電動汽車輪轂電機系統(tǒng)研究進展

1、電動汽車輪轂電機系統(tǒng)研究進展作者：王成 張立軍 繆維佳 余卓平 來源：清潔汽車技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展論壇 時間：2008/01/081 引言全世界的汽車保有量和使用量巨大，而且增長迅速。21世紀，人類將面臨嚴峻的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，研究開發(fā)節(jié)能、環(huán)保和安全的汽車是實現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中，電動汽車以其在使用過程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于實現(xiàn)智能化控制等方面的技術(shù)優(yōu)勢備受重視，呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。在電動汽車諸多電力驅(qū)動系統(tǒng)型式中，采用輪轂電機系統(tǒng)的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式正日益成為發(fā)展方向，而輪轂電機系統(tǒng)作為關(guān)鍵總成成為電動汽車領(lǐng)域的研究重點和研究熱點。本文在綜合大量文獻的基礎(chǔ)上，針對輪轂

2、電機系統(tǒng)的研究進展進行了綜合分析。論文闡述了輪轂電機系統(tǒng)的概念，回顧了輪轂電機及其在電動汽車上研究和應(yīng)用歷史，對比分析輪轂電機的結(jié)構(gòu)型式、電機應(yīng)用類型以及性能特點，在剖析輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式對整車性能的積極和消極影響的基礎(chǔ)上總結(jié)出輪轂電機系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題。2 輪轂電機系統(tǒng)的概念與應(yīng)用領(lǐng)域輪轂電機系統(tǒng)是本文提出的概念。通常，人們稱其為輪轂電機，也有的研究者稱其為輪式電機、車輪電機或者電動輪，英文名稱以“in-wheel motor”居多，也有稱“wheel motor”和“wheel direct drive motors”的。實際上，以上稱謂嚴格來說都是不準確的。“輪轂電機、輪

3、式電機和車輪電機”都側(cè)重于電機，而“電動輪”側(cè)重于車輪。若從系統(tǒng)觀點出發(fā)，我們所指確切應(yīng)為驅(qū)動電機和車輪緊密集成而形成的一體化的多功能系統(tǒng)，即為“integrated motor and wheel system”。為了方便起見，本文對已經(jīng)被工程界廣泛應(yīng)用的“輪轂電機”和“in-wheel motor”稍作修改，以“輪轂電機系統(tǒng)”和“in-wheel motor system”作為中英文稱謂。輪轂電機系統(tǒng)在各種交通工具中都有應(yīng)用，如圖1所示。不同的應(yīng)用場合對輪轂電機的結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)性能等都提出了不同的要求，相應(yīng)的產(chǎn)生了各種輪轂電機系統(tǒng)及其特色技術(shù)。本文的主要研究對象是汽車用輪轂電機系統(tǒng)。 圖1

4、 輪轂電機系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域3 輪轂電機系統(tǒng)的發(fā)展歷史輪轂電機系統(tǒng)的誕生可以一直追溯到電動汽車誕生的初期，而輪轂電機在電動汽車上的廣泛應(yīng)用主要集中在近幾年的概念車上。最早見諸于文獻的有關(guān)輪轂電機及其應(yīng)用來自于著名汽車公司保時捷的創(chuàng)始人保時捷（f. porsche）。1900年，保時捷研制了兩個前輪裝備輪轂電機的前輪驅(qū)動雙座電動汽車，并在電動汽車比賽中取得了最好的成績。圖2所示為保時捷研制的輪轂電機驅(qū)動電動汽車。值得引起注意的是，保時捷在1902年就研制出了采用發(fā)動機和輪轂電機的混合動力汽車，取得山地汽車拉力賽的好成績。1910年，保時捷研制了軍用陸地列車，最前面的機車裝備發(fā)動機和發(fā)電機，后面的10

