電動汽車輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究進(jìn)展

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1、電動汽車輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究進(jìn)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：2008/01/08 1 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(jì)，人類將面臨嚴(yán)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(jī)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(jī)系統(tǒng)作為關(guān)鍵總成成為電動汽車領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。本文在綜合大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)

2、上，針對輪轂電機(jī)系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合分析。論文闡述了輪轂電機(jī)系統(tǒng)的概念，回顧了輪轂電機(jī)及其在電動汽車上研究和應(yīng)用歷史，對比分析輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、電機(jī)應(yīng)用類型以及性能特點(diǎn)，在剖析輪轂電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題。 2 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的概念與應(yīng)用領(lǐng)域 輪轂電機(jī)系統(tǒng)是本文提出的概念。通常，人們稱其為輪轂電機(jī)，也有的研究者稱其為輪式電機(jī)、車輪電機(jī)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(yán)格來說都是不準(zhǔn)

3、確的。“輪轂電機(jī)、輪式電機(jī)和車輪電機(jī)”都側(cè)重于電機(jī)，而“電動輪”側(cè)重于車輪。若從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，我們所指確切應(yīng)為驅(qū)動電機(jī)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(jī)”和“in-wheel motor”稍作修改，以“輪轂電機(jī)系統(tǒng)”和“in-wheel motor system”作為中英文稱謂。 輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)及其特色技術(shù)。本文的主要研究對象是汽

4、車用輪轂電機(jī)系統(tǒng)。 圖1 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 3 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷史 輪轂電機(jī)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(jī)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(xiàn)的有關(guān)輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和輪轂電機(jī)的混合動力汽車，取得山地汽車?yán)惖暮贸煽儭?910年，保時捷研制了軍用陸

5、地列車，最前面的機(jī)車裝備發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，后面的10輛列車?yán)幂嗇炿姍C(jī)驅(qū)動（圖3）。可以說，保時捷是基于輪轂電機(jī)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(jī)純電動汽車 圖3 保時捷研制的輪轂電機(jī)混合動力電動汽車 20世紀(jì)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(jī)的電動汽車具有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)結(jié)構(gòu)。 輪轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動作為電動汽車的

6、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轂電機(jī)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(jī)系統(tǒng)驅(qū)動。與此同時，各大廠商加大了對輪轂電機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)力度，高性能的新型輪轂電機(jī)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，輪轂電機(jī)的門類不斷豐富，性能不斷提高，著名的輪轂電機(jī)廠商有加拿大的TM4、美國的Wavecrest等。 4 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、電機(jī)應(yīng)用類型及特

7、點(diǎn)分析 4.1 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 輪轂電機(jī)動力系統(tǒng)通常由電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)動力系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。通常，外轉(zhuǎn)子型采用低速外傳子電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在1000－1500r/min左右，無任何減速裝置，電機(jī)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(jī)相同。內(nèi)轉(zhuǎn)子型則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)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。

8、 圖4 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 高速內(nèi)轉(zhuǎn)子的輪轂電機(jī)具有較高的比功率，質(zhì)量輕，體積小，效率高，噪聲小，成本低；缺點(diǎn)是必須采用減速裝置，使效率降低，非簧載質(zhì)量增大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機(jī)構(gòu)的承受能力等因素的限制。低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)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(jī)構(gòu)，因此效率高；缺點(diǎn)是如要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大發(fā)動機(jī)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(jī)。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(jī)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

9、面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。 輪轂電機(jī)動力系統(tǒng)由于電機(jī)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(jī)械制動系統(tǒng)。輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，也有采用水冷和油冷的方式對電機(jī)、制動器等的發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 4.2 電機(jī)應(yīng)用類型與特點(diǎn)分析 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)按照電機(jī)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(jī)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(jī)定轉(zhuǎn)子之間受力比較均

10、衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術(shù)更簡單成熟。 輪轂電機(jī)的電機(jī)類型分為永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式。其特點(diǎn)如下： （1）感應(yīng)（異步）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運(yùn)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(diǎn)是驅(qū)動電路復(fù)雜，成本高，相對永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低； （2）無刷永磁同步電機(jī)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(jī)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(diǎn)，適用于電動汽車驅(qū)動；缺點(diǎn)是設(shè)計和控制非常困難和精細(xì)，運(yùn)行噪聲大。

11、 5 國內(nèi)外典型輪轂電機(jī)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(jī)的全輪驅(qū)動電動汽車為研究對象，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(dá)到25kw的外轉(zhuǎn)子式永磁同步輪轂電機(jī)驅(qū)動，最高時速可達(dá)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(jī)驅(qū)動的后輪驅(qū)動電動汽車ECO，輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)選用永磁直流無刷電動機(jī)，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(jī)構(gòu)。輪轂

12、電機(jī)采用機(jī)械制動與電機(jī)再生制動相結(jié)合的方式，機(jī)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(jī)獨(dú)立驅(qū)動的電動大轎車KAZ，最高時速達(dá)到311km/h。KAZ的輪轂電機(jī)系統(tǒng)中采用高轉(zhuǎn)速的高性能內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動機(jī)，其峰值功率可達(dá)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(jī)輸出轉(zhuǎn)速符合車輪的實際轉(zhuǎn)速要求，KAZ的輪轂電機(jī)系統(tǒng)匹配了一個傳動比為4.588的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。KAZ的前后輪沒有采用相同型式的制動器，而是前輪

