輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到逐步提升，對(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)排放的尾氣一直被認(rèn)為是環(huán)境污染的重要來(lái)源，因此使得能源與環(huán)保問(wèn)題長(zhǎng)期成為了汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，其對(duì)汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展也具有一定的制約作用。世界各國(guó)的汽車(chē)公司以及政府都在積極推進(jìn)和研究新能源汽車(chē)的發(fā)展，明確了新能源汽車(chē)的范圍是純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池車(chē)以及插電式混合動(dòng)力車(chē)等。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，輪轂電機(jī)是汽車(chē)的核心組成部件，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，下文將簡(jiǎn)要對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述 ?

縱觀世界新能源汽車(chē)的發(fā)展，歐洲、美國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在新能源汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)形成了較為完善的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈，歐盟計(jì)劃在2020年生產(chǎn)新能源汽車(chē)數(shù)量超過(guò)五百萬(wàn)輛，同時(shí)已經(jīng)下?lián)?4.3億歐元用來(lái)支持新能源汽車(chē)的研發(fā)；此外，日本計(jì)劃在2020年將新能源汽車(chē)的占比提升至50%；我國(guó)工信部在《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出到2020年我國(guó)的新純電動(dòng)車(chē)以及PHEV的市場(chǎng)份額為500萬(wàn)輛，汽車(chē)的電動(dòng)化是大勢(shì)所趨，其核心部件電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)方式在新能源汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

目前在汽車(chē)行業(yè)普遍采用的電機(jī)為輪轂電機(jī)，如圖1所示為輪轂式電機(jī)的外觀圖。輪轂電機(jī)安裝在空間相對(duì)較小的輪轂中，使電機(jī)系統(tǒng)受磁場(chǎng)飽和、路面激勵(lì)以及負(fù)載等因素的影響較為明顯，因此可以嚴(yán)格控制輪轂汽車(chē)的性能。和傳統(tǒng)的集中式汽車(chē)相比較，采用輪轂式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)具有底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、驅(qū)動(dòng)布置靈活、行駛穩(wěn)定性高以及傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，輪轂汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)大大簡(jiǎn)化了其地盤(pán)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了車(chē)內(nèi)的空間，從而增大了車(chē)間利用率，整體車(chē)的布置較為靈活且質(zhì)量分布設(shè)計(jì)自由度較高。對(duì)于輪轂電機(jī)而言，其技術(shù)要求主要為輪轂電機(jī)需要有較高的轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)為了滿足汽車(chē)的快速啟動(dòng)以及加速等動(dòng)作，輪轂電機(jī)需要有較寬的抗過(guò)載能力，同時(shí)在此范圍內(nèi)還需保持較高的頻率，輪轂電機(jī)還需具備在各種惡劣天氣下運(yùn)行的能力，在惡劣環(huán)境下還需保持較高的精度。

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式 ? ? ?

2.1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)

按照輪轂電機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)形式，可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)和外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)兩大類(lèi)，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。內(nèi)轉(zhuǎn)子對(duì)于電機(jī)的要求并不高，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)引入了減速機(jī)構(gòu)，使得輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜從而增加了汽車(chē)的非簧載能力，在學(xué)術(shù)界日本對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的研究較深，日本的重點(diǎn)大學(xué)慶應(yīng)義塾大學(xué)與多家汽車(chē)公司一起合作開(kāi)發(fā)出ECO，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)型號(hào)以及研發(fā)單位如表1所示。

表1 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)參數(shù)

2.2 外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)

外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)不同，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)作為直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的電機(jī)無(wú)需配備減速裝置，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高為2000r/min。和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)相比，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，軸向尺寸更小，而且傳動(dòng)效率更高。

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用 ? ? ?

3.1 電動(dòng)汽車(chē)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)方案主要有傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式，其中傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要以?xún)?nèi)燃?xì)馄?chē)為基礎(chǔ)，采用集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代原有的內(nèi)燃機(jī)和變速器之間的連接，但是傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)僅僅是對(duì)相關(guān)零部件以及系統(tǒng)進(jìn)行替換，對(duì)車(chē)身的空間以及結(jié)構(gòu)等沒(méi)有進(jìn)行改變，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)改造成純電汽車(chē)最快速且簡(jiǎn)便的方式，但是其只適合小批量生產(chǎn)且適合于控制成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新的一種模式。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將電機(jī)設(shè)計(jì)安裝在車(chē)輪的輪轂之中，大大簡(jiǎn)化了車(chē)身空間，簡(jiǎn)化了很多傳統(tǒng)集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)力裝置，提升了車(chē)身的利用空間。

3.2 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

純電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機(jī)是將動(dòng)力、傳動(dòng)以及控制裝置都集中在輪轂中，將車(chē)輛的機(jī)械部分大大簡(jiǎn)化，輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子、微型逆變器、線圈、轉(zhuǎn)子以及車(chē)輪軸承等組成，如圖2為輪轂電電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。輪轂電機(jī)采用的是分電機(jī)結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪轂由八組電機(jī)組成，且每組電機(jī)均有獨(dú)立的逆變器，共享一個(gè)轉(zhuǎn)子，當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)由于某種原因壞掉時(shí)，其余電機(jī)組也能正常的運(yùn)作。輪轂電機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、寬度、直徑、最高繞組溫度、持續(xù)輸入電流、備用功率、電纜尺寸、電極總質(zhì)量、最高輸出扭矩、入口冷卻溫度50℃下的持續(xù)輸出扭矩等。

圖2 輪轂電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性分析

采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有較多優(yōu)良的性能，其動(dòng)力傳動(dòng)的硬件連接改為了軟連接，同時(shí)省略了傳統(tǒng)汽車(chē)所需的離合器以及變速器等裝置，其結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，同時(shí)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪可以直接動(dòng)力可控，動(dòng)力學(xué)更加靈活，在兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有剛性連接，不需要類(lèi)似傳統(tǒng)汽車(chē)那種剛性連接軸承以及機(jī)械差速器，較大程度減小了車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在某些特定的情況下可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的原地轉(zhuǎn)彎以及原地轉(zhuǎn)向，對(duì)于特種車(chē)輛具有較大的價(jià)值，可以更加靈活的協(xié)調(diào)配合各電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)以及機(jī)械復(fù)合制動(dòng)，可有效減少機(jī)械的磨損以及損耗，從而提高傳動(dòng)效率。雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其在技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中也有很多沒(méi)有突破的技術(shù)以及難題，在增大避震彈簧質(zhì)量以及輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí)，對(duì)于密封的要求也較高，在設(shè)計(jì)的原始階段還需要考慮防水以及散熱等問(wèn)題；此外，我國(guó)的輪轂電機(jī)主要核心零部件全部依賴(lài)進(jìn)口，這使得我國(guó)的輪轂電機(jī)的發(fā)展受到一定程度的制約。

4 結(jié)論 ?

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究是未來(lái)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)體系研究的重要方向，對(duì)于促進(jìn)新能源汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展以及環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的作用。但是由于技術(shù)的迭代更新較快，輪轂電機(jī)還有很多需要解決的技術(shù)難題，同時(shí)國(guó)內(nèi)的輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)外相比還有較大的進(jìn)步空間，如果未來(lái)想要大規(guī)模量化生產(chǎn)輪轂電機(jī)需要突破很多技術(shù)難題，只有在技術(shù)上取得成就與進(jìn)步，才能使輪轂電機(jī)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上取得更為廣闊的發(fā)展與應(yīng)用。

審核編輯：黃飛
?