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轮毂电机技术

    新能源车现在已经成为汽车行业颇具前瞻性的领域,而新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车有着不小的区别,而其中有一类驱动技术有着很大的发展前景,这就是轮毂电机技术。 

    注:轮毂严格意义上讲仅指与传动轴连接的法兰、轴承座等部分,不过轮毂这一名词对于普通用户目前更多指的是轮圈,下文中涉及的轮毂一词将涵盖狭义的轮毂和轮圈两部分。

轮毂电机技术简介

    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。轮毂电机技术并非新生事物,早在1900年,保时捷就首先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。而对于乘用车所用的轮毂电机,日系厂商对于此项技术研发开展较早,目前处于领先地位,包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。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。


米其林研发的将轮毂电机和电子主动悬挂都整合到轮内的驱动/悬挂系统结构图


本田研发的轮毂电机实物


上海车展上的瑞麒X1-EV


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)


典型内转子结构的轮毂电机驱动系统结构示意图

    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。

 轮毂电机的优缺点

优点1:省略大量传动部件,让车辆结构更简单


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,而这些部件不但重量不轻、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,同时传动效率也要高出不少。

优点2:可实现多种复杂的驱动方式


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车技术


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: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。

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。

    此外,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。

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,如果能在工程上解决这些难题,轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。

 

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