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

呂金山 秦滔 文學(xué) 肖建軍

[摘? ? 要]輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于電動(dòng)汽車之上，有著較為優(yōu)良的表現(xiàn)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用在呈現(xiàn)部分問題，例如電動(dòng)汽車生命周期管理、汽車運(yùn)行可靠性等，針對(duì)此類問題對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，加裝冷卻風(fēng)扇、使用電子差速控制系統(tǒng)、控制零部件質(zhì)量等。通過這些技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提升了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用廣度和深度，為電動(dòng)汽車發(fā)展添磚加瓦。

[關(guān)鍵詞]輪轂電機(jī);電差速;電動(dòng)汽車;應(yīng)用分析

[中圖分類號(hào)]U469.72 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Hub Motor Drive System in Electric Vehicle

LV Jin-shan， Qin Tao， Wen Xue， Xiao Jian-jun

[Abstract]Hub motor drive system is applied to electric vehicle， which has a better performance. The application of hub motor drive system presents some problems， such as electric vehicle life cycle management， vehicle operation reliability， etc. in view of these problems， the practical application of hub motor drive system is improved and optimized， such as adding cooling fan， using electronic differential control system， controlling the quality of parts， etc. Through the optimization and improvement of these technologies， the application breadth and depth of hub motor drive system in electric vehicles are further improved， which contributes to the development of electric vehicles.

[Keywords]hub motor; electric differential; electric vehicle; application analysis

輪轂電機(jī)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中表現(xiàn)出了非常明顯的優(yōu)勢(shì)，即占用資源較少、整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可利用空間較大、應(yīng)對(duì)故障能力較強(qiáng)、車輛操控性能好等，并且通過對(duì)此技術(shù)的應(yīng)用，還有效的實(shí)現(xiàn)了電子差速的有效控制。在20世紀(jì)70年代，保時(shí)捷公司研發(fā)出了將輪轂電機(jī)安裝在前車車輪的電動(dòng)汽車，并且還在礦山類型的運(yùn)輸車輛領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。對(duì)于輪轂電機(jī)技術(shù)的研發(fā)，時(shí)間最長(zhǎng)的國(guó)家仍屬于日系廠商。如豐田、通用等國(guó)際汽車巨頭也對(duì)輪轂技術(shù)有效全面的掌握和應(yīng)用。就目前國(guó)內(nèi)汽車而言，也對(duì)輪轂技術(shù)進(jìn)行了有效的研發(fā)和利用。就以福特F-150型汽車而言，其正是因?yàn)椴捎么隧?xiàng)技術(shù)，才將車內(nèi)所有的傳動(dòng)部件全部替換，此種操作促使汽車車身結(jié)構(gòu)得到了大大的簡(jiǎn)化。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究主要內(nèi)容是圍繞著電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制等方面展開的。就目前輪轂電機(jī)來講，其需要在技術(shù)方面進(jìn)行研究，確保汽車卻動(dòng)器的使用功率及輪轂電機(jī)的使用功率都能得到有效的提升。所以，將電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)和制動(dòng)實(shí)用技術(shù)有效的應(yīng)用在汽車研究的相關(guān)領(lǐng)域中，能夠使輪轂電機(jī)技術(shù)的耐久性和可靠性得到有效的提高，使輪轂電機(jī)的質(zhì)量得到最大限度得提高，使其重要得到有效的減輕。在我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和成熟的時(shí)代背景下，輪轂電機(jī)技術(shù)的使用性能會(huì)得到最大限度得提升，并且還有有效突破一些類似于電池技術(shù)以及整車能源管理系統(tǒng)等相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)，從而確保輪轂電機(jī)技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用真正實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化以及集成化的發(fā)展目標(biāo)。

2 輪轂電機(jī)基本類型

輪轂電機(jī)供電系統(tǒng)一般由電機(jī)、減速器、制動(dòng)器和冷卻系統(tǒng)組成，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的類型，輪轂電機(jī)供電系統(tǒng)分為以下兩種基本形式，即內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。

2.1 內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)

轉(zhuǎn)子內(nèi)輪轂高速電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如比功率高、重量輕、體積小、噪聲低、成本低的特點(diǎn);其缺點(diǎn)是必須使用減速器來降低效率，增加空載質(zhì)量，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速受到線圈損耗、摩擦損耗和換檔機(jī)構(gòu)承載能力的限制。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸小，比功率大，轉(zhuǎn)矩控制在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其響應(yīng)極快，外轉(zhuǎn)子直接與車輪連接，無減速機(jī)構(gòu)，效率高。缺點(diǎn)是為了獲得高扭矩，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量，從而導(dǎo)致成本高、加速效率低和噪聲大。

