基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車技術(shù)探討

　　摘要：隨著節(jié)能減排的有關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車逐漸向新能源汽車過渡。后者在機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)上明顯比前者相對(duì)簡(jiǎn)單。通過將電機(jī)與電池進(jìn)行系統(tǒng)整合來替換傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)了。然而還有一個(gè)最大的問題困擾著電動(dòng)汽車開發(fā)人員，除了變速箱結(jié)構(gòu)得到了相應(yīng)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)系統(tǒng)還是非常復(fù)雜。目前，輪轂電機(jī)技術(shù)如果能夠完全推廣，將能取代汽車現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)。

　　一、應(yīng)用背景

　　眾所周知，電池、電機(jī)、電控是新能源汽車必備的三大核心部件。當(dāng)前的新能源汽車，均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能為汽車提供動(dòng)力，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)也是新能源汽車的核心技術(shù)之一。

　　圖 1 新能源汽車主要系統(tǒng)架構(gòu)

　　目前，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)汽車動(dòng)力的主要驅(qū)動(dòng)形式。雖然其優(yōu)點(diǎn)很明顯，即傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的布置相對(duì)簡(jiǎn)單，但是也存在著一些問題。由于通過這類電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新能源汽車存在變速器、離合器、傳動(dòng)軸等機(jī)械傳動(dòng)部件，使得底盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，隨之帶來的影響就是乘坐空間十分狹小，而且傳動(dòng)系統(tǒng)通過機(jī)械部件傳遞動(dòng)力的同時(shí)會(huì)造成能量的損耗，造成能量利用率低下。

　　另外，這種傳動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車行駛過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，乘坐人員的舒適性并不能得到保證。國外的專家學(xué)者早年就開展了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)研究，從而優(yōu)化了新能源汽車底盤中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊度、能量利用效率等問題;而國內(nèi)相關(guān)院校和單位針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究尚淺。目前，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在部分新能源汽車上應(yīng)用并取得了較好的進(jìn)展。

　　二、輪轂電機(jī)的概念

　　輪轂電機(jī)技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)元年，當(dāng)時(shí)的費(fèi)迪南德·保時(shí)捷在還沒創(chuàng)立PORSCHE汽車公司時(shí)就研制出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車。上世紀(jì)70年代，輪轂電機(jī)技術(shù)運(yùn)用在礦山運(yùn)輸車上取得不錯(cuò)的反響。另外，日本車企在關(guān)于乘用車輪轂電機(jī)技術(shù)方面的研究開展相對(duì)較早，基本占據(jù)領(lǐng)先地位。豐田和通用等國際汽車巨頭也都對(duì)該技術(shù)有所涉足。與此同時(shí)，國內(nèi)也逐漸誕生出研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù)的自主品牌廠商。

　　圖 2 歷史上的輪轂電機(jī)汽車

　　輪轂電機(jī)，通俗得講就是將金屬輪轂和驅(qū)動(dòng)裝置直接合并為整體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，換句話說也就是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)制動(dòng)裝置都合并到輪轂中，俗稱“電動(dòng)輪”，也叫作輪式電機(jī)(wheel motor)。其內(nèi)部包含了軸承、定子和轉(zhuǎn)子、小型逆變器等。

　　圖 3 輪轂電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Protean Drive TM)

　　三、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

　　(1)減速驅(qū)動(dòng)

　　此驅(qū)動(dòng)方式采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，同時(shí)配置了固定傳動(dòng)比的減速器，功率密度相對(duì)較高，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到10k r /min。

　　優(yōu)點(diǎn): 具有較高的比功率和效率，體積小，質(zhì)量輕;減速結(jié)構(gòu)增矩后使得輸出轉(zhuǎn)矩更大，爬坡性能好; 能保證汽車在低速運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。

　　缺點(diǎn): 難以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命相對(duì)變短，不易散熱，噪聲比較大。

　　(2)直接驅(qū)動(dòng)

　　此驅(qū)動(dòng)方式采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在1.5K r /min 左右，無減速結(jié)構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。

　　優(yōu)點(diǎn): 由于沒有減速機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，軸向尺寸也較前一種驅(qū)動(dòng)形式小，傳遞效率更高。

　　缺點(diǎn): 在起步、頂風(fēng)或爬坡等需要承載大扭矩的情況時(shí)需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機(jī)效率峰值區(qū)域小，負(fù)載電流超過一定值后效率下降很快。

　　四、國內(nèi)外現(xiàn)狀

　　(1)日本三菱

　　三菱公司(Mitsubishi)的MIEV 技術(shù)始于2006年，并應(yīng)用于其 MIEV樣車上。目前該樣車已經(jīng)發(fā)展到了第三代。其中比較有代表性的是 Colt EV 及四驅(qū)跑車(Lancer Evolution MIEV)。其中三菱的輪轂電機(jī)技術(shù)是日本東洋電機(jī)提供，該輪轂電機(jī)具有以下特點(diǎn)：逆變器采用 BOOST升壓方案，且為每臺(tái)電機(jī)由一臺(tái)逆變器控制;電機(jī)采用永磁同步電機(jī)與輪轂的一體方案，保留原有的制動(dòng)器及減震系統(tǒng);東洋電機(jī)方案同樣具有冷卻的問題，采用自然冷卻，且未批量推廣。

　　圖 4 系統(tǒng)示意圖

　　(2)法國米其林

　　Michelin公司開發(fā)了動(dòng)態(tài)減震輪轂電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)和車輪之間增加了一套減震裝置，從而提高了車輛的行駛平順性和主動(dòng)安全性。該公司最新公布的新一代輪轂電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化，而且減少了系統(tǒng)質(zhì)量; 獨(dú)特構(gòu)造的懸掛裝置，電機(jī)的懸掛裝置是由直線狀導(dǎo)塊、螺旋彈簧、減震器、緩沖擋塊構(gòu)成，并位于車軸與電機(jī)之間，由直線導(dǎo)塊控制電機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)，螺旋彈簧則支承電機(jī)的重量，減震器用于減震;電機(jī)可靠性的提高，電機(jī)應(yīng)用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù)，使得輪轂電機(jī)在灰塵與雨水的特殊環(huán)境下具有更高的可靠性。

　　圖 5 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Siemens / Michelin)

　　(3) Protean-E

　　Protean-E 輪轂電機(jī)采用分布式電機(jī)方案，即一體化的電機(jī)中包括8個(gè)共用母線小型永磁電機(jī)，環(huán)形電容旋轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部，逆變器也同樣分為8 組模塊固定在輪轂上，Protean-E的電機(jī)系統(tǒng)散熱采用自然冷卻。

　　圖 6 Protean-E電機(jī)裝配圖