轮毂电机驱动技术解析

高功率密度盘式轮毂电机集成技术 一、轮毂技术国内外现状 轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、 传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简 化。早在1900年，就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车， 在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。作为 比较先进的驱动技术，国外有很多研究所和公司都对轮毂电机进行了 专项研究，并已经开始将其应用到实际产品中。位于美国加州的通用 汽车高级技术研发中心成功地将自行研制的轮毂电机应用到雪弗兰 s210皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约15kg，却可产生约 25kW的功率，产生的扭矩比普通的雪弗兰s210四缸皮卡车高出60%, 加速性能也有所提高。 通用开发的为150吨的重型卡车设计的轮毂电机（内燃 动力电传动） GE15QAC~ DRIVE SYSTEM 典型内转子结构的轮毂电机驱动系统结构示意图 日本对轮毂电机研究起步早，技术在世界上处于领先。日本庆应 义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去10年中，研制 的IZA、ECO、KAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。其中后 轮驱动电动汽车ECO采用的永磁无刷直流电机，额定功率618kW,峰 值功率可达20kW。 本田研发的轮毂电机实物 日本包含丰田在内的各大公司在2003年东京汽车展上纷纷推出自己 的轮毂驱动产品,如:普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系 统、丰田公司的燃料电池概念车FINE2N等等。法国的TM4公司设 计的一体化电动轮，采用外转子永磁无刷直流电动机，额定功率为 1815kW,额定转矩为950r/min,额定工况下的平均效率可达96.13%, 峰值功率可达80kW,峰值扭矩为670N m,最高转速为1385r/min。 目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术，在2011年 上海车展展出的瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术。 舵栽皑机（恒定 功率：30kw） SJ车卡穩 轮内主动悬架 米其林研发驱动/悬挂系统结构图 轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式： 内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外传子电机，电机的最 高转速在1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；而 内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得 较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行 星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转 子式更具竞争力。 二、轮毂电机优缺点 优点1：电动车/新能源结构紧凑简单 类似上图中这种传统变速器在轮毂电机驱动的车辆上已经见不到了 传统后驱车车厢后排地板上的突起在电动车上也会消失，为乘员腾出 更大的空间 对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动 器都是必不可少的，而这些部件让车辆的结构更为复杂，同时也存在 需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问 题。除开结构更为简单之外，采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好 的空间利用率，同时传动效率非常高。 优点2：可实现多种复杂的驱动方式及组合 像AHED “先进混合电驱动”样车这样的8轮电驱动很轻松就能实现 由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、 后驱还是四驱形式，它都可以比较轻松地实现，全时四驱在轮毂电机 驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的 不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的 转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向（不过此时对车辆转 向机构和轮胎的磨损较大），对于特种车辆很有价值。 优点3：便于采用多种新能源平台技术 采用轮毂电机可以匹配包括纯电动、混合动力和燃料电池电动车等多 种新能源车型 轮毂电机可以和传统动力并联使用，这对于混合动力车型很有意义 新能源车型不少都采用电驱动，因此轮毂电机驱动也就派上了大 用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车，抑或是增程电动车，都可 以用轮毂电机作为主要驱动力；即便是对于混合动力车型，也可以采 用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力，可谓是一机多用。同时， 新能源车的很多技术，比如制动能量回收（即再生制动）也可以很轻 松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。 缺点1:由于现有电机技术功率密度有限，增大簧下质量和轮毂的转 动惯量，对车辆的操控有所影响 铝制下摆臂采用主要就为减重，如果加上轮毂电机，这些努力也就白 费了 对于普通民用车辆来说，常常用一些相对轻质的材料比如铝合金 来制作悬挂的部件，以减轻簧下质量，提升悬挂的响应速度。可是轮 毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯 量，这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于 代步而非追求动力性能，这一点尚不是最大缺陷。 但随着未来汽车技术发展的需求，高功率密度的轮毂电机技术 的寻找成为了关键。 缺点2：电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能 商用车车桥的内置缓速器采用涡流制动原理，而轮毂电机的制动也可 以利用这一原理 现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理（也 即电阻制动）的辅助减速设备，比如很多卡车所用的电动缓速器。而 由于能源的关系，电动车采用电制动也是首选，不过对于轮毂电机驱 动的车辆，由于轮毂电机系统的电制动容量较小，不能满足整车制动 性能的要求，都需要附加机械制动系统，但是对于普通电动乘用车， 没有了传统内燃机带动的真空泵，就需要电动真空泵来提供刹车助 力，但也就意味了有着更大的能量消耗，即便是再生制动能回收一些 能量，如果要确保制动系统的效能，制动系统消耗的能量也是影响电 动车续航里程的重要因素之一。但随着高功率密度的轮毂电机的出 现，可以提供更高的制动能力，从而可以减小对附加机械制动系统的 依赖。 缺点3：安装可靠性有待提咼。轮毂电机工作的环境恶劣，面临 水、灰尘等多方面影响，在密封方面也有较高要求，同时在设计上也 需要为轮毂电机单独考虑散热问题。 因此对高效率的轮毂电机有着更高的要求。效率更高，功率密度 更高的电机可以在散热密封等方案上可以使电机具有更多的空间进 行设计和安装。深圳市实能高科动力有限公司设计的全封闭高功率密 度轮毂电机方案，功率密度是目前应用技术的 2-5倍，同时保持 了＞95%的超高效率，是轮毂电机划时代的技术方案。 结语：与电动机集中动力驱动相比，轮毂电机技术具备很大的优 势，它布局更为灵活，不需要复杂的机械传动系统，同时也有自己的 显著不足，比如密封和起步电流/扭矩间的平衡关系，以及转向时驱 动轮的差速问题等等，高功率密度高效率的轮毂电机驱动技术可以使 轮毂电机技术更快的应用于新能源车型，将在未来的新能源车中拥有 广阔的前景。 本田研发的轮毂电机实物