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轮毂电机及其电动车技术发展

1  前言

鼓式制动器摩托车刹车圈轮毂刹车圈专业生产厂家无锡九环2020年8月25日讯 随着能源短缺和环境污染形势日渐恶化,新能源汽车已成为世界各国的重点研发领域。电动车作为最主要的新能源汽车类型,电驱动技术是其核心技术之一。

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随着电池、电机等电动车相关技术的日渐成熟,产品级电动车已经实现量产化,轮毂电机以其突出优势,得到国内外整车及零部件厂商持续的关注和研发投入。本文对轮毂电机进行概述,说明其技术优势和难点,对当前主流轮毂电机产品及其驱动的电动车进行综述,总结由轮毂电机引发的技术发展趋势。

2 轮毂电机概述


2.1 轮毂电机的分类

轮毂电机将2个或多个电机集成于轮毂内部,驱动形式可分为减速驱动和直接驱动。

减速驱动型轮毂电机多采用内转子结构实现减速驱动,由于电机转速高,需要配置减速器降低输出转速并增加转矩,以适应车轮的输出需求。

直接驱动型多采用外转子结构实现直接驱动,无需减速机构,可实现驱动系统轻量化,但装备直接驱动轮毂电机的电动车在起步时,转矩从零开始上升,导致加速性较差。

两种驱动形式的优缺点如表1所示。

直流电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机、异步电机、永磁同步电机等均可用于研发轮毂电机。目前先进轮毂电机多采用效率高、功率密度大、可靠性好的永磁同步电机。

表1 不同类型轮毂电机优缺点对比

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减速驱动类型的轮毂电机按照减速机构类型,又可分为同轴摆线减速器式轮毂电机、同轴行星齿轮减速器式轮毂电机和偏轴式轮毂电机。

2.2 轮毂电机和轮毂电机电动车优势

轮毂电机作为电动车动力源,本身具有一系列优势,包括:响应速度快、转矩控制精度高、可提供驱动和制动转矩、可独立进行转矩控制、使用寿命长等。

轮毂电机直接安装于驱动轮内,无需设计变速器、万向传动装置、差速器等传统传动部件,将给电动车底盘设计与控制带来巨大变革和优化,包括:

(1)系统效率提高,轮毂电机驱动系统比集中式电机驱动效率高出10%以上;

(2)转矩响应精度高、响应速度快,可实现分布式驱动轮独立控制;

(3)底盘布置自由度高,整车轻量化程度大幅提高;是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的优选动力源;

(4)有利于实现更加优化的分布式驱动、制动控制,更便于自动驾驶上层控制策略的实现。

2.3 轮毂电机技术难点

虽然轮毂电机具备一系列优势,但同时也存在一系列技术难点需要攻克,才能早日实现产品化应用。

在轮毂电机系统设计方面,由于轮毂电机安装于车轮内,与发动机舱相比,环境恶劣,振动噪声大,需解决以下难点:

(1)轴承与密封设计方面,保证轮毂电机可在高低温冲击环境、大负荷冲击下正常工作;

(2)减震降噪设计方面,当前大多数轮毂电机与车身和轮毂刚性连接,无法过滤转矩波动;

(3)轮毂电机高效、高转矩设计方面,保证轮毂电机全转速范围的高效、高转矩输出。

在轮毂电机与底盘集成设计方面,由于车轮内外空间有限,轮毂电机的布置需要满足整车悬架、转向、制动性能要求,由于轮毂电机安装位置的特殊性,可实现车轮横摆、旋转多自由度控制,更增加了集成设计难度,主要包括:

(1)为集成轮毂电机,底盘零部件需二次开发,且轮毂电机使非簧载质量大幅增加,悬架设计难度加大。

(2)由于轮毂电机占用底盘空间较大,导致底盘各硬点校空间减小,底盘性能调校难度增大。

(3)需要设计特定制动系,满足制动性能和空间布置要求。

在整车集成控制技术上,轮毂电机电动车与传统电动车的运动控制差异明显,轮毂电机电动车可实现更先进的运动控制,基于分布式转矩控制,在驱动转矩分配、驱动/制动防滑控制、车辆稳定性控制等方面仍有大量可研究科学问题。

