电动汽车轮毂电机系统研究进展

电动汽车轮毂电机系统研究进展作者：王成 张立军 缪维佳 余卓平 来源：清洁汽车技术创新发展论坛 时间：2008/01/081 引言全世界的汽车保有量和使用量巨大，而且增长迅速。21世纪，人类将面临严峻的能源和环境挑战，研究开发节能、环保和安全的汽车是实现交通可持续发展的必由之路。其中，电动汽车以其在使用过程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于实现智能化控制等方面的技术优势备受重视，呈现加速发展态势。在电动汽车诸多电力驱动系统型式中，采用轮毂电机系统的动力系统结构型式正日益成为发展方向，而轮毂电机系统作为关键总成成为电动汽车领域的研究重点和研究热点。本文在综合大量文献的基础上，针对轮毂电机系统的研究进展进行了综合分析。论文阐述了轮毂电机系统的概念，回顾了轮毂电机及其在电动汽车上研究和应用历史，对比分析轮毂电机的结构型式、电机应用类型以及性能特点，在剖析轮毂电机驱动系统结构型式对整车性能的积极和消极影响的基础上总结出轮毂电机系统的设计开发的关键技术问题。2 轮毂电机系统的概念与应用领域轮毂电机系统是本文提出的概念。通常，人们称其为轮毂电机，也有的研究者称其为轮式电机、车轮电机或者电动轮，英文名称以“in-wheel motor”居多，也有称“wheel motor”和“wheel direct drive motors”的。实际上，以上称谓严格来说都是不准确的。“轮毂电机、轮式电机和车轮电机”都侧重于电机，而“电动轮”侧重于车轮。若从系统观点出发，我们所指确切应为驱动电机和车轮紧密集成而形成的一体化的多功能系统，即为“integrated motor and wheel system”。为了方便起见，本文对已经被工程界广泛应用的“轮毂电机”和“in-wheel motor”稍作修改，以“轮毂电机系统”和“in-wheel motor system”作为中英文称谓。轮毂电机系统在各种交通工具中都有应用，如图1所示。不同的应用场合对轮毂电机的结构型式和技术性能等都提出了不同的要求，相应的产生了各种轮毂电机系统及其特色技术。本文的主要研究对象是汽车用轮毂电机系统。 图1 轮毂电机系统的应用领域3 轮毂电机系统的发展历史轮毂电机系统的诞生可以一直追溯到电动汽车诞生的初期，而轮毂电机在电动汽车上的广泛应用主要集中在近几年的概念车上。最早见诸于文献的有关轮毂电机及其应用来自于著名汽车公司保时捷的创始人保时捷（F. Porsche）。1900年，保时捷研制了两个前轮装备轮毂电机的前轮驱动双座电动汽车，并在电动汽车比赛中取得了最好的成绩。图2所示为保时捷研制的轮毂电机驱动电动汽车。值得引起注意的是，保时捷在1902年就研制出了采用发动机和轮毂电机的混合动力汽车，取得山地汽车拉力赛的好成绩。1910年，保时捷研制了军用陆地列车，最前面的机车装备发动机和发电机，后面的10辆列车利用轮毂电机驱动（图3）。可以说，保时捷是基于轮毂电机的电动汽车和混合动力汽车之父。 图2 保时捷研制的轮毂电机纯电动汽车 图3 保时捷研制的轮毂电机混合动力电动汽车 20世纪50年代，美国人罗伯特发明了电动汽车轮毂，并申请了专利。1968年这种轮毂被通用电器公司应用在大型矿用自卸车上。采用轮毂电机的电动汽车具有一个明显的优点，就是可以采用采用扁平的车架结构，因此在需要频繁上下车的城市公共交通客车上大量应用。图所示为许多汽车公司研制的低车架和低地板公交车上应用的轮毂电机结构。轮毂电机系统驱动作为电动汽车的一种重要驱动形式，得到了各大汽车厂商和组织的重视。自90年代起，日本就推出了一系列轮毂电机系统驱动的电动汽车，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等新车型。通用自2002年开始推出的概念车AUTOnomy(自主魔力)、Squel采用的都是轮毂电机系统驱动。与此同时，各大厂商加大了对轮毂电机系统的研发力度，高性能的新型轮毂电机系统不断涌现，轮毂电机的门类不断丰富，性能不断提高，著名的轮毂电机厂商有加拿大的TM4、美国的Wavecrest等。4 轮毂电机的结构型式、电机应用类型及特点分析4.1轮毂电机的结构形式轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子型和外转子型。图4所示为两种型式轮毂电机的结构简图。通常，外转子型采用低速外传子电机，电机的最高转速在10001500r/min左右，无任何减速装置，电机的外传子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同。内转子型则采用高速内转子电机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度，电机的转速通常高达10000r/min。减速结构通常采用传动比在10：1左右的行星齿轮减速装置，车轮的转速在在1000r/min左右。 