电动车轮边驱动系统的发展2007-3-9 9:16:21 来源: 上海汽车 编辑:
一、前言 电动汽车在节能、环保和性能上具有传统汽车无法比拟的优势，是社会经济利益和能源、环保要求共同作用下的产物，已经成为世界公认的新能源汽车发展的主流。广义上讲，电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和电电混合电动汽车。混合动力汽车无论采用油电混合还是气电混合，根本特点是热机和电动机在动力层次的混合。电电混合的根本特点在于电能转化元件与电储能元件在能源层次的混合。目前，油电混合动力汽车已经成功实现商品化，电电混合动力汽车，尤其燃料电池和动力蓄电池/超级电容的电动汽车正成为向未来氢能经济过渡的首选载体，研发力度不断加大，加速实现产业化。 图1给出了各种典型电动车的电机驱动方案。对比分析得到，基于轮毂电机驱动型式电动车尤其是4轮轮边驱动电动车不需要变速器、差速器、球型万向节、半轴等部件，其电机（电机＋减速机构）直接放在轮辋里面，从而结构紧凑且车身内部空间利用率高，整车重心降低，车辆行驶稳定图1 典型电动车电机驱动方案性提高；传统车辆内燃机输出能量的约10%在车轮传递过程中损失，轮边驱动系统由于动力传动链短（或者直接驱动车轮），而且能够通过能源管理和动力系统控制策略优化驱动、制动力分配，因而驱动系统效率高，降低能源消耗，提高了车辆燃油经济性；与内燃机、集中电机驱动车辆相比，轮边驱动电动车每个车轮通过轮毂电机快速进行驱动力和制动力的控制，大大改善车辆的行驶动力学性能，容易通过电机控制技术实现ABS、TCS及ESP功能；在4轮轮边驱动电动车上导入线控4轮转向技术，可提高车辆转向行驶性能，并有效减小转向半径，甚至零转向半径，大大增加转向灵便性;可以省略机械制动系统，实现电机制动；容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。
但由于轮毂电机的引入，整车的非簧载质量显著增加（一般增加约15kg） ，而且由于电机力矩波动直接作用车轮（或者经过减速机构），在特定大扭矩转速区间，容易引起悬架前后方向的共振;与集中电机和传统内燃机相比，轮边驱动系统电机重心位置低，且存在相互旋转表面，因此密封困难，整车涉水能力不强；轮边驱动系统的轮毂电机一般只经过轮胎一级减振，系统对电机允许最大振动加速度要求大，疲劳寿命要求高；由于轮毂电机转子构成了车轮的转动惯量，影响了车辆的加速性能。相比而言，轮边驱动电动车具有独特的优势，这也是国内外各大汽车生产商和研究机构热衷于此的一个重要原因，自20世纪初保时捷开发第一辆轮边驱动电动车以来，由于驱动电机及控制技术进步，悬架设计理论的成熟，轮边驱动系统在轻量化、一体化、高效率化取得很大进步。 二、轮边驱动系统研究现状 轮边驱动电动车具有集中电机驱动电动车和传统电动车无法比拟的优点，被认为是未来燃料电池汽车高端车辆的理想选择，世界上多家汽车公司和研究机构在进行轮边驱动电动车的研究。 在日本，以日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组、普利斯通公司、三菱汽车公司、丰田汽车公司、本田汽车公司为主要代表。在过去的十几年中，以轮边驱动电动车为研发目标，至今已试制了6种不同型式的样车。1991年与东京电力公司共同开发的4座电动汽车IZA，采用Ni2Cd电池为动力源，以4个额定功率为6.8kW、峰值功率达到25kW 的外转子式永磁同步轮毂电机驱动， 最高速度可达176km /h；1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了采用轮边驱动系统的后轮驱动电动汽车ECO，该车的轮边驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6.8kW，峰值功率为20kW，并匹配一行星齿轮减速机构；2001年，该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车KAZ。