5、輛列車利用輪轂電機驅(qū)動（圖3）。可以說，保時捷是基于輪轂電機的電動汽車和混合動力汽車之父。 圖2 保時捷研制的輪轂電機純電動汽車 圖3 保時捷研制的輪轂電機混合動力電動汽車 20世紀50年代，美國人羅伯特發(fā)明了電動汽車輪轂，并申請了專利。1968年這種輪轂被通用電器公司應(yīng)用在大型礦用自卸車上。采用輪轂電機的電動汽車具有一個明顯的優(yōu)點，就是可以采用采用扁平的車架結(jié)構(gòu)，因此在需要頻繁上下車的城市公共交通客車上大量應(yīng)用。圖所示為許多汽車公司研制的低車架和低地板公交車上應(yīng)用的輪轂電機結(jié)構(gòu)。輪轂電機系統(tǒng)驅(qū)動作為電動汽車的一種重要驅(qū)動形式，得到了各大汽車廠商和組織的重視。自90年代起，日本就推出了一系列輪

6、轂電機系統(tǒng)驅(qū)動的電動汽車，如tepco的iza，nies的eco，luciole等等，最近又有三菱的colt、lancer evolut miev，本田的fcx concept等新車型。通用自2002年開始推出的概念車autonomy(自主魔力)、squel采用的都是輪轂電機系統(tǒng)驅(qū)動。與此同時，各大廠商加大了對輪轂電機系統(tǒng)的研發(fā)力度，高性能的新型輪轂電機系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，輪轂電機的門類不斷豐富，性能不斷提高，著名的輪轂電機廠商有加拿大的tm4、美國的wavecrest等。4 輪轂電機的結(jié)構(gòu)型式、電機應(yīng)用類型及特點分析4.1輪轂電機的結(jié)構(gòu)形式輪轂電機動力系統(tǒng)通常由電動機、減速機構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等

7、組成。輪轂電機動力系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。圖4所示為兩種型式輪轂電機的結(jié)構(gòu)簡圖。通常，外轉(zhuǎn)子型采用低速外傳子電機，電機的最高轉(zhuǎn)速在10001500r/min左右，無任何減速裝置，電機的外傳子與車輪的輪輞固定或者集成在一起，車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同。內(nèi)轉(zhuǎn)子型則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，同時裝備固定傳動比的減速器。為了獲得較高的功率密度，電機的轉(zhuǎn)速通常高達10000r/min。減速結(jié)構(gòu)通常采用傳動比在10：1左右的行星齒輪減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速在在1000r/min左右。 圖4 輪轂電機的結(jié)構(gòu)形式高速內(nèi)轉(zhuǎn)子的輪轂電機具有較高的比功率，質(zhì)量輕，體積小，效率高，噪聲小，成本

8、低；缺點是必須采用減速裝置，使效率降低，非簧載質(zhì)量增大，電機的最高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構(gòu)的承受能力等因素的限制。低速外轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小，比功率高，能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩，且響應(yīng)速度快，外轉(zhuǎn)子直接和車輪相連，沒有減速機構(gòu)，因此效率高；缺點是如要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大發(fā)動機體積和質(zhì)量，因而成本高，加速時效率低，噪聲大。圖所示為兩種結(jié)構(gòu)形式的輪轂電機。這兩種結(jié)構(gòu)在目前的電動車中都有應(yīng)用，但是隨著緊湊的行星齒輪變速機構(gòu)的出現(xiàn)，高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式驅(qū)動系統(tǒng)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。輪轂電機動力系統(tǒng)由于電機電制動容量較小，不能滿足整車制動效能的要求，通常需要附加機械

9、制動系統(tǒng)。輪轂電機系統(tǒng)中的制動器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或者盤式制動器。由于電動機電制動容量的存在，往往可以使制動器的設(shè)計容量可以適當(dāng)減小。大多數(shù)的輪轂電機系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進行冷卻，也有采用水冷和油冷的方式對電機、制動器等的發(fā)熱部件進行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4.2電機應(yīng)用類型與特點分析輪轂電機系統(tǒng)的驅(qū)動電機按照電機磁場的類型分為徑向磁場和軸向磁場兩種類型。對比如下：（1）軸向磁通電機的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵心；（2）徑向磁通電機定轉(zhuǎn)子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術(shù)更簡單成熟。輪轂電機的電機類型分為永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式。其特點如下：（1）感應(yīng)（異步）電機結(jié)構(gòu)

