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轮毂电机的优缺点(应用现状及发展趋势)

一、概述

能源与环境问题日益成为制约人类社会发展的重要因素,节能环保的电动汽车的兴起已成必然。纵观世界新能源汽车的发展,汽车的电动化是大势所趋,其核心部件电机作为主要的驱动方式在新能源汽车的发展过程中发挥着重要的作用。

轮毂电机以其诸多优势,被认为是未来电动汽车主要的驱动形式,轮毂电机技术又称车轮内装电机技术(In-wheel motor),该技术最大的特点是驱动电机被设计安装在新能源车辆的车轮内部,使得采用该技术的车辆传动结构得到大幅简化,轮毂电机驱动方式是将2个或者更多的电机安装在车轮内部,与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比有很大的优势。

轮毂电机结构如图 1所示。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图1 轮毂电机结构

相比传统的中央电机,轮毂电机把整个驱动电机、控制器都集成在车轮轮毂内部,省掉变速器、车桥、差速器几大零部件,从而实现效率最大化,动力零部件的减少势必将改变汽车底盘的构造,对整车设计、轻量化,以及汽车零部件产业等都将产生深远的影响。

同时轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的车轮中,直接驱动轮毂旋转。与内燃机、单电机等传统集中驱动方式相比,其在动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点明显,主要表现为:

(1)动力系统由机械传动硬控制改为电子系统软控制,动力控制由硬连接改为软连接能通过电子控制器,实现各轮毂从零到最大速度之间的无级变速和轮毂间的差速要求。省却了传统的机械换挡、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等装置,使得驱动系统和整车结构简约归一,可利用空间增大,传动效率提高(理论值为10%)。

(2)各个电机的转矩和转速可以由电子设备直接控制,控制更为方便和灵活,两侧的驱动轮之间没有刚性连接轴,不需要机械差速器,在车辆转弯时可通过分别调节两侧驱动轮的转速大大减小车辆的转弯半径,若进一步导入四轮转向技术(4WS) ,在极限情况下甚至可以实现零半径转向。

(3)各轮毂扭矩独立可控,响应快捷,正反转灵活,瞬时动力性能更为优越,显著提高了适应恶劣路面条件的行驶能力。

(4)整车布局和车身造型设计的自由度大大增加。以汽车为例,将底架的承载功能与传动功能分离后,桥架结构大为简化,更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化,缩短新车开发周期,降低开发成本。

(5)容易实现轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈,具有良好的再生制动性能,效率可达80%以上,还能对整车能源的高效利用实施最优化控制与管理,有效节约能源。

轮毂电机造成的非簧载质量增大,对车辆乘坐舒适性、操控稳定性、安全性等存在影响。得益于轮毂电机的高功率密度、轻量化设计要求,簧下质量增加有限。通过底盘悬架重新调校,受簧下质量增加而下降的车辆性能可以恢复,特别是对配备多连杆等独立悬架的车辆。但轮毂电机外部接口的安装空间,可能会受到整车底盘部件尺寸限制。

对于商用车,无论是载人还是载货,车辆的簧上与簧下的质量配比不是很明显,加上商用车一般行驶速度比较慢,因此由重量增加带来的轮毂惯量也较小。最重要的是,大中型城市客车应用轮毂电机驱动技术可以真正实现大开门、低地板和宽通道,更加便捷乘客上下车,达到提高公共交通运力的目的。据权威资料显示,国外采用 e-Traction 轮毂电机驱动技术的城市客车,其运力大约提升 20%,车身自重约减轻30%。

二、轮毂电机的概念及驱动形式

1、轮毂电机的驱动技术要求

考虑到电动汽车运行工况的复杂性,并结合轮毂电机驱动方式的特点,对轮毂电机的技术要求主要包括:

(1)由于汽车自重和轮毂空间有限,要求轮毂电机具有较高的转矩密度;

(2)为满足汽车的快速起动、加速、爬坡和频繁起停等要求,轮毂电机应具有非常宽的调速范围和较强的抗过载能力,且在较宽的转速、转矩工作区域内能保持较高的效率;

(3)轮毂电机应能承受高温、低温、剧烈振动和多变天气的影响,在各种恶劣环境下能够正常工作;

(4)在多种复杂行驶工况下,轮毂电机应具有较强的抗干扰能力和较高的控制精度。

2、轮毂电机的结构型式

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转子电机,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。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15000r/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。内转子轮毂电机转矩小、转速高,需配备减速器方可驱动车轮。

