電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究進(jìn)展

1、電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究進(jìn)展作者：王成 張立軍 繆維佳 余卓平 來源：清潔汽車技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展論壇 時(shí)間：2008/01/081 引言全世界的汽車保有量和使用量巨大，而且增長迅速。21世紀(jì)，人類將面臨嚴(yán)峻的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，研究開發(fā)節(jié)能、環(huán)保和安全的汽車是實(shí)現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中，電動(dòng)汽車以其在使用過程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于實(shí)現(xiàn)智能化控制等方面的技術(shù)優(yōu)勢備受重視，呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。在電動(dòng)汽車諸多電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式中，采用輪轂電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式正日益成為發(fā)展方向，而輪轂電機(jī)系統(tǒng)作為關(guān)鍵總成成為電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。本文在綜合大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)輪轂

2、電機(jī)系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合分析。論文闡述了輪轂電機(jī)系統(tǒng)的概念，回顧了輪轂電機(jī)及其在電動(dòng)汽車上研究和應(yīng)用歷史，對(duì)比分析輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、電機(jī)應(yīng)用類型以及性能特點(diǎn)，在剖析輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式對(duì)整車性能的積極和消極影響的基礎(chǔ)上總結(jié)出輪轂電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題。2 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的概念與應(yīng)用領(lǐng)域輪轂電機(jī)系統(tǒng)是本文提出的概念。通常，人們稱其為輪轂電機(jī)，也有的研究者稱其為輪式電機(jī)、車輪電機(jī)或者電動(dòng)輪，英文名稱以“in-wheel motor”居多，也有稱“wheel motor”和“wheel direct drive motors”的。實(shí)際上，以上稱謂嚴(yán)格來說都是不準(zhǔn)確的?！拜嗇炿姍C(jī)、輪

3、式電機(jī)和車輪電機(jī)”都側(cè)重于電機(jī)，而“電動(dòng)輪”側(cè)重于車輪。若從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，我們所指確切應(yīng)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輪緊密集成而形成的一體化的多功能系統(tǒng)，即為“integrated motor and wheel system”。為了方便起見，本文對(duì)已經(jīng)被工程界廣泛應(yīng)用的“輪轂電機(jī)”和“in-wheel motor”稍作修改，以“輪轂電機(jī)系統(tǒng)”和“in-wheel motor system”作為中英文稱謂。輪轂電機(jī)系統(tǒng)在各種交通工具中都有應(yīng)用，如圖1所示。不同的應(yīng)用場合對(duì)輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)性能等都提出了不同的要求，相應(yīng)的產(chǎn)生了各種輪轂電機(jī)系統(tǒng)及其特色技術(shù)。本文的主要研究對(duì)象是汽車用輪轂電機(jī)系統(tǒng)。 圖1

4、 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域3 輪轂電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷史輪轂電機(jī)系統(tǒng)的誕生可以一直追溯到電動(dòng)汽車誕生的初期，而輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上的廣泛應(yīng)用主要集中在近幾年的概念車上。最早見諸于文獻(xiàn)的有關(guān)輪轂電機(jī)及其應(yīng)用來自于著名汽車公司保時(shí)捷的創(chuàng)始人保時(shí)捷（f. porsche）。1900年，保時(shí)捷研制了兩個(gè)前輪裝備輪轂電機(jī)的前輪驅(qū)動(dòng)雙座電動(dòng)汽車，并在電動(dòng)汽車比賽中取得了最好的成績。圖2所示為保時(shí)捷研制的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。值得引起注意的是，保時(shí)捷在1902年就研制出了采用發(fā)動(dòng)機(jī)和輪轂電機(jī)的混合動(dòng)力汽車，取得山地汽車?yán)惖暮贸煽儭?910年，保時(shí)捷研制了軍用陸地列車，最前面的機(jī)車裝備發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，后面的10

5、輛列車?yán)幂嗇炿姍C(jī)驅(qū)動(dòng)（圖3）?？梢哉f，保時(shí)捷是基于輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車之父。 圖2 保時(shí)捷研制的輪轂電機(jī)純電動(dòng)汽車 圖3 保時(shí)捷研制的輪轂電機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 20世紀(jì)50年代，美國人羅伯特發(fā)明了電動(dòng)汽車輪轂，并申請了專利。1968年這種輪轂被通用電器公司應(yīng)用在大型礦用自卸車上。采用輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車具有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，就是可以采用采用扁平的車架結(jié)構(gòu)，因此在需要頻繁上下車的城市公共交通客車上大量應(yīng)用。圖所示為許多汽車公司研制的低車架和低地板公交車上應(yīng)用的輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)。輪轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)作為電動(dòng)汽車的一種重要驅(qū)動(dòng)形式，得到了各大汽車廠商和組織的重視。自90年代起，日本就推出了一系列輪

6、轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，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等新車型。通用自2002年開始推出的概念車autonomy(自主魔力)、squel采用的都是輪轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，各大廠商加大了對(duì)輪轂電機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)力度，高性能的新型輪轂電機(jī)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，輪轂電機(jī)的門類不斷豐富，性能不斷提高，著名的輪轂電機(jī)廠商有加拿大的tm4、美國的wavecrest等。4 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、電機(jī)應(yīng)用類型及特點(diǎn)分析4.1輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器與散熱系統(tǒng)等

