淺談輪轂電機驅動方案在電動汽車上的應用

王慧波

摘 要：隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴重，電動汽車是未來汽車行業(yè)的發(fā)展核心。介紹了現代電動汽車的驅動方案，闡述了電動車采用輪轂電機驅動技術的優(yōu)勢，指出電動汽車用輪轂電機驅動的關鍵技術和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：電動汽車；輪轂電機；應用研究；發(fā)展趨勢

引言

近年能源和環(huán)境對人類生活和社會發(fā)展的影響越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲日益高漲。因此，各種電動汽車作為低污染、節(jié)能環(huán)保的新型車，已經成為汽車行業(yè)新秀，而新能源車型的驅動技術和傳統(tǒng)內燃機汽車有著截然不同的結構，其中輪轂電機驅動系統(tǒng)具有很大的發(fā)展前景。日系廠商對乘用車所用的輪轂電機技術研發(fā)開展較早。通用、豐田在內的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。國內也有自主品牌汽車廠商開始研發(fā)此項技術，奇瑞瑞麒X1增程電動車就采用了輪轂電機技術。因而電動輪轂電機技術成為未來電動汽車的發(fā)展方向。采用輪轂電機技術的福特F-150將汽車所有傳動部件通通舍棄不用，大量簡化了汽車結構。

1 電動汽車的驅動方案

1.1 差速半軸驅動方案

該方案與傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機驅動方案的區(qū)別在于將汽車的發(fā)動機轉換成電動機和相關電子器件。驅動力由一臺電動機提供來驅動車輛的兩側車輪。這種布置形式的電動車，操作方式與傳統(tǒng)汽車相同，電動機控制器接收加速踏板信號、制動踏板信號、PDRN即停車、倒車、空檔、前進信號控制電動機旋轉，通過機械傳動裝置驅動左右兩側車輪。該汽車保留了機械部件包括變速器、傳動軸和半軸等部件，優(yōu)點是技術較成熟，有利于集中精力匹配電動汽車動力系統(tǒng)；缺點是效率較低，滿足不了電動汽車的動力性能的要求。

1.2 電動輪驅動技術

電動輪驅動方案其主要特點是取消了差速器和半軸，將行星減速器與電動機制造為一體，組合為一個電動輪，輪胎直接安裝在車輪上。

電動輪技術作為電動車的一個發(fā)展方向，也受到汽車開發(fā)商的關注。電動輪驅動方案是集電動機、傳動機構、制動器為一體的驅動部件，是一種獨特的驅動單元。使用電動輪技術的電動車不占用車身和底盤的空間，擴大了汽車駕駛員和乘車員的空間，車輛的底部空間用來安裝電池，使整個車輛的總體布置得到了很大的簡化，綠色環(huán)保，傳動效率高。

該驅動技術需要改進的技術也包括很多：需要優(yōu)化輪邊獨立電驅動系統(tǒng)結構，研發(fā)一體化程度更高的電動輪模塊；需要研究開發(fā)輪邊減速式電動輪結構模塊；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的動力學特性；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的耐用性試驗方法和評價標準。

1.3 輪轂電機驅動技術

輪轂電機是電動汽車研究開發(fā)的一個熱點，也是解決能源和環(huán)境問題的一種有效手段。輪轂電機安裝在車輪的輪轂內，省略了中間的機械傳動部件離合器、減速器、傳動橋等，電動汽車的輪轂電機驅動系統(tǒng)接受蓄電池的電能，由電機直接驅動車輪，驅動電動汽車行駛，大大簡化了整車結構，提高了傳動效率。由于取消差速器，因此對驅動電機轉矩與轉速的控制是研究重點，其差速控制技術直接影響輪轂電機式電動汽車的發(fā)展?，F代汽車大部分輪轂電機都采用了永磁材料。伴隨著現代控制理論、電子技術和永磁電機優(yōu)化設計技術的迅速發(fā)展，輪轂電機驅動技術也逐漸成熟，應用在各個電動車領域。

