基于輪轂電機驅(qū)動的電動汽車技術(shù)探討

　　摘要：隨著節(jié)能減排的有關(guān)政策標準相繼出臺，傳統(tǒng)動力汽車逐漸向新能源汽車過渡。后者在機械與電氣結(jié)構(gòu)上明顯比前者相對簡單。通過將電機與電池進行系統(tǒng)整合來替換傳統(tǒng)的發(fā)動機了。然而還有一個最大的問題困擾著電動汽車開發(fā)人員，除了變速箱結(jié)構(gòu)得到了相應(yīng)簡化，傳動系統(tǒng)還是非常復雜。目前，輪轂電機技術(shù)如果能夠完全推廣，將能取代汽車現(xiàn)有傳動系統(tǒng)。

　　一、應(yīng)用背景

　　眾所周知，電池、電機、電控是新能源汽車必備的三大核心部件。當前的新能源汽車，均采用電機驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機械能為汽車提供動力，因此驅(qū)動電機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，集中電機驅(qū)動是電動汽車動力的主要驅(qū)動形式。雖然其優(yōu)點很明顯，即傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的布置相對簡單，但是也存在著一些問題。由于通過這類電機驅(qū)動的新能源汽車存在變速器、離合器、傳動軸等機械傳動部件，使得底盤結(jié)構(gòu)更加復雜，隨之帶來的影響就是乘坐空間十分狹小，而且傳動系統(tǒng)通過機械部件傳遞動力的同時會造成能量的損耗，造成能量利用率低下。

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

　　二、輪轂電機的概念

　　輪轂電機技術(shù)的起源可以追溯到20世紀元年，當時的費迪南德·保時捷在還沒創(chuàng)立PORSCHE汽車公司時就研制出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車。上世紀70年代，輪轂電機技術(shù)運用在礦山運輸車上取得不錯的反響。另外，日本車企在關(guān)于乘用車輪轂電機技術(shù)方面的研究開展相對較早，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該技術(shù)有所涉足。與此同時，國內(nèi)也逐漸誕生出研發(fā)輪轂電機技術(shù)的自主品牌廠商。

　　圖 2 歷史上的輪轂電機汽車

　　輪轂電機，通俗得講就是將金屬輪轂和驅(qū)動裝置直接合并為整體的驅(qū)動電機，換句話說也就是將驅(qū)動電機與傳動制動裝置都合并到輪轂中，俗稱“電動輪”，也叫作輪式電機(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 輪轂電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Protean Drive TM)

　　三、輪轂電機驅(qū)動方式

　　(1)減速驅(qū)動

　　此驅(qū)動方式采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，同時配置了固定傳動比的減速器，功率密度相對較高，該電機的轉(zhuǎn)速最高可達到10k r /min。

　　優(yōu)點: 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行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。

　　缺點: 難以實現(xiàn)潤滑，行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命相對變短，不易散熱，噪聲比較大。

　　(2)直接驅(qū)動

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

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

　　缺點: 在起步、頂風或爬坡等需要承載大扭矩的情況時需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機效率峰值區(qū)域小，負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技術(shù)是日本東洋電機提供，該輪轂電機具有以下特點：逆變器采用 BOOST升壓方案，且為每臺電機由一臺逆變器控制;電機采用永磁同步電機與輪轂的一體方案，保留原有的制動器及減震系統(tǒng);東洋電機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)了動態(tài)減震輪轂電機系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動機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安全性。該公司最新公布的新一代輪轂電機系統(tǒng)的特點如下：輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化，而且減少了系統(tǒng)質(zhì)量; 獨特構(gòu)造的懸掛裝置，電機的懸掛裝置是由直線狀導塊、螺旋彈簧、減震器、緩沖擋塊構(gòu)成，并位于車軸與電機之間，由直線導塊控制電機的上下運動，螺旋彈簧則支承電機的重量，減震器用于減震;電機可靠性的提高，電機應(yīng)用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù)，使得輪轂電機在灰塵與雨水的特殊環(huán)境下具有更高的可靠性。

　　圖 5 輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)(Siemens / Michelin)

　　(3) Protean-E

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

　　圖 6 Protean-E電機裝配圖