该车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统，安装了8个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度可以达到311km /h。KAZ的轮边驱动系统采用高转速、高性能内转子型电动机，其峰值功率可达55kW， 0～100km/h 加速时间达到8s。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求， KAZ的电动轮系统匹配了一行星齿轮减速机构，2004年，该小组又推出了电动车Eliica，该车采用8个轮毂电机直接驱动，0～60km/h加速时间仅为4s，最高车速达到370km/h，在良好工况下甚至可以达到400km/h。丰田汽车公司一直致力于轮边驱动电动车的开发，2003年东京车展上，丰田公司推出的燃料电池概念车FINE-X采用4轮轮边驱动技术；2006年4月的美国纽约汽车展上，丰田公司又推出4轮轮边驱动电动车F INE2T。日本三菱公司于2005年推出了后轮轮边驱动电动车Colt EV，并致力于4轮轮边驱动车Lancer Evolu2tionM IEV的开发，通过将制动器置于电机内部，提高了车轮轮辋内部空间的利用效率，该轮边驱动系统采用外转子永磁电机，最大功率达到50kW，最大转矩为518Nm，电机尺寸为445mm（直径）×134mm。普利斯通开发的动态吸振轮边驱动系统由外转子型的第二代发展到内转子型的第三代，整体尺寸更小，可适合轮辋尺寸在35.56cm（14英寸）以上的轮边驱动系统，而且电机本体质量仅为第二代的60%。本田汽车公司在其燃料电池车FCX开发上，驱动系统采用3个电机实现，其前轮采用集中电机，单个功率达到80kW，两后轮分别采用轮边驱动系统，单个轮毂电机功率达到25kW。本田汽车公司在其燃料电池车FCX开发上，驱动系统采用3个电机实现，其前轮采用集中电机，单个功率达到80kW，两后轮分别采用轮边驱动系统，单个轮毂电机功率达到25kW，而且本田公司有意在未来3～4年内实现该燃料电池车的产业化。 在欧洲，法国TM4公司设计的一体化轮边驱动系统采用外转子式永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分，并且电动机转子外壳集成为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电动机外壳上，省却制动鼓的结构，减小了轮边驱动系统的质量，集成化设计程度相当高。该轮边驱动系统所使用的永磁无刷直流电动机的性能非常高，其峰值功率可达到80kW，峰值扭矩为670Nm，最高转速为1385r/min，额定功率为18.5kW，额定转速为950r/min，额定转矩为180Nm额定工况下的平均效率可达到96.3%。标致雪铁龙汽车公司也一直致力于轮边驱动电动车，开发的4轮轮边驱动电动车quark，其电机与车轮轮辋一体化设计，单个车轮最大驱动力矩达到102.2Nm，0～48km/h加速时间为6.5s。大众奥迪公司也推出相应的采用4轮轮边驱动概念车R-zero，通过800V电压的锂电池与轮边驱动系统的结合，该车的0～100km/h加速时间为2.9s。西门子公司开发的ecorner将车轮部件、轮毂电机、主动悬架和楔块制动器全部集成到车轮轮辋里面。