2 電動車用輪轂電機驅動技術的特點分析

2.1 方案優(yōu)勢

2.1.1 結構簡單，電動機永磁化。傳統(tǒng)車輛，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器件不但重量不輕、讓車輛的結構更為復雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。輪轂電機驅動通過電子線控技術，實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速控制，省略了傳統(tǒng)機械結構，結構簡單，為乘員騰出更大的空間。采用永磁化技術的電機具有效率高、比功率大、功率因數高、可靠性高和便于維護等優(yōu)點；采用矢量控制的變速調速系統(tǒng)，可使永磁電動機具有寬廣的調速范圍。

2.1.2 可實現智能化和集成化。隨著微電子及計算機技術，采用輪轂電機，以及電子轉向線控技術、智能控制技術，各車輪的驅動力直接獨立可控，將使系統(tǒng)結構更加簡單、響應更加迅速，抗干擾能力加強，以此大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。因此無論是前驅、后驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現轉速變化和轉向變化，全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。采用電子線控先進技術，線控四輪轉向技術，實現左右車輪的不同轉速和差動轉向，大大減小車輛的轉彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向，對于特種車輛也很有價值。電動汽車驅動控制器的開關器件、電路、控制、傳感器等等集成在一塊高度集成的電路板，可以有效減小體積和重量。

2.1.3 采用多種新能源技術。純電動和燃料電池電動車、增程電動車，都可以用輪轂電機作為主要驅動力；同時，新能源車的很多技術，比如制動能量回收系統(tǒng)、電磁制動系統(tǒng)、蓄電池技術，甚至混合燃料汽車也可以很輕松地在輪轂電機驅動車型上得以實現。可見輪轂電機的使用是非常廣泛，是適合各種汽車的。

2.2 方案劣勢

2.2.1 增大簧下質量和輪轂的轉動慣量?，F代汽車發(fā)展，為了滿足輕量化，采用鋁合金等一些輕量化的復合材料來制作懸架系統(tǒng)的零部件，這樣可以減輕懸架簧下質量，提高懸掛的響應速度。由于輪轂電機本身結構的重量，采用輪轂電機的懸架系統(tǒng)反而較大幅度地增大了簧下質量，同時也增加了輪轂的轉動慣量，進而導致車輛的操控性能更加不穩(wěn)定，此方面的技術也是有待改進和提高。

2.2.2 電制動性能有限。一般電動車采用電制動，輪轂電機驅動的車輛，由于輪轂電機系統(tǒng)的電制動容量較小，整車制動性能不夠，需要附加機械制動系統(tǒng)。但是對于普通電動乘用車，沒有了發(fā)動機驅動的真空助力泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗，如果要確保制動系統(tǒng)的效能，制動系統(tǒng)消耗的能量又會影響電動車續(xù)航里程，因此蓄電池的容量技術也是一瓶頸。此外，輪轂電機工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。如果能在工程上解決這些難題，輪轂電機驅動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。

3 輪轂電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

電動汽車已經得到了蓬勃的發(fā)展，但要完全替代傳統(tǒng)汽車還有很長的一段路要走。目前，國內外對電動車電機驅動系統(tǒng)的研究都很多，主要集中在新型電動機的應用、電機驅動系統(tǒng)控制策略的改進這兩個方面。輪轂電機需要解決技術問題，提高輪轂電機與驅動器功率，電動輪驅動與制動實用控制技術，提高輪轂電機可靠性和耐久性，減輕輪轂電機質量。隨著電氣技術和電子技術，以及控制新技術的發(fā)展和突破，電動機性能的不斷提高，以及電池技術、動力控制系統(tǒng)和整車能源管理系統(tǒng)等相關技術的突破，輪轂電機也將在電動汽車上取得更大的成功。車用輪轂電機技術及其控制技術向永磁化、智能化、集成化、全數字化方向發(fā)展。

參考文獻

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