7、組成。輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。圖4所示為兩種型式輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。通常，外轉(zhuǎn)子型采用低速外傳子電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在10001500r/min左右，無任何減速裝置，電機(jī)的外傳子與車輪的輪輞固定或者集成在一起，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同。內(nèi)轉(zhuǎn)子型則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，同時(shí)裝備固定傳動(dòng)比的減速器。為了獲得較高的功率密度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)10000r/min。減速結(jié)構(gòu)通常采用傳動(dòng)比在10：1左右的行星齒輪減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速在在1000r/min左右。 圖4 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式高速內(nèi)轉(zhuǎn)子的輪轂電機(jī)具有較高的比功率，質(zhì)量輕，體積小，效率高，噪聲小，成本

8、低；缺點(diǎn)是必須采用減速裝置，使效率降低，非簧載質(zhì)量增大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機(jī)構(gòu)的承受能力等因素的限制。低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小，比功率高，能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩，且響應(yīng)速度快，外轉(zhuǎn)子直接和車輪相連，沒有減速機(jī)構(gòu)，因此效率高；缺點(diǎn)是如要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大發(fā)動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量，因而成本高，加速時(shí)效率低，噪聲大。圖所示為兩種結(jié)構(gòu)形式的輪轂電機(jī)。這兩種結(jié)構(gòu)在目前的電動(dòng)車中都有應(yīng)用，但是隨著緊湊的行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由于電機(jī)電制動(dòng)容量較小，不能滿足整車制動(dòng)效能的要求，通常需要附加機(jī)械

9、制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或者盤式制動(dòng)器。由于電動(dòng)機(jī)電制動(dòng)容量的存在，往往可以使制動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量可以適當(dāng)減小。大多數(shù)的輪轂電機(jī)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，也有采用水冷和油冷的方式對(duì)電機(jī)、制動(dòng)器等的發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4.2電機(jī)應(yīng)用類型與特點(diǎn)分析輪轂電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照電機(jī)磁場的類型分為徑向磁場和軸向磁場兩種類型。對(duì)比如下：（1）軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵心；（2）徑向磁通電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術(shù)更簡單成熟。輪轂電機(jī)的電機(jī)類型分為永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式。其特點(diǎn)如下：（1）感應(yīng)（異步）電機(jī)結(jié)構(gòu)

10、簡單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高；缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高，相對(duì)永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低；（2）無刷永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，已在國內(nèi)外多種電動(dòng)車輛中獲得應(yīng)用；（3）開關(guān)磁阻式電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性好等特點(diǎn)，適用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和控制非常困難和精細(xì)，運(yùn)行噪聲大。5 國內(nèi)外典型輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)日本慶應(yīng)義塾大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以基于輪轂電機(jī)的全輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽

11、車為研究對(duì)象，至今已試制了五種不同型式的樣車。其中，1991年與東京電力公司共同開發(fā)的電動(dòng)汽車iza，采用ni-cd電池為動(dòng)力源，采用四個(gè)額定功率為6.8kw，峰值功率達(dá)到25kw的外轉(zhuǎn)子式永磁同步輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速可達(dá)176km/h。1996年，該小組聯(lián)合日本國家環(huán)境研究所研制了采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車eco，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)，額定功率為6.8kw，峰值功率為20kw，并配速比為1：5的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。輪轂電機(jī)采用機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)再生制動(dòng)相結(jié)合的方式，機(jī)械制動(dòng)力矩由鼓式制動(dòng)器提供，制動(dòng)力分配規(guī)律的基本原則是不損害制動(dòng)效能的前提下，盡可能多的回收制動(dòng)能量，有

12、效延長了續(xù)駛里程。2001年，最新推出了以鋰電池為動(dòng)力源，采用8個(gè)大功率交流同步輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)大轎車kaz，最高時(shí)速達(dá)到311km/h。kaz的輪轂電機(jī)系統(tǒng)中采用高轉(zhuǎn)速的高性能內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)，其峰值功率可達(dá)55kw，提高了kaz的極限加速能力，使其0-100km/h加速時(shí)間僅8秒。為了使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速符合車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速要求，kaz的輪轂電機(jī)系統(tǒng)匹配了一個(gè)傳動(dòng)比為4.588的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。kaz的前后輪沒有采用相同型式的制動(dòng)器，而是前輪采用盤式制動(dòng)器，后輪采用鼓式制動(dòng)器。圖5為kaz的前、后輪轂電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2003年日本豐田汽車公司在東京車展上推出的燃料電池概念車fine-n也

13、采用了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 圖5 kaz一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)法國tm4公司設(shè)計(jì)制造的一體化輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。它采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動(dòng)機(jī)，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相固結(jié)，將電動(dòng)機(jī)外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)鼓集成在一起，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子、輪輞以及制動(dòng)器三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量，集成化程度相當(dāng)高。該一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為18.5kw，峰值功率可達(dá)到80kw，峰值扭矩為670nm，額定轉(zhuǎn)速為950rpm，最高轉(zhuǎn)速為1385rpm，而且額定工況下的平均效率可達(dá)到96.3%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)愛英斯電動(dòng)汽車研究所研制開發(fā)