2.2 外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)

由于電機(jī)的電制動(dòng)能力非常的低，對(duì)車輛制動(dòng)所需要的電能是完全不能滿足的，必須要加設(shè)額外的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。單從輪轂電機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)來看其主要分為以下兩種形式，即盤式制動(dòng)器和鼓型制動(dòng)器。但是，因?yàn)槭艿诫姍C(jī)制動(dòng)能力的影響，就需要在進(jìn)行制動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其能力進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?。從目前車輛上的輪轂電機(jī)系統(tǒng)來講，主要以空氣冷卻為主，只有極少數(shù)是通過水和油冷卻的，這些輪轂結(jié)構(gòu)存在一個(gè)相同點(diǎn)以就是結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。

2.3 輪過電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

及時(shí)響應(yīng)的扭矩輸出、簡(jiǎn)化整車布置、通用設(shè)計(jì)，適配性強(qiáng)、適用于不同技術(shù)平臺(tái)、適用于各類車型、易于集成、無須傳動(dòng)軸、無須變速裝置、降低整體項(xiàng)目的上市成本、優(yōu)化整車操控性能、安全可靠。

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電差速可靠性問題

3.1 電子差速模型

本文研究的電子差速器方案是基于轉(zhuǎn)向角、車速和各輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)車速較低且未考慮車輛質(zhì)心側(cè)滑、偏航角、路況和側(cè)風(fēng)條件時(shí)，計(jì)算各輪速度與方向盤輸入角的關(guān)系，建立速度計(jì)算方程，假設(shè)某一時(shí)刻的車輛模型如圖1所示。根據(jù)阿克曼-杰南德模型，車身參數(shù)如下：δin為前內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角;δout為前外輪轉(zhuǎn)向角;L為車身長(zhǎng)度;B為車身寬度;R為轉(zhuǎn)向半徑;Rin為內(nèi)輪轉(zhuǎn)向半徑;Rout為外輪轉(zhuǎn)向半徑;Cin為內(nèi)輪一圈轉(zhuǎn)過距離;Cout為外輪一圈轉(zhuǎn)過距離。

3.2 電子差速策略

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車為雙后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向，只要方向盤控制前輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生一定的速度差，車輛便進(jìn)入轉(zhuǎn)向狀態(tài)。工程中常見的轉(zhuǎn)向策略有3種：①差動(dòng)式。轉(zhuǎn)彎時(shí)，外輪轉(zhuǎn)速增大，內(nèi)輪轉(zhuǎn)速減慢，導(dǎo)致車速和方向不同。②獨(dú)立式。轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速恒定，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速減慢，產(chǎn)生速度差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎。③減速式。兩側(cè)車輪的速度都下降，但內(nèi)側(cè)車輪速度的減小比外側(cè)車輪速度要快，形成速度差導(dǎo)致轉(zhuǎn)向。

差動(dòng)轉(zhuǎn)向策略要求輪轂電機(jī)具有較大的過載能力，這對(duì)電機(jī)及其控制器來說過于苛刻。減速度控制策略對(duì)電機(jī)的要求很少，但安全系數(shù)很高，犧牲了大量的平均車速，不利于車輛的行駛性能。獨(dú)立轉(zhuǎn)向策略可以避免上述兩種轉(zhuǎn)向方式的弊端，實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)向角以滿足系統(tǒng)要求。

3.3 電子差速控制系統(tǒng)

圖2為后兩輪電動(dòng)汽車差速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)車速、兩輪的驅(qū)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)向角3個(gè)參數(shù)的計(jì)算完成的。

本文所設(shè)計(jì)的差速控制系統(tǒng)，其減速/剎車指令、加速指令、轉(zhuǎn)向指令的獲取都是從外部獲取的。駕駛?cè)藛T對(duì)于這些指令的掌控，是通過操作示意圖將這些指令傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車ECU，然后再由電動(dòng)汽車ECU進(jìn)行響應(yīng)。而加速指令、減速指令和剎車指令都是通過位移傳感器獲取的，轉(zhuǎn)向指令是由磁阻角度傳感器所獲取的。而電動(dòng)汽車的狀態(tài)檢測(cè)主要是通過輪轂電機(jī)內(nèi)的霍爾傳感器對(duì)先關(guān)設(shè)備的電路檢測(cè)之后獲得的，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電機(jī)電流等。