轮毂电机电动车相对于传统汽车,自由度更多,会导致车辆高速行驶或路面湿滑时,出现失稳(甩尾、侧滑等)危险工况。因而对轮毂电机电动车的运动控制要求更加苛刻,需要深入研究转矩矢量控制、电机TCS控制、电机ABS控制、电机ESC控制等。

由于电机分布于各车轮位置,为整车的能量管理带来诸多难题。需要建立适用于分布式驱动系统的能量分配模型,提出分布式电驱动能量分配和制动能量回收最优化控制策略,研究分布式电驱动系统轮间和轴间功率耦合回归,分析电功率与机械功率的相互转换规律,提出相应的功率循环能量损耗控制策略。

由于轮毂电机分布式布置,对整车功能安全和故障诊断要求提高,必须建立完善的电机故障诊断分析策略和容错机制。

轮毂电机使整车簧下质量大幅增加,会导致整车操纵稳定性和平顺性变差,需要克服轮毂电机造成的负效应。这就需要研究高智能悬架,悬架系统实时感知路况,支持各轮悬架阻尼自适应独立控制,实现高精度、优化性能的车身侧倾、俯仰及横摆控制。

由于轮毂电机驱动控制会对悬架系统产生影响,需要研究轮毂电机分布式转矩控制与悬架系统自适应控制的协同机制,从而优化整车操稳和平顺性。

3 轮毂电机研发现状


由于轮毂电机应用于电动车的突出优势和巨大的市场潜力,国内外已有众多厂商开始着力进行轮毂电机的研发。

在国外,舍弗勒、Protean、丰田等公司均研发出了轮毂电机样机甚至产品,国外公司研发情况如表2所示。

表2 国外主要轮毂电机产品情况

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其中,英国Protean公司是研制直驱式轮毂电机的代表。Protean轮毂电机内部集成逆变器、控制器、制动系统,结构解剖图如图1所示。

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图1 Protean PD18轮毂电机

目前,Protean PD18电机已经启动量产,并已经搭载众多车型进行实车测试,PD16已经形成平台样机,PD14已经完成产品概念开发。

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图  ProteanDrive Pd18电机

NTN公司是研发的同轴摆线减速器式轮毂电机的代表企业,其研发的轮毂电机(如图2所示)的减速器径向尺寸小,更易于整车搭载,无需改制制动系,且减速器减速比大,可增大转矩。但是这种结构轴向尺寸过大,在实车搭载上与减震器、车身纵梁干涉较大,对车身结构的要求高。

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图2 NTN同轴摆线减速器式轮毂电机

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舍弗勒公司重点研发同轴行星齿轮减速器式轮毂电机(如图3所示),实现了电机与减速器的高度集中,大大减小了电机尺寸,但由于必须为其设计鼓式制动器,故此电机不适于安装于前轮。其第二代产品电机尺寸为16英寸,并已经在福特嘉年华E-Wheel Drive概念车上进行了搭载试验。第四代产品针对A0级小型车研发,将电机集成于14英寸轮辋内。

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图3 舍弗勒同轴行星齿轮减速器式轮毂电机

丰田自20世纪90年代起,就开始研发轮毂电机,其代表产品为偏轴式轮毂电机,其轮毂电机研发大致分为3个阶段,第1阶段研发外转子直驱式轮毂电机,第2阶段研发行星齿轮式轮毂电机,第3阶段研发偏轴式轮毂电机,如图4所示。偏轴式轮毂电机通过平行轴齿轮使电机与减速器不同轴,实现对轮内空间的充分利用和悬架小改动下的整车集成。