14、的ev96-1型電動(dòng)汽車也采用外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選用一種稱為“多態(tài)電動(dòng)機(jī)”的永磁式電動(dòng)機(jī)，兼有同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的雙重特性，其額定功率為6.8kw，峰值功率為15kw，集成盤式制動(dòng)器，風(fēng)冷散熱。 圖6 tm4一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在2002年、2003年和2004年分別推出了采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池微型電動(dòng)汽車動(dòng)力平臺(tái)“春暉一號(hào)”和“春暉二號(hào)”，兩者均采用四個(gè)低速永磁直流無刷輪轂電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，匹配相應(yīng)的盤式制動(dòng)器。輪轂電機(jī)為外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)，其外形結(jié)構(gòu)主要考慮與雙橫臂懸架、輪輞及制動(dòng)盤的連接方便。為了提高輪轂電機(jī)的外形通用性，考慮在一定功率范圍內(nèi)的輪轂電

15、機(jī)采用相同的外形結(jié)構(gòu)。該輪轂電機(jī)既可安裝市售微型汽車制動(dòng)盤，又能安裝不同規(guī)格摩托車制動(dòng)盤。因此相同的底盤結(jié)構(gòu)只需更換不同功率的輪轂電機(jī)，即可獲得不同的整車動(dòng)力性能。輪轂電機(jī)額定功率0.8kw，峰值功率2.5kw；額定轉(zhuǎn)矩25nm，峰值轉(zhuǎn)矩155nm；額定轉(zhuǎn)速300rpm，最高轉(zhuǎn)速510rpm。其他電動(dòng)車輛應(yīng)用輪轂電機(jī)的情況見表1。表1 輪轂電機(jī)及其電動(dòng)汽車應(yīng)用車型年份來源動(dòng)力類型電驅(qū)動(dòng)形式iza1991日本tepco純電動(dòng)輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)eco1996日本nies純電動(dòng)輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)luciole1997日本nies純電動(dòng)輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)kaz2000日本純電動(dòng)輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)eliica2

16、000日本keio大學(xué)純電動(dòng)輪轂電機(jī)八輪驅(qū)動(dòng)autonomy2002通用燃料電池輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)s-10 改裝2004雪弗萊混合動(dòng)力輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)quark2004標(biāo)致燃料電池輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)squel2005通用燃料電池輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)中心電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)colt2005三菱純電動(dòng)輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)lancer evolut miev2005三菱純電動(dòng)輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)fcx concept2005本田燃料電池輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)中心電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)cnr-t2/意大利混合動(dòng)力輪轂電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)ct-miev2006三菱混合動(dòng)力輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)6 輪轂電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)分析通常，電動(dòng)汽車采用集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)

17、結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以沿用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車的部分傳動(dòng)裝置，布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，繼承性好；（2）可以采用電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，乃至控制器的集成結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)緊湊，便于處理電機(jī)冷卻、振動(dòng)隔振以及電磁干擾等問題；（3）整車總布置型式與內(nèi)燃機(jī)接近，前艙熱管理、隔聲處理以及碰撞安全性與原車接近或者容易處理。缺點(diǎn)是：（1）傳動(dòng)鏈長，傳動(dòng)效率低；（2）通常要求使用高轉(zhuǎn)速大功率電機(jī)，對(duì)電機(jī)性能要求高。分散電機(jī)驅(qū)動(dòng)相對(duì)于集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）以電子差速控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外車輪不同轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，而且精度更高；（2）取消機(jī)械差速裝置有利于動(dòng)力系統(tǒng)減輕質(zhì)量，提高傳動(dòng)效率，降低傳動(dòng)噪聲；（3）有利

18、于整車總布置的優(yōu)化和整車動(dòng)力學(xué)性能的匹配優(yōu)化；（4）降低對(duì)電機(jī)的性能指標(biāo)要求，且具有冗余可靠性高的特點(diǎn)。但是，分散電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有以下缺點(diǎn)：（1）為滿足各輪運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，對(duì)多個(gè)電機(jī)的同步協(xié)調(diào)控制要求高；（2）電機(jī)的分散安裝布置提出了結(jié)構(gòu)布置、熱管理、電磁兼容以及振動(dòng)控制等多方面的技術(shù)難題。分散電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常有輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)兩種方式。所謂輪邊電機(jī)方式是指每個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是電機(jī)不是集成在車輪內(nèi)，而是通過傳動(dòng)裝置（例如傳動(dòng)軸）連接到車輪。輪邊電機(jī)方式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于簧載質(zhì)量范圍，懸架系統(tǒng)隔振性能好。但是，安裝在車身上的電機(jī)對(duì)整車總布置的影響很大，尤其是在后軸驅(qū)動(dòng)的情況下。而且，由于車身和車輪之間存在很大的