英国贝姆勒公司在最近英国汽车展上展示的4轮轮边驱动电动车MINIQED，4个车轮均采用贝姆勒开发的永磁无刷电机驱动，单个电机转矩达到750Nm，可以实现4轮独立驱动，0～100km/h加速时间仅为4.4s；车上另备2缸发动机，因此可以不需充电；制动系统采用电制动系统，无机械制动系统，通过电机实现驱动防滑和制动防抱死功能，并且能够回收大部分制动回馈能量。 美国通用汽车公司2001年试制的全新线控4轮驱动燃料电池概念车Autonomy采用轮边驱动形式，于2005年推出后轮采用轮边驱动系统的燃料电池电动车Sequel，图2给出了sequel燃料电池车的底盘系统示意图，该车前端采用集中电机驱动，后轮采用两个轮毂电机驱动，3个电机总功率达到110kW，续驶里程达到500km。此外，通用公司开发的雪佛兰S-10 4缸混合动力皮卡，在两个后车轮内分别安装一台轮毂电机，产生的扭矩相当于一般V6发动机的扭矩，比雪佛兰S-10 4缸皮卡高出60%。安装在车轮轮毂内的2台电机分别给每个车轮增加约15kg的重量，却可以产生约25kW的功率。
澳大利亚国立科学机构CSIRO与悉尼科技大学共同开发的一体化轮边驱动系统，如图3，应用于三轮太阳能电动车Aurora，通过车轮轮辋和电机本体的一体化设计，最高车速达到72km/h。
我国在该领域的研究相对落后，但是近几年随着国家“863”计划电动汽车重大课题研究的深入，及对轮边驱动系统认识的加深，各高校、公司也加强对该类新型驱动系统的研究。同济大学汽车学院在2002～2005年相继推出了独立研制的采用轮边驱动系统的微型电动车“春晖”系列，该车均采用4个低速永磁直流无刷轮毂电机直接驱动，匹配相应的盘式制动器（图4）。哈尔滨工业大学-爱英斯电动汽车研究所研制开发的EV9621型电动汽车也采用了轮边驱动系统，轮毂电机的额定功率达到6.8kW，峰值功率为15kW，采用风冷散热系统以及盘式制动器，是一种典型的外转子型电动轮结构型式。深圳比亚迪公司开发的4轮轮边驱动电动概念车ET，其单个永磁同步轮毂电机功率达到25kW，0～100km/h加速时间8.5s。
二、轮边驱动系统结构形式 轮边驱动系统作为轮边驱动电动车的核心部件，成为该类型电动车的研究热点。常见轮边驱动系统通常由轮毂电机、减速机构、制动器与散热系统等组成，其结构形式主要分两种：一种是基于内转子型轮毂电机的轮边驱动系统；另一种是基于外转子型电动机的轮边驱动系统，目前基于内转子型轮毂电机的轮边驱动系统采用高转速范围、低转矩特性的电动机，为了满足车轮实际的转速要求，通常需匹配一个相应的行星齿轮减速机构，基于外转子型轮毂电机的轮边驱动系统则采用低转速、高转矩特性的轮毂电机。 特殊结构形式的轮边驱动系统除轮毂电机、减速机构、制动器与散热器外，还可能包括电机用弹性元件、阻尼元件、直线状导向机构、传动轴，弹性十字销、短半轴、缓冲块等部件中的一种或几种。三菱公司开发的一种特殊形式轮边驱动系统，电机结构采用空心轴环状结构，制动器内置轮毂电机的内定子里面，图5给出了brigestone公司开发的采用动态吸振形式轮边驱动系统，电机呈环状结构，内侧作为备有线圈的定子，外侧作为备有永磁铁的转子，定子和转子之间设有直径400mm的大直径滚珠轴承，通过将电机质量转换为吸振器质量，不仅可以直接降低非簧载质量，而且还可以利用分离出来的电机质量进行吸振。图3中太阳能电动车Aurora采用一体化轮边驱动系统结构。