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图4 偏轴式轮毂电机

综上所述,国外对轮毂电机技术的研发投入较大,特别是丰田、NTN等日本企业,其产品经过多次研发集成试验迭代,更接近量产化。为满足轮毂电机小型化、轻量化的集成要求,偏轴式轮毂电机得到越来越多的关注和研发。

国内研发轮毂电机的企业较少,比较有代表性的是浙江亚太,其轮毂电机产品如图5所示。目前,浙江亚太也正在为轮毂电机设计开发专门的底盘模块。

4 轮毂电机电动车研发现状


轮毂电机电动车由于其巨大的技术优势和市场潜力,早已成为国内外各大整车OEM企业、科研机构的重点研制对象。由于采用分布式驱动,围绕轮毂电机的众多技术可供研究,包括底盘结构设计、悬架系统设计、底盘控制系统等。

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图5 浙江亚太轮毂电机产品

英国Protean公司以其PD18电机为核心设计了360度角模块,实现各个车轮独立控制,支持车轮绕轴向和垂向的旋转运动,并基于此定义了下一代城市交通工具的新型运动模式。

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其设计的轮毂电机电动小巴及其360度角度模块如图6所示。

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图6 Protean小巴及其360度角模块

NTN公司将其研发的轮毂电机搭载于其第2代电动车Q mo II中,可通过调节各个车轮角度实现车辆自转和横向移动,如图7所示。

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图7 NTN第2代轮毂电机电动车及其运动示意

浙江亚太境外参股子公司斯洛文尼亚依拉菲推进技术有限公司,基于宝马X6成功改制完成轮毂电机驱动样车,被业内认为是最具性能的轮内动力汽车,如图8所示。该车搭载依拉菲L型轮毂电机,可提供超过6 000 N·m的直驱轮边转矩,产生超过440 kW的功率,百公里加速时间低于4.9 s。

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图8 浙江亚太轮毂电机电动车及其运动示意

国内各大OEM也对轮毂电机及其电动车技术开展研究。2004年,比亚迪推出四轮分布式驱动样车ET,如图9所示。该样车采用峰值功率25 kW、峰值转矩440 N·m的轮毂电机,百公里加速时间为8.5 s。

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图9 比亚迪ET轮毂电机四驱样车

一汽基于摆线式轮毂电机,研制了轮毂电机底盘系统,如图10所示,实现四轮电驱动和四轮独立控制,百公里加速时间低于6 s,搭载了解耦式制动系统以实现制动能量回收,并在此基础上通过电机实现了ETCS电动牵引力控制,优化了车轮附着率以提高车辆加速、转向、爬坡性能。

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图10 一汽轮毂电机底盘系统

5 结论及启示


随着未来交通系统智慧化程度、运营效率要求越来越高,轮毂电机分布式驱动将得到长足发展,具有巨大市场空间,将轮毂电机及其电动车技术发展趋势归纳如下:

(1)轮毂电机将成为电动车主要动力源。解决轮毂电机电动车的簧下质量过大、冷却散热、电机寿命等问题,轮毂电机作为动力源的一系列优势必将使其成为电动汽车的首选动力源,同时对电动汽车底盘系统设计、底盘总布置设计将带来颠覆性革新。

(2)轮毂电机技术会催生全新的底盘控制技术。相对于传统的轮边差速控制,轮毂电机的使用将实现高精度的差扭控制,且动力源位于车轮,运动的自由度更复杂,可实现轮毂电机电动车原地自转、绕轴公转、横向移动等新式运动,传统的ABS、ESP、TCS控制算法也需要针对轮毂电机电动车进行优化甚至重新设计。

(3)轮毂电机电动车将成为自动驾驶技术的测试及应用平台。传统燃油车和集中式驱动电动车的传动系统构成复杂,传动效率损耗大,大大增大了自动驾驶控制决策算法的复杂度,而轮毂电机电动车可实现轮边直接驱动,大大降低了执行层控制难度,可实现对上层控制决策的高度执行,是自动驾驶技术测试应用的首选车辆平台。

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