王慧波

摘 要：隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，電動汽車是未來汽車行業(yè)的發(fā)展核心。介紹了現(xiàn)代電動汽車的驅(qū)動方案，闡述了電動車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)勢，指出電動汽車用輪轂電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電動汽車；輪轂電機(jī)；應(yīng)用研究；發(fā)展趨勢

引言

近年能源和環(huán)境對人類生活和社會發(fā)展的影響越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲日益高漲。因此，各種電動汽車作為低污染、節(jié)能環(huán)保的新型車，已經(jīng)成為汽車行業(yè)新秀，而新能源車型的驅(qū)動技術(shù)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著截然不同的結(jié)構(gòu)，其中輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有很大的發(fā)展前景。日系廠商對乘用車所用的輪轂電機(jī)技術(shù)研發(fā)開展較早。通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。國內(nèi)也有自主品牌汽車廠商開始研發(fā)此項(xiàng)技術(shù)，奇瑞瑞麒X1增程電動車就采用了輪轂電機(jī)技術(shù)。因而電動輪轂電機(jī)技術(shù)成為未來電動汽車的發(fā)展方向。采用輪轂電機(jī)技術(shù)的福特F-150將汽車所有傳動部件通通舍棄不用，大量簡化了汽車結(jié)構(gòu)。

1 電動汽車的驅(qū)動方案

1.1 差速半軸驅(qū)動方案

該方案與傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)驅(qū)動方案的區(qū)別在于將汽車的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換成電動機(jī)和相關(guān)電子器件。驅(qū)動力由一臺電動機(jī)提供來驅(qū)動車輛的兩側(cè)車輪。這種布置形式的電動車，操作方式與傳統(tǒng)汽車相同，電動機(jī)控制器接收加速踏板信號、制動踏板信號、PDRN即停車、倒車、空檔、前進(jìn)信號控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動左右兩側(cè)車輪。該汽車保留了機(jī)械部件包括變速器、傳動軸和半軸等部件，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)較成熟，有利于集中精力匹配電動汽車動力系統(tǒng)；缺點(diǎn)是效率較低，滿足不了電動汽車的動力性能的要求。

1.2 電動輪驅(qū)動技術(shù)

電動輪驅(qū)動方案其主要特點(diǎn)是取消了差速器和半軸，將行星減速器與電動機(jī)制造為一體，組合為一個電動輪，輪胎直接安裝在車輪上。

電動輪技術(shù)作為電動車的一個發(fā)展方向，也受到汽車開發(fā)商的關(guān)注。電動輪驅(qū)動方案是集電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、制動器為一體的驅(qū)動部件，是一種獨(dú)特的驅(qū)動單元。使用電動輪技術(shù)的電動車不占用車身和底盤的空間，擴(kuò)大了汽車駕駛員和乘車員的空間，車輛的底部空間用來安裝電池，使整個車輛的總體布置得到了很大的簡化，綠色環(huán)保，傳動效率高。

該驅(qū)動技術(shù)需要改進(jìn)的技術(shù)也包括很多：需要優(yōu)化輪邊獨(dú)立電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研發(fā)一體化程度更高的電動輪模塊；需要研究開發(fā)輪邊減速式電動輪結(jié)構(gòu)模塊；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的動力學(xué)特性；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的耐用性試驗(yàn)方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

輪轂電機(jī)是電動汽車研究開發(fā)的一個熱點(diǎn)，也是解決能源和環(huán)境問題的一種有效手段。輪轂電機(jī)安裝在車輪的輪轂內(nèi)，省略了中間的機(jī)械傳動部件離合器、減速器、傳動橋等，電動汽車的輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)接受蓄電池的電能，由電機(jī)直接驅(qū)動車輪，驅(qū)動電動汽車行駛，大大簡化了整車結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。由于取消差速器，因此對驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的控制是研究重點(diǎn)，其差速控制技術(shù)直接影響輪轂電機(jī)式電動汽車的發(fā)展?，F(xiàn)代汽車大部分輪轂電機(jī)都采用了永磁材料。伴隨著現(xiàn)代控制理論、電子技術(shù)和永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展，輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)也逐漸成熟，應(yīng)用在各個電動車領(lǐng)域。