10、簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高；缺點是驅(qū)動電路復(fù)雜，成本高，相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低；（2）無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，已在國內(nèi)外多種電動車輛中獲得應(yīng)用；（3）開關(guān)磁阻式電機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性好等特點，適用于電動汽車驅(qū)動；缺點是設(shè)計和控制非常困難和精細，運行噪聲大。5 國內(nèi)外典型輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)日本慶應(yīng)義塾大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以基于輪轂電機的全輪驅(qū)動電動汽

11、車為研究對象，至今已試制了五種不同型式的樣車。其中，1991年與東京電力公司共同開發(fā)的電動汽車iza，采用ni-cd電池為動力源，采用四個額定功率為6.8kw，峰值功率達到25kw的外轉(zhuǎn)子式永磁同步輪轂電機驅(qū)動，最高時速可達176km/h。1996年，該小組聯(lián)合日本國家環(huán)境研究所研制了采用輪轂電機驅(qū)動的后輪驅(qū)動電動汽車eco，輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)選用永磁直流無刷電動機，額定功率為6.8kw，峰值功率為20kw，并配速比為1：5的行星齒輪減速機構(gòu)。輪轂電機采用機械制動與電機再生制動相結(jié)合的方式，機械制動力矩由鼓式制動器提供，制動力分配規(guī)律的基本原則是不損害制動效能的前提下，盡可能多的回收制動能量，有

12、效延長了續(xù)駛里程。2001年，最新推出了以鋰電池為動力源，采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅(qū)動的電動大轎車kaz，最高時速達到311km/h。kaz的輪轂電機系統(tǒng)中采用高轉(zhuǎn)速的高性能內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動機，其峰值功率可達55kw，提高了kaz的極限加速能力，使其0-100km/h加速時間僅8秒。為了使電動機輸出轉(zhuǎn)速符合車輪的實際轉(zhuǎn)速要求，kaz的輪轂電機系統(tǒng)匹配了一個傳動比為4.588的行星齒輪減速機構(gòu)。kaz的前后輪沒有采用相同型式的制動器，而是前輪采用盤式制動器，后輪采用鼓式制動器。圖5為kaz的前、后輪轂電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2003年日本豐田汽車公司在東京車展上推出的燃料電池概念車fine-n也

13、采用了輪轂電機驅(qū)動技術(shù)。 圖5 kaz一體化輪轂電機系統(tǒng)法國tm4公司設(shè)計制造的一體化輪轂電機結(jié)構(gòu)如圖6所示。它采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動機，將電動機轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相固結(jié)，將電動機外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動機轉(zhuǎn)子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子、輪輞以及制動器三個回轉(zhuǎn)運動物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機系統(tǒng)質(zhì)量，集成化程度相當(dāng)高。該一體化輪轂電機系統(tǒng)的永磁無刷直流電動機的額定功率為18.5kw，峰值功率可達到80kw，峰值扭矩為670nm，額定轉(zhuǎn)速為950rpm，最高轉(zhuǎn)速為1385rpm，而且額定工況下的平均效率可達到96.3%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)愛英斯電動汽車研究所研制開發(fā)

14、的ev96-1型電動汽車也采用外轉(zhuǎn)子型輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)，選用一種稱為“多態(tài)電動機”的永磁式電動機，兼有同步電動機和異步電動機的雙重特性，其額定功率為6.8kw，峰值功率為15kw，集成盤式制動器，風(fēng)冷散熱。 圖6 tm4一體化輪轂電機系統(tǒng)同濟大學(xué)汽車學(xué)院在2002年、2003年和2004年分別推出了采用輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的四輪驅(qū)動燃料電池微型電動汽車動力平臺“春暉一號”和“春暉二號”，兩者均采用四個低速永磁直流無刷輪轂電動機直接驅(qū)動，匹配相應(yīng)的盤式制動器。輪轂電機為外轉(zhuǎn)子型輪轂電機，其外形結(jié)構(gòu)主要考慮與雙橫臂懸架、輪輞及制動盤的連接方便。為了提高輪轂電機的外形通用性，考慮在一定功率范圍內(nèi)的輪轂電