4 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輪轂電機(jī)熱管理可靠性

對(duì)于輪轂系統(tǒng)來講，會(huì)長(zhǎng)期處在低速度、高負(fù)荷狀態(tài)中，然而，電機(jī)又是存放在車輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，非常容易出現(xiàn)散熱不及時(shí)和不充分的現(xiàn)象，最終加大車輪被燒毀的現(xiàn)象。同時(shí)，輪轂電機(jī)還會(huì)受到路面積水或者碎石等現(xiàn)象影響，所以其工作環(huán)境是非常不客觀的。如果單從輪轂電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)層面進(jìn)行分析，由于電機(jī)具有良好的密封性，所以輪轂電機(jī)在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷工作后所產(chǎn)生的熱量是很難散發(fā)出去的。因此，加大對(duì)輪轂電機(jī)的散熱和坑卻處理是目前相關(guān)人員必須要認(rèn)真解決的一項(xiàng)課題。對(duì)于電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，設(shè)計(jì)人員主要借助外界風(fēng)能來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的散熱和冷卻，其原理是氣體循環(huán)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的冷卻。在設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員主要是通過對(duì)冷卻風(fēng)扇的使用，將其安裝在輪轂內(nèi)，通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)來達(dá)到散熱的目的。此項(xiàng)設(shè)計(jì)必須要在實(shí)際車輛進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)，安裝冷卻風(fēng)扇的車輛比不安裝冷卻風(fēng)扇的車輛要額外多消費(fèi)2 %～4 %的能量。但可以增強(qiáng)氣流，增加輪口處的氣體渦流，使電機(jī)達(dá)到更好的散熱效果。在電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮了液體（水）對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，設(shè)置了特殊的冷卻（水）通道，通過與液體的熱交換來冷卻輪轂電機(jī)。綜上所述，輪轂電機(jī)還存在很多問題，例如，高速不穩(wěn)定、彈簧下質(zhì)量大、在高密封環(huán)境中散熱困難、制動(dòng)器集成問題、需要優(yōu)化能源管理等。但由于技術(shù)問題較多，如果沒有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，突破會(huì)非常緩慢。筆者認(rèn)為，小型化低速電動(dòng)汽車對(duì)上述問題的敏感性不高，所以批量應(yīng)用的突破可以從此領(lǐng)域下手，也可為輪轂電機(jī)在高速汽車上的應(yīng)用積累技術(shù)和資源。

5 輪轂電機(jī)非簧載質(zhì)量的減少

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和制動(dòng)器必須集中在車輪上，如果沒有有效的應(yīng)對(duì)措施，會(huì)增加車輛的空載質(zhì)量和垂直振幅。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的方向影響輪胎的附著性能，不利于車輛的控制，也降低了車輛的乘坐舒適性。當(dāng)電機(jī)置于車輪上時(shí)，其會(huì)承受巨大的道路沖擊載荷。因此，研究降低輪轂電機(jī)非彈簧載荷的方法，可以指導(dǎo)電動(dòng)輪的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和理論分析。將未加載質(zhì)量轉(zhuǎn)換為特定類型電機(jī)的加載質(zhì)量。通過使用由電機(jī)質(zhì)量組成的減振器來控制彈簧未加載質(zhì)量所引起的垂直振動(dòng)的負(fù)面影響。改變彈簧上質(zhì)量與非彈簧上質(zhì)量之比。盤式電機(jī)由兩個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成，兩個(gè)定子固定在底盤上形成彈簧質(zhì)量，轉(zhuǎn)子與車輪相連，促使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，只有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分位于車輪上。與發(fā)電機(jī)在車輪上的總布置相比，發(fā)電機(jī)布置減少了彈簧外質(zhì)量。然而，這種驅(qū)動(dòng)方式帶來了新的問題，即地面對(duì)車輪的沖擊直接傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，從而不斷改變發(fā)電機(jī)氣隙寬度，影響發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出。

6 結(jié)束語

在汽車行業(yè)中有效應(yīng)用輪轂電機(jī)技術(shù)，一方面，能夠使汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的整體效率得到全面的提高;另一方面，還能促使機(jī)械傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到有效的簡(jiǎn)約化，從而實(shí)現(xiàn)減輕汽車重量、降低研發(fā)成本和減小附加損耗的目的，使電動(dòng)汽車中的各項(xiàng)性能指標(biāo)都能夠得到有效提高和使用保障。

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