另外，通过电机选型、电机安装位置改变，出现了短半轴型、盘式半轴型等轮边驱动系统。 轮边驱动系统的制动器与传统内燃机汽车的制动器基本相似，鼓式、盘式制动器在轮边驱动系统上均可以采用。由于轮毂电机具有制动能回馈功能，轮边驱动系统制动器容量的设计可以适当减小：目前多数轮边驱动系统采用风冷式散热方式，也有采用水冷、油冷方式对电机、制动器等发热部件进行降温、散热，确保系统的高效、可靠。 三、轮边驱动系统的发展展望 采用轮边驱动系统的电动车可以把车轮附近的车架变得低平，也可以使空间有效利用且减轻整车重量等。但是，将轮毂电机引入车轮，并且构成非簧载质量的主体，使车辆的行驶性能尤其是车辆的垂向性能发生了很大变化，这是制约该类型电动车一个重要难题，直接影响了轮边驱动电动车的推广。 为了满足未来轮边驱动电动车的发展需要，促进该类型电动车的广泛应用，开发高效、低成本、适用的轮边驱动系统是未来该类型电动汽车亟需解决的问题。随着新材料、新技术、新工艺的突破，未来轮边驱动系统改善整车垂向性能、提高行驶安全性将向以下几个方向发展。 （一）轮边驱动系统新方案研究 通过与不同驱动源的组合，轮边驱动系统可以应用在不同形式的电动车上，驱动方案有多种形式，具体可以分为4轮轮边驱动型、2常规驱动轮＋2轮边驱动轮、2 前轮短半轴加轮毂电机＋2后轮轮边驱动和短半轴形式。 按照轮边驱动系统的结构特点可以分为常规固态连接型、动态吸振型、短半轴型、盘型等。 常规固态连接型由于受到功率密度、齿槽效应、磁性材料特性和轮辋空间尺寸的限制，提供转矩功率的空间非常有限。 短半轴型由于将轮毂电机悬置于车身上，从而转化为簧载质量，从根源上解决了非簧载质量过大问题，但是由于增加了短半轴及相应连接部件，成本相应增加，传动效率稍微降低，将是未来发展的一个重要方向。 盘型主要采用盘式电机。盘式电机能够将定子转化为簧载质量，因此明显改善车辆的垂向性能，但是由于转子和车轮之间需要一个短半轴，成本增加；同时由于转子和定子之间存在不对中，提高了设计难度。 动态吸振型是最好的选择，直接降低了车轮的非簧载质量，从源头上解决了非簧载质量过大问题，能够很好地降低车轮动载荷均方根值，但是需要特殊形式的电机和弹性阻尼元件，提高了设计难度，增加了成本，同时由于电机转子和车轮一起转动，直接加剧车轮运动不平衡。 选择合适的轮边驱动系统方案，能够明显降低车轮动载荷和车身振动加速度，提高车辆的垂向性能。 （二）轮边驱动系统一体化、轻量化设计 解决非簧载质量过大最根本的方法就是从根源上进行解决。保时捷公司于1900 年推出的轮边驱动系统一体化设计思想将会成为轮边驱动系统设计的重要指导思想，TM4、Aurora等车辆的一体化电动轮是一个很好的例证，随后出现了如三菱Lancer EvolutionM IEV、TM4、Aurora等一体化轮边驱动系统，这些轮边驱动系统的功率密度明显高于常规结构轮边驱动系统。镁合金、铝合金、钛合金、复合材料等更多的轻质高强度材料也会应用到轮边驱动系统中去。 （三）横向磁通电机的广泛应用 传统电机设计建立在径向磁场基础上，国际电机工程界所关注的盘式永磁同步电机和Weh氏横向磁场永磁同步电机也开始在电动汽车上使用，这两种电机的主要优点是功率密度高。 利用新的永磁材料，对传统轮毂电机结构进行优化，提高了其功率密度和转矩密度，减轻了轮边驱动系统的质量，提高了车辆的垂向性能。但由于传统电动车用永磁电机的定子齿槽在同一平面内，增加安置绕组所需的槽面积与增加导磁所需的齿宽存在矛盾，很难进一步提高电机的转矩密度，而横向磁通电机（TFPM， Transverse Flux Permanent Magnet Machine）不存在相互制约关系，可以独立选取，使提高转矩密度成为可能，而且TFPM特别适合于低速大转矩、大功率直接推进装置。虽然目前主要应用在军舰，但是随着电动汽车的开发，TFPM将会在电动汽车上获得广泛的应用。太阳能车“Aurora”的一体化车轮中即采用了TFPM，该电机横向磁场电机的功率密度达到0.217kW/kg |
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