15、機采用相同的外形結(jié)構(gòu)。該輪轂電機既可安裝市售微型汽車制動盤，又能安裝不同規(guī)格摩托車制動盤。因此相同的底盤結(jié)構(gòu)只需更換不同功率的輪轂電機，即可獲得不同的整車動力性能。輪轂電機額定功率0.8kw，峰值功率2.5kw；額定轉(zhuǎn)矩25nm，峰值轉(zhuǎn)矩155nm；額定轉(zhuǎn)速300rpm，最高轉(zhuǎn)速510rpm。其他電動車輛應(yīng)用輪轂電機的情況見表1。表1 輪轂電機及其電動汽車應(yīng)用車型年份來源動力類型電驅(qū)動形式iza1991日本tepco純電動輪轂電機四輪驅(qū)動eco1996日本nies純電動輪轂電機后輪驅(qū)動luciole1997日本nies純電動輪轂電機后輪驅(qū)動kaz2000日本純電動輪轂電機四輪驅(qū)動eliica2

16、000日本keio大學(xué)純電動輪轂電機八輪驅(qū)動autonomy2002通用燃料電池輪轂電機四輪驅(qū)動s-10 改裝2004雪弗萊混合動力輪轂電機后輪驅(qū)動quark2004標致燃料電池輪轂電機四輪驅(qū)動squel2005通用燃料電池輪轂電機后輪驅(qū)動中心電機前輪驅(qū)動colt2005三菱純電動輪轂電機后輪驅(qū)動lancer evolut miev2005三菱純電動輪轂電機四輪驅(qū)動fcx concept2005本田燃料電池輪轂電機后輪驅(qū)動中心電機前輪驅(qū)動cnr-t2/意大利混合動力輪轂電機后輪驅(qū)動ct-miev2006三菱混合動力輪轂電機四輪驅(qū)動6 輪轂電機系統(tǒng)特點分析通常，電動汽車采用集中電機驅(qū)動的動力系統(tǒng)

17、結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式具有以下優(yōu)點：（1）可以沿用內(nèi)燃機動力車的部分傳動裝置，布置在原發(fā)動機艙中，繼承性好；（2）可以采用電機和減速機構(gòu)，乃至控制器的集成結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)緊湊，便于處理電機冷卻、振動隔振以及電磁干擾等問題；（3）整車總布置型式與內(nèi)燃機接近，前艙熱管理、隔聲處理以及碰撞安全性與原車接近或者容易處理。缺點是：（1）傳動鏈長，傳動效率低；（2）通常要求使用高轉(zhuǎn)速大功率電機，對電機性能要求高。分散電機驅(qū)動相對于集中電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點：（1）以電子差速控制技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外車輪不同轉(zhuǎn)速運動，而且精度更高；（2）取消機械差速裝置有利于動力系統(tǒng)減輕質(zhì)量，提高傳動效率，降低傳動噪聲；（3）有利

18、于整車總布置的優(yōu)化和整車動力學(xué)性能的匹配優(yōu)化；（4）降低對電機的性能指標要求，且具有冗余可靠性高的特點。但是，分散電機驅(qū)動方式具有以下缺點：（1）為滿足各輪運動協(xié)調(diào)，對多個電機的同步協(xié)調(diào)控制要求高；（2）電機的分散安裝布置提出了結(jié)構(gòu)布置、熱管理、電磁兼容以及振動控制等多方面的技術(shù)難題。分散電機驅(qū)動通常有輪轂電機和輪邊電機兩種方式。所謂輪邊電機方式是指每個驅(qū)動車輪由單獨的電機驅(qū)動，但是電機不是集成在車輪內(nèi)，而是通過傳動裝置（例如傳動軸）連接到車輪。輪邊電機方式的驅(qū)動電機屬于簧載質(zhì)量范圍，懸架系統(tǒng)隔振性能好。但是，安裝在車身上的電機對整車總布置的影響很大，尤其是在后軸驅(qū)動的情況下。而且，由于車身和車輪之間存在很大的