2 電動車用輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的特點(diǎn)分析

2.1 方案優(yōu)勢

2.1.1 結(jié)構(gòu)簡單，電動機(jī)永磁化。傳統(tǒng)車輛，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時(shí)也存在需要定期維護(hù)和故障率的問題。但是輪轂電機(jī)就很好地解決了這個問題。輪轂電機(jī)驅(qū)動通過電子線控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速控制，省略了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，為乘員騰出更大的空間。采用永磁化技術(shù)的電機(jī)具有效率高、比功率大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；采用矢量控制的變速調(diào)速系統(tǒng)，可使永磁電動機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍。

2.1.2 可實(shí)現(xiàn)智能化和集成化。隨著微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用輪轂電機(jī)，以及電子轉(zhuǎn)向線控技術(shù)、智能控制技術(shù)，各車輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單、響應(yīng)更加迅速，抗干擾能力加強(qiáng)，以此大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式，它都可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化和轉(zhuǎn)向變化，全時(shí)四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實(shí)現(xiàn)起來非常容易。采用電子線控先進(jìn)技術(shù)，線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)左右車輪的不同轉(zhuǎn)速和差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，對于特種車輛也很有價(jià)值。電動汽車驅(qū)動控制器的開關(guān)器件、電路、控制、傳感器等等集成在一塊高度集成的電路板，可以有效減小體積和重量。

2.1.3 采用多種新能源技術(shù)。純電動和燃料電池電動車、增程電動車，都可以用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動力；同時(shí)，新能源車的很多技術(shù)，比如制動能量回收系統(tǒng)、電磁制動系統(tǒng)、蓄電池技術(shù)，甚至混合燃料汽車也可以很輕松地在輪轂電機(jī)驅(qū)動車型上得以實(shí)現(xiàn)?？梢娸嗇炿姍C(jī)的使用是非常廣泛，是適合各種汽車的。

2.2 方案劣勢

2.2.1 增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量?，F(xiàn)代汽車發(fā)展，為了滿足輕量化，采用鋁合金等一些輕量化的復(fù)合材料來制作懸架系統(tǒng)的零部件，這樣可以減輕懸架簧下質(zhì)量，提高懸掛的響應(yīng)速度。由于輪轂電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的重量，采用輪轂電機(jī)的懸架系統(tǒng)反而較大幅度地增大了簧下質(zhì)量，同時(shí)也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而導(dǎo)致車輛的操控性能更加不穩(wěn)定，此方面的技術(shù)也是有待改進(jìn)和提高。

2.2.2 電制動性能有限。一般電動車采用電制動，輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛，由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動容量較小，整車制動性能不夠，需要附加機(jī)械制動系統(tǒng)。但是對于普通電動乘用車，沒有了發(fā)動機(jī)驅(qū)動的真空助力泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗，如果要確保制動系統(tǒng)的效能，制動系統(tǒng)消耗的能量又會影響電動車?yán)m(xù)航里程，因此蓄電池的容量技術(shù)也是一瓶頸。此外，輪轂電機(jī)工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱問題。如果能在工程上解決這些難題，輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

電動汽車已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展，但要完全替代傳統(tǒng)汽車還有很長的一段路要走。目前，國內(nèi)外對電動車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究都很多，主要集中在新型電動機(jī)的應(yīng)用、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)這兩個方面。輪轂電機(jī)需要解決技術(shù)問題，提高輪轂電機(jī)與驅(qū)動器功率，電動輪驅(qū)動與制動實(shí)用控制技術(shù)，提高輪轂電機(jī)可靠性和耐久性，減輕輪轂電機(jī)質(zhì)量。隨著電氣技術(shù)和電子技術(shù)，以及控制新技術(shù)的發(fā)展和突破，電動機(jī)性能的不斷提高，以及電池技術(shù)、動力控制系統(tǒng)和整車能源管理系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破，輪轂電機(jī)也將在電動汽車上取得更大的成功。車用輪轂電機(jī)技術(shù)及其控制技術(shù)向永磁化、智能化、集成化、全數(shù)字化方向發(fā)展。

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