图4 轮毂电机的结构形式高速内转子的轮毂电机具有较高的比功率，质量轻，体积小，效率高，噪声小，成本低；缺点是必须采用减速装置，使效率降低，非簧载质量增大，电机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子电机结构简单、轴向尺寸小，比功率高，能在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，外转子直接和车轮相连，没有减速机构，因此效率高；缺点是如要获得较大的转矩，必须增大发动机体积和质量，因而成本高，加速时效率低，噪声大。图所示为两种结构形式的轮毂电机。这两种结构在目前的电动车中都有应用，但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系统。轮毂电机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。由于电动机电制动容量的存在，往往可以使制动器的设计容量可以适当减小。大多数的轮毂电机系统采用风冷方式进行冷却，也有采用水冷和油冷的方式对电机、制动器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。4.2电机应用类型与特点分析轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类型。对比如下：（1）轴向磁通电机的结构更利于热量散发，并且它的定子可以不需要铁心；（2）径向磁通电机定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟。轮毂电机的电机类型分为永磁、感应、开关磁阻式。其特点如下：（1）感应（异步）电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高；缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低；（2）无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动车辆中获得应用；（3）开关磁阻式电机具有结构简单，制造成本低廉，转速/转矩特性好等特点，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。5 国内外典型轮毂电机驱动系统日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了五种不同型式的样车。其中，1991年与东京电力公司共同开发的电动汽车IZA，采用Ni-Cd电池为动力源，采用四个额定功率为6.8kw，峰值功率达到25kw的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高时速可达176km/h。1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了采用轮毂电机驱动的后轮驱动电动汽车ECO，轮毂电机驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6.8kw，峰值功率为20kw，并配速比为1：5的行星齿轮减速机构。轮毂电机采用机械制动与电机再生制动相结合的方式，机械制动力矩由鼓式制动器提供，制动力分配规律的基本原则是不损害制动效能的前提下，尽可能多的回收制动能量，有效延长了续驶里程。2001年，最新推出了以锂电池为动力源，采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车KAZ，最高时速达到311km/h。KAZ的轮毂电机系统中采用高转速的高性能内转子型电动机，其峰值功率可达55kw，提高了KAZ的极限加速能力，使其0-100km/h加速时间仅8秒。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，KAZ的轮毂电机系统匹配了一个传动比为4.588的行星齿轮减速机构。KAZ的前后轮没有采用相同型式的制动器，而是前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。图5为KAZ的前、后轮毂电机系统的结构图。2003年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车FINE-N也采用了轮毂电机驱动技术。 图5 KAZ一体化轮毂电机系统法国TM4公司设计制造的一体化轮毂电机结构如图6所示。它采用外转子式永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相固结，将电动机外壳作为车轮轮辋的组成部分，而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，实现电机转子、轮辋以及制动器三个回转运动物体的集成，大大减轻一体化轮毂电机系统质量，集成化程度相当高。该一体化轮毂电机系统的永磁无刷直流电动机的额定功率为18.5kw，峰值功率可达到80kw，峰值扭矩为670Nm，额定转速为950rpm，最高转速为1385rpm，而且额定工况下的平均效率可达到96.3%。哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制开发的EV96-1型电动汽车也采用外转子型轮毂电机驱动系统，选用一种称为“多态电动机”的永磁式电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，其额定功率为6.8kw，峰值功率为15kw，集成盘式制动器，风冷散热。 图6 TM4一体化轮毂电机系统同济大学汽车学院在2002年、2003年和2004年分别推出了采用轮毂电机驱动系统的四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号”和“春晖二号”，两者均采用四个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。轮毂电机为外转子型轮毂电机，其外形结构主要考虑与双横臂悬架、轮辋及制动盘的连接方便。为了提高轮毂电机的外形通用性，考虑在一定功率范围内的轮毂电机采用相同的外形结构。该轮毂电机既可安装市售微型汽车制动盘，又能安装不同规格摩托车制动盘。因此相同的底盘结构只需更换不同功率的轮毂电机，即可获得不同的整车动力性能。轮毂电机额定功率0.8kW，峰值功率2.5kW；额定转矩25Nm，峰值转矩155Nm；额定转速300rpm，最高转速510rpm。其他电动车辆应用轮毂电机的情况见表1。表1 轮毂电机及其电动汽车应用车型年份来源动力类型电驱动形式IZA1991日本TEPCO纯电动轮毂电机四轮驱动Eco1996日本NIES纯电动轮毂电机后轮驱动Luciole1997日本NIES纯电动轮毂电机后轮驱动KAZ2000日本纯电动轮毂电机四轮驱动Eliica2000日本Keio大学纯电动轮毂电机八轮驱动AUTOnomy2002通用燃料电池轮毂电机四轮驱动S-10 改装2004雪弗莱混合动力轮毂电机后轮驱动QUARK2004标致燃料电池轮毂电机四轮驱动Squel2005通用燃料电池轮毂电机后轮驱动中心电机前轮驱动Colt2005三菱纯电动轮毂电机后轮驱动Lancer Evolut MIEV2005三菱纯电动轮毂电机四轮驱动FCX concept2005本田燃料电池轮毂电机后轮驱动中心电机前轮驱动CNR-T2/意大利混合动力轮毂电机后轮驱动CT-MIEV2006三菱混合动力轮毂电机四轮驱动6 轮毂电机系统特点分析通常，电动汽车采用集中电机驱动的动力系统结构型式。这种结构型式具有以下优点：（1）可以沿用内燃机动力车的部分传动装置，布置在原发动机舱中，继承性好；（2）可以采用电机和减速机构，乃至控制器的集成结构型式，结构紧凑，便于处理电机冷却、振动隔振以及电磁干扰等问题；（3）整车总布置型式与内燃机接近，前舱热管理、隔声处理以及碰撞安全性与原车接近或者容易处理。缺点是：（1）传动链长，传动效率低；（2）通常要求使用高转速大功率电机，对电机性能要求高。分散电机驱动相对于集中电机驱动具有以下优点：（1）以电子差速控制技术实现转弯时内外车轮不同转速运动，而且精度更高；（2）取消机械差速装置有利于动力系统减轻质量，提高传动效率，降低传动噪声；（3）有利于整车总布置的优化和整车动力学性能的匹配优化；（4）降低对电机的性能指标要求，且具有冗余可靠性高的特点。但是，分散电机驱动方式具有以下缺点：（1）为满足各轮运动协调，对多个电机的同步协调控制要求高；（2）电机的分散安装布置提出了结构布置、热管理、电磁兼容以及振动控制等多方面的技术难题。分散电机驱动通常有轮毂电机和轮边电机两种方式。所谓轮边电机方式是指每个驱动车轮由单独的电机驱动，但是电机不是集成在车轮内，而是通过传动装置（例如传动轴）连接到车轮。轮边电机方式的驱动电机属于簧载质量范围，悬架系统隔振性能好。但是，安装在车身上的电机对整车总布置的影响很大，尤其是在后轴驱动的情况下。而且，由于车身和车轮之间存在很大的变形运动，对传动轴的万向传动也具有一定的限制。与轮边电机方式相比，轮毂电机方式具有明显的优点，主要包括：（1）可以完全省略传动的传动装置，整体动力利用效率大大提高；（2）轮毂电机使得整车总布置可以采用扁平化的底盘结构型式，车内空间和布置自由度得到极大的改善；（3）车身上几乎没有大功率的运动部件，整车的振动和噪声舒适性得到极大改善；（4）轮毂电机方式便于实现四轮驱动驱动型式，有利于极大改善整车的动力性能；（5）轮毂电机作为执行元件，利用响应速度快和准确的优点便于实现包括线控驱动、线控制动以及线控整车动力学控制在内的整车动力学集成控制，提高整车的主动安全性。7 轮毂电机系统研究关键技术问题轮毂电机带来新的技术挑战，主要包括：（1）轮毂电机系统集驱动、制动、承载等多种功能于一体，优化设计难度大；（2）车轮内部空间有限，对电机功率密度性能要求高，设计难度大；（3）电机与车轮集成导致非簧载质量较大，恶化悬架隔振性能，影响不平路面行驶条件下的车辆操控性和安全性。同时，轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷，电机抗振要求苛刻；（4）车辆大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题，电机的散热和强制冷却问题需要重视；（5）车轮部位水和污物等容易集存，导致电机的腐蚀破坏，寿命可靠性受影响；（6）轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声，以及其他整车声振问题。