轮毂电机驱动系统在电动汽车上的应用探讨

2013-03-01朱剑宝

邯郸职业技术学院学报 2013年3期

朱剑宝

(福建船政交通职业学院汽车运用工程系，福州350007)

1 引言

近年能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨。因此，各种电动汽车作为低污染、节能环保的新型车，已经成为汽车行业新秀，而新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车有着截然不同的结构，其中轮毂电机驱动系统具有很大的发展前景。

轮毂电机技术是新兴的一种电动汽车驱动形式，又称车轮内装电机技术，其具有社会生产资源占用较少;整车结构简洁、可利用空间大;驱动电机分散小型化、故障应对能力强;车辆操控性发展潜力好，并且能通过控制技术实现电子差速控制。20世纪70年代，保时捷公司研发的前轮装备轮毂电机的电动汽车，在矿山运输车等领域得到应用。日系厂商对乘用车所用的轮毂电机技术研发开展较早。通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术，奇瑞瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术。因而电动轮毂电机技术成为未来电动汽车的发展方向。采用轮毂电机技术的福特F-150将汽车所有传动部件通通舍弃不用，大量简化了汽车结构。

2 电动汽车的驱动方案

2.1 差速半轴驱动方案

该方案与传统汽车的发动机驱动方案的区别在于将汽车的发动机转换成电动机和相关电子器件。驱动力由一台电动机提供来驱动车辆的两侧车轮，布置示意图见图1。这种布置形式的电动车，操作方式与传统汽车相同，电动机控制器接收加速踏板信号、制动踏板信号、PDRN即停车、倒车、空档、前进信号控制电动机旋转，通过机械传动装置驱动左右两侧车轮。该汽车保留了机械部件包括变速器、传动轴和半轴等部件，优点是技术较成熟，有利于集中精力匹配电动汽车动力系统;缺点是效率较低，满足不了电动汽车的动力性能的要求。

2.2 电动轮驱动技术

如图2所示，电动轮驱动方案其主要特点是取消了差速器和半轴，将行星减速器与电动机制造为一体，组合为一个电动轮，轮胎直接安装在车轮上。

电动轮技术作为电动车的一个发展方向，也受到汽车开发商的关注。电动轮驱动方案是集电动机、传动机构、制动器为一体的驱动部件，是一种独特的驱动单元。使用电动轮技术的电动车不占用车身和底盘的空间，扩大了汽车驾驶员和乘车员的空间，车辆的底部空间用来安装电池，使整个车辆的总体布置得到了很大的简化，绿色环保，传动效率高。

该驱动技术需要改进的技术也包括很多:需要优化轮边独立电驱动系统结构，研发一体化程度更高的电动轮模块;需要研究开发轮边减速式电动轮结构模块;需要研究路面工况载荷下电动轮模块的动力学特性;需要研究路面工况载荷下电动轮模块的耐用性试验方法和评价标准。

2.3 轮毂电机驱动技术

轮毂电机是电动汽车研究开发的一个热点，也是解决能源和环境问题的一种有效手段。轮毂电机驱动方案如图3所示为，轮毂电机安装在车轮的轮毂内，省略了中间的机械传动部件离合器、减速器、传动桥等，电动汽车的轮毂电机驱动系统接受蓄电池的电能，由电机直接驱动车轮，驱动电动汽车行驶，大大简化了整车结构，提高了传动效率。由于取消差速器，因此对驱动电机转矩与转速的控制是研究重点，其差速控制技术直接影响轮毂电机式电动汽车的发展。现代汽车大部分轮毂电机都采用了永磁材料。伴随着现代控制理论、电子技术和永磁电机优化设计技术的迅速发展，轮毂电机驱动技术也逐渐成熟，应用在各个电动车领域。

3 电动车用轮毂电机驱动技术的特点分析

3.1 方案优势

轮毂电机动力系统作为一种新兴的电机驱动方式，其布置非常灵活，可以根据车辆驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中，可利用空间大，车辆操控性发展潜力大。

这种高度集成的轮毂电机驱动系统，将驱动、减速和驾驶辅助技术所需的零部件，如电机、制动和冷却系统都集成在车轮轮毂内。具体的技术特征和优势，主要有以下几方面:

3.1.1 结构简单，电动机永磁化

传统车辆，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂，同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。轮毂电机驱动通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速控制，省略了传统机械结构，结构简单，为乘员腾出更大的空间。

采用永磁化技术的电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点;采用矢量控制的变速调速系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。

3.1.2可实现智能化和集成化

随着微电子及计算机技术，采用轮毂电机，以及电子转向线控技术、智能控制技术，各车轮的驱动力直接独立可控，将使系统结构更加简单、响应更加迅速，抗干扰能力加强，以此大大提高整个系统的综合性能。因此无论是前驱、后驱还是四驱形式，它都可以比较轻松地实现转速变化和转向变化，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。采用电子线控先进技术，线控四轮转向技术，实现左右车轮的不同转速和差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆也很有价值。电动汽车驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器等等集成在一块高度集成的电路板，可以有效减小体积和重量。

3.1.3采用多种新能源技术

纯电动和燃料电池电动车、增程电动车，都可以用轮毂电机作为主要驱动力;同时，新能源车的很多技术，比如制动能量回收系统、电磁制动系统、蓄电池技术，甚至混合燃料汽车也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。可见轮毂电机的使用是非常广泛，是适合各种汽车的。

3.1.4 开发周期减短

由于采用轮毂电机的汽车整车布局简单化，车身造型设计也比较自由，另外车架的承载功能，传动功能独立考虑，结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，利用数字化设计软件，缩短了新车的开发周期，降低了开发成本。

3.2 方案劣势

3.2.1增大簧下质量和轮毂的转动惯量

现代汽车发展，为了满足轻量化，采用铝合金等一些轻量化的复合材料来制作悬架系统的零部件，这样可以减轻悬架簧下质量，提高悬挂的响应速度。由于轮毂电机本身结构的重量，采用轮毂电机的悬架系统反而较大幅度地增大了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯量，进而导致车辆的操控性能更加不稳，此方面的技术也是有待改进和提高。

3.2.2 电制动性能有限

一般电动车采用电制动，轮毂电机驱动的车辆，由于轮毂电机系统的电制动容量较小，整车制动性能不够，需要附加机械制动系统。但是对于普通电动乘用车，没有了发动机驱动的真空助力泵，就需要电动真空泵来提供刹车助力，但也就意味了有着更大的能量消耗，如果要确保制动系统的效能，制动系统消耗的能量又会影响电动车续航里程，因此蓄电池的容量技术也是一瓶颈。

此外，轮毂电机工作的环境恶劣，面临水、灰尘等多方面影响，在密封方面也有较高要求，同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。如果能在工程上解决这些难题，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。

4 轮毂电机驱动系统的发展趋势

电动汽车已经得到了蓬勃的发展，但要完全替代传统汽车还有很长的一段路要走。目前，国内外对电动车电机驱动系统的研究都很多，主要集中在新型电动机的应用、电机驱动系统控制策略的改进这两个方面。轮毂电机需要解决技术问题，提高轮毂电机与驱动器功率，电动轮驱动与制动实用控制技术，提高轮毂电机可靠性和耐久性，减轻轮毂电机质量。随着电气技术和电子技术，以及控制新技术的发展和突破，电动机性能的不断提高，以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破，轮毂电机也将在电动汽车上取得更大的成功。车用轮毂电机技术及其控制技术向永磁化、智能化、集成化、全数字化方向发展。