受制于市场环境、经济成本与技术成熟度等多种综合因素的影响，轮毂电机的发展几经沉浮，国 内外整车及零部件厂商也大多停留在持续关注和研发阶段。近两年，随着 新能源汽车关键技术的日益成熟，以及规模效应渐成，轮毂电机这一推动 汽车传统系统大跨步迭代 的技术 ，又重新回到汽车产业热议的中心 。 [5]
轮毂电机的工作原理 ，简单来说 就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内 。 这样的布置 大大简化了 底盘 和空间占用 ； 省去了机械联结 ； 提高 了 8% ～ 15% 的 能源转化效率；增加了 汽车 续航里程； 但其缺点也非常明显， 簧下质量的增加 将对汽车的操作性能产生一定程度的影响 ； 其次是电机本身对防水防尘防震的要求较高 ； 此外，电机内置轮毂内，也无法有效散热 。
按照驱动电机转子类型不同，轮毂电机核心技术可分为 高速内转子电机和低速外转子电机两类 ：
1、 高速内转子电机 代表：德 国 舍弗勒
高速内转子轮毂电机为了满足车轮实际转速的要求，需要与减速装置配合使用，来达到减速增扭的目的 。 [4]
从智慧芽全球专利数据库可以看到， 德国 舍弗勒 公司 于2 019 年申请的高速内转子 轮毂电机 的 代表专利 （专利号： WO2020181466A1 ，专利名称: Hub motor driving system and motor vehicle ） 。 （如图1） 专利说明书 提到 ， 该轮毂电机驱动系统改变了壳体主体和转子支架之间的径向轴承和密封组件的位置，使得润滑油在离心力的作用下容易到达该径向轴承和密封组件并且使得能够腾出足够的空间用于存储更多的润滑油进而提高润滑油的存量。
目前，舍弗勒的轮毂驱动已启动量产，并搭载众多车型进行 实车测试。比如舍弗勒 Mover、德国航空航天中心模块化概念车U-Shift、德国 Innvelo 48 V燃料电池概念车以及德国联邦教育和 研究部资助的无人驾驶车辆等 。
图 1 德国 Schaeffler 公司研发的高速内转子轮毂电机 （来源： 智慧芽全球专利数据库 ）
2、 低速外转 子 电机 代表：英国 Protean 公司
低速外转子轮毂电机直接驱动车轮，无须配以减速机构。 与内转子轮毂电机相比，外转子轮 毂电机结构简单紧凑，轴向尺寸减小，传动效率 进一步提升。 [4]
英国 Protean公司 于2 008 年申请的 低速外转子 轮毂电机的 代表 专利 （专利号： GB2456351A ，专利名称： Vehicle with in-wheel motor brake ） 。 （如图2） 专利说明书中提到 经过实验验证 ，通过 该技术 车辆的动能可以在轮内电动机中转换成电能，而不产生超出电气系统能力的电流。
该 发明适用于电动车辆，例如具有 4个轮内电动机（每个车轮一个）的汽车，能够以超过60 英里/时 的速度进行高速行驶。本发明的实施例能够产生在几秒钟内输出超过200kW功率的制动力，从而使 大约 1.5吨 车 辆在5秒内从60 英里/时 减速。体现本发明的电动机能够进行这种功率转换，并且仅具有30Kg量级的质量。
图 2 英国 Protean 公司研发的 低速外 转子轮毂电机 （来源： 智慧芽全球专利数据库 ）
二、 专利 和技术 分析
对于 轮毂电机相关的专利，其申请人主要集中于 恩梯恩 （N TN 株式会社） 、丰田和日产等 日本的上中游 汽车 厂商研究的比较深入 。笔者针对 轮毂电机 所涉及的专利情况，进行了检索，其结果进行如下展示：
1、 汽车 企业在轮毂电机方面的应用 发展
轮毂电机自发展以来 已有超1 00 年的历史 ，在汽车领域的应用也有 几十年 。国外来看 ，日本的最早使用是在1 991 年，通用企业的应用是在2 003 年， 法国米其林的应用在2 007 年。
国 内 企业主要 通过合资 收购 国外优秀企业 和 自主研发 ，快速推动 国内 分布式驱动产业发展。 如恒大集团 全资收购英国轮毂电机企业 Protean ； 广州汽车集团对轮毂电机新能源汽车 的深入 研究， 相继 推出了新能源汽车 GE3、GS4 PHEV、GA3S PHEV等。 （如图3）
图 3 国内外部分 轮毂电机发展历程 （来源： 智慧芽整理 ）
2、 轮毂电机 整体专利申请 显著 上升
进一步从 轮毂电机 所涉及的专利的申请和授权情况 来进行分析 。 首先，从年专利申请量可以看出，轮毂电机技术 发展 仍处于上升期， 每年专利数量呈现 显著 递增 的 趋势 （如图4） 。
我们 可将专利申请趋势划分为三阶段 ： 2010 年前 、 2 011-2015 年 、 2 016- 至今 。
第一阶段，年 均 专利申请量 150 件， 但专利授权高 ； 第一阶段的轮毂电机技术属于萌芽期，处于技术探索和基础性发明诞生的过程；
第二阶段，年均专利申请量 560 件，同时专利授权比 高出第一阶段 ； 二阶段，由于我国政府加大对新能源汽车的扶持力度，新能源汽车进行全面政策扶持阶段。轮毂电机技术领域产生了不少的纵向和横向延生的专利；