13、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(jī)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也采用了輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。 圖5 KAZ一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng) 法國TM4公司設(shè)計制造的一體化輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。它采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動機(jī)，將電動機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相固結(jié)，將電動機(jī)外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動機(jī)轉(zhuǎn)子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子、輪輞以及制動器三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量，集成化程度相當(dāng)高。該一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)的永磁無刷直流電動機(jī)的額定功率為18.5kw，峰值功率可達(dá)到8

14、0kw，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(dá)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)的EV96-1型電動汽車也采用外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，選用一種稱為“多態(tài)電動機(jī)”的永磁式電動機(jī)，兼有同步電動機(jī)和異步電動機(jī)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(jī)系統(tǒng) 同濟(jì)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(jī)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

15、轂電動機(jī)直接驅(qū)動，匹配相應(yīng)的盤式制動器。輪轂電機(jī)為外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)，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(jī)的外形通用性，考慮在一定功率范圍內(nèi)的輪轂電機(jī)采用相同的外形結(jié)構(gòu)。該輪轂電機(jī)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(jī)，即可獲得不同的整車動力性能。輪轂電機(jī)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(jī)的情況見表1。 表1 輪轂電機(jī)及其電動汽車應(yīng)用 車型 年份 來源 動力類型 電驅(qū)動

16、形式 IZA 1991 日本TEPCO 純電動 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 Eco 1996 日本NIES 純電動 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 Luciole 1997 日本NIES 純電動 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 KAZ 2000 日本 純電動 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 Eliica 2000 日本Keio大學(xué) 純電動 輪轂電機(jī)八輪驅(qū)動 AUTOnomy 2002 通用 燃料電池 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 S-10 改裝 2004 雪弗萊 混合動力 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 QUARK 2004 標(biāo)致 燃料電池 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 Squel 2005 通用

17、 燃料電池 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 中心電機(jī)前輪驅(qū)動 Colt 2005 三菱 純電動 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 Lancer Evolut MIEV 2005 三菱 純電動 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 FCX concept 2005 本田 燃料電池 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 中心電機(jī)前輪驅(qū)動 CNR-T2 / 意大利 混合動力 輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動 CT-MIEV 2006 三菱 混合動力 輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動 6 輪轂電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)分析 通常，電動汽車采用集中電機(jī)驅(qū)動的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可以沿用內(nèi)燃機(jī)動力車的部分傳動裝置，布置在原發(fā)

18、動機(jī)艙中，繼承性好； （2）可以采用電機(jī)和減速機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)，對電機(jī)性能要求高。 分散電機(jī)驅(qū)動相對于集中電機(jī)驅(qū)動具有以下優(yōu)點(diǎn)： （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(yùn)動，而且精度更高； （2）取消機(jī)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； （

19、4）降低對電機(jī)的性能指標(biāo)要求，且具有冗余可靠性高的特點(diǎn)。 但是，分散電機(jī)驅(qū)動方式具有以下缺點(diǎn)： （1）為滿足各輪運(yùn)動協(xié)調(diào)，對多個電機(jī)的同步協(xié)調(diào)控制要求高； （2）電機(jī)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(jī)驅(qū)動通常有輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)兩種方式。所謂輪邊電機(jī)方式是指每個驅(qū)動車輪由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動，但是電機(jī)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(jī)方式的驅(qū)動電機(jī)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(jī)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變形運(yùn)動，對傳

20、動軸的萬向傳動也具有一定的限制。與輪邊電機(jī)方式相比，輪轂電機(jī)方式具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要包括： （1）可以完全省略傳動的傳動裝置，整體動力利用效率大大提高； （2）輪轂電機(jī)使得整車總布置可以采用扁平化的底盤結(jié)構(gòu)型式，車內(nèi)空間和布置自由度得到極大的改善； （3）車身上幾乎沒有大功率的運(yùn)動部件，整車的振動和噪聲舒適性得到極大改善； （4）輪轂電機(jī)方式便于實現(xiàn)四輪驅(qū)動驅(qū)動型式，有利于極大改善整車的動力性能； （5）輪轂電機(jī)作為執(zhí)行元件，利用響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)便于實現(xiàn)包括線控驅(qū)動、線控制動以及線控整車動力學(xué)控制在內(nèi)的整車動力學(xué)集成控制，提高整車的主動安全性。 7 輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究關(guān)鍵技術(shù)問

21、題 輪轂電機(jī)帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括： （1）輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動、制動、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設(shè)計難度大； （2）車輪內(nèi)部空間有限，對電機(jī)功率密度性能要求高，設(shè)計難度大； （3）電機(jī)與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的車輛操控性和安全性。同時，輪轂電機(jī)將承受很大的路面沖擊載荷，電機(jī)抗振要求苛刻； （4）車輛大負(fù)荷低速爬長坡工況下容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機(jī)過熱燒毀問題，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題需要重視； （5）車輪部位水和污物等容易集存，導(dǎo)致電機(jī)的腐蝕破壞，壽命可靠性受影響； （6）輪轂電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動和噪聲，以及其他整車聲振問題。