第三阶段，年专利申请量 1500 件， 专利数量明显大幅度上升， 主要由于 我国宣布取消汽车制造行业的外资限制，尤其是新能源制造领域 ，技术开始 进行 市场化运作 阶段 。 但 由于数量增加， 专利授权比低于第一和第二阶段；
由此 智慧芽 全球专利数据库根据数据趋势进行 预测 ， 轮毂电机专利申请量 在 未来3年将继续保持增长态势，2 021 年预计增长到1 793 件，2 022 年预计增长到2 328 件，2 023 年预计增长到2 525 件。
图 4 轮毂电机专利申请趋势 （来源： 智慧芽英策专利分析系统 ）
3 、 中国是轮毂电机 最 受关注的市场 ，江苏浙江尤为重视
轮毂电机技术主要分布的国家/地区 ， 我们可以清晰发现中国是 受到 国内外企业最 关注 的市场 ；其次是日本和美国 市场 （如 图 5） 。 这 主要 得力于 我国政府 对新能源汽车极高的重视程度 。将 作为国家战略，对新能源汽车产业投资超过2万亿 ，并且还拿出数千亿人民币补贴新能源汽车购买者 ，以及免征购置税等各类优惠政策。 在中国政府的大力推动以及企业的积极努力下，通过近十年的培育，中国新能源汽车产业得到快速发展 。轮毂电机作为产业链中的一员，其专利 申请 也呈现爆发 式 增长 。
图 5 轮毂电机专利 目标市场国 /地区排名 （来源：智慧芽英策专利分析系统）
此外，从 我国各省市在轮毂电机中 的 专利 申请 排名 可以看出 ， 江苏省和浙江省 非常 重视 轮毂电机技的专利布局 ； 其次是广东省和北京市作为第二梯队 较为重视轮毂电机的技术布局 （如 图 6 ）。
结合各省市的 十四五规划和定位 来看 ： 江苏的 重点支持 产业包括 打造绿色智能汽车产业 ， 以智能制造为主攻方向大力发展先进制造业 ； 浙江省 的 十大 重点支持产业 包括 打造 节能与新 能源汽车产业链 ， 突破动力电池、电驱、电控关键技术，创新发展汽车电子和关键零部件产业，完善充电设施布局，打造全球先进的新能源汽车产业集群。形成以杭州、宁波、台州为核心，温州、湖州、绍兴、金华等地协同发展的产业布局。到 2025年，节能与新能源汽车产业链年产值达到1万亿元 ； 广东省 的 十大 重点支持产业 包括 到2 025 年，汽车制造业营业收入超1 .1 万亿元 ， 打造具有国际影响力的汽车产业集群 。
图 6 轮毂电机专利 目标市场国 /地区排名 （来源：智慧芽英策专利分析系统）
4 、在轮毂电机上，日本企业占比超六成
从 近年来轮毂电机专利申请人排名 可以看出 ， 虽然中国市场的专利申请量最多 ，但是申请人 为 日本 企业申请专利占比达到 6 1.4% ；其中N TN 株式会社 公司 在 轮毂电机相关专利量占 总 比超过3 9.3% （如图7） ； 值得关注的是 ， 日本企业在轮毂电机技术领域仍具有雄厚实力 ； 但 国内申请 轮毂电机 技术领域的基本是 以 高校为主 ， 国内企业 的相关 专利储备不足。
图 7 轮毂电机专利 目标市场国 /地区排名 （智慧芽英策专利分析系统）
此外， 从 轮毂电机技术的 专利 地图 的不同领域分析可以 看出，在电动汽车的 稳定性控制 、 横摆角速度 、 电动轮汽车 、 模型 、 横摆力矩 方面 聚集了大量的 高 价值专利 。 可见市场对于轮毂电机的稳定性、和轮毂电机对汽车操纵性带来的影响非常重视。 （如图8， 其中绿色标签代表高价值专利；蓝色标签代表专利许可；红色代表专利诉讼 ）
图 8 轮毂电机技术专利地图 （来源：智慧芽英策专利分析系统）
参考文献：
[1] 刘春晖.(2021).浅谈电动汽车驱动系统的结构及分类. 汽车实用技术 (16),11-13. doi:10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.016.005.
[2] 尹彦秋 & 张俊深.(2021).纯电动汽车驱动系统的技术现状与发展趋势. 内燃机与配件(17),215-217. doi:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2021.17.099.
[3] 孟庆思,陈川 & 李宏伟.(2021).电驱动系统产业发展现状和趋势研究. 汽车实用技术 (09),222-224+230. doi:10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.09.067.
[4] 李勇,徐兴,孙晓东,江浩斌 & 曲亚萍.(2017).轮毂电机驱动技术研究概况及发展综述. 电机与控制应用 (06),1-7+18. doi:CNKI:SUN:ZXXD.0.2017-06-001.
[5] 方红燕,门峰 & 岳思含.(2021).轮毂电机产业化风险与投资策略研究. 汽车工业研究(02),31-34. doi:CNKI:SUN:CCGY.0.2021-02-008.