(1)外转子轮毂电机

外转子轮毂电机(见图2)可以用在商用车上,也可以用在乘用车上。外转子电机由于转速低、转矩大,通常都不需要减速机构,电机的外转子直接与轮毂机械连接。外转子轮毂电机的优缺点如下:

优点:取消机械减速机构,结构更加紧凑,减少传动链条,降低故障率,传递效率更高;能在较宽的速度范围内控制扭矩,并且响应速度快。

缺点:在起步、顶风、加速或爬坡等需要承载大扭矩的情况时,电机需要大电流,容易损坏电池和永磁体,电机效率峰值区域小,负载电流超过一定值后效率下降很快;电机的体积和质量均偏大,成本高。

外转子轮毂电机虽然节省了半轴和减速机构等部分,但是巨大的体量是其无法规避的弱项,尤其在没有减速器的情况下,要获得足够大的扭矩,就必须把转速降下来,就是低速大扭矩。在恒定扭矩下,功率和转速成正比,转速上不去,功率密度就无法提高,进而导致体积较大,重量偏大。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图2 外转子轮毂电机示意图

(2)内转子轮毂电机

内转子轮毂电机(见图3)的最高转速为15000r/min。为了满足车轮实际转速的要求,需要与减速装置配合使用,来达到减速增扭的目的。内转子轮毂电机对电机要求不高,但是由于引入了减速机构,使轮毂电机结构变得复杂,并增加了汽车非簧载质量。内转子轮毂电机的优缺点如下:

优点:电机运行在高转速下,具有较高的比功率和效率,重量轻,体积小、成本低,通过齿轮增力后,扭矩大、爬坡性能好,能保证在汽车低速运行时获得较大的平稳转矩。

缺点:采用减速机构效率低,非簧载质量大,电机最高转速受到线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承载能力等因素的限制;难以实现液态润滑,齿轮磨损较快、使用寿命短,不易散热,噪声偏大。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图3 内转子轮毂电机示意图

由于内转子轮毂电机需要集成减速器,对于乘用车前轮来说,狭小的空间内需要布置电机、减速器、制动器、转向系统等等,故内转子轮毂电机较少见于乘用车应用。

3、轮毂电机的驱动形式

(1)减速驱动

见图4,电机一般在高速下运行,而且对电机的其他性能没有特殊要求,因此可选用普通的内转子电机。减速机构放置在电机和车轮之间,起减速和增加转矩的作用。减速驱动的优点是:电机运行在高转速下,具有较高的比功率和效率,重量轻,体积小、成本低,通过齿轮增力后,扭矩大、爬坡性能好,能保证在汽车低速运行时获得较大的平稳转矩。缺点是:采用减速机构效率低,非簧载质量大,电机最高转速受到线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承载能力等因素的限制;难以实现液态润滑,齿轮磨损较快、使用寿命短,不易散热,噪声偏大。减速驱动方式适用于丘陵或山区,以及要求过载能力较大等场合。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图4 减速驱动示意图

(2)直接驱动

见图5,电机多采用外转子结构形式,电机的外转子直接与轮毂机械连接,电机转速较低,一般在1500rpm左右,省去了减速机构,驱动系统重量轻。为了使汽车能顺利起步,要求电机在低速时能提供大的转矩。直接驱动的优点是:由于没有减速机构,使得整个驱动轮的结构更加紧凑,轴向尺寸也较前一种驱动形式小,传递效率更高。其缺点是:在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流,很容易损坏电池和永磁体,电机效率峰值区域小,负载电流超过一定值后效率下降很快。此方式适用于平路或负载较轻的场合。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图5 直接驱动示意图

三、电机类型

要使电动汽车有较好的使用性能,驱动电机应具有较宽的调速范围、较高的转速、足够大的起动扭矩,以及体积小、重量轻、效率高,并具有强动态制动和能量回馈等特性。目前,电动汽车用电动机主要有异步电动机(IM) 、永磁无刷电动机同步电机(PMSM)和开关磁阻电动机(SRM) 、横向磁场电机(TFPM)等四类。各种电机有各自的优缺点,以下就分别作以比较。

1、异步电机(IM)

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。但是异步电机也存在诸多问题,比如转差率的存在使调速性能较差;驱动电路复杂,成本高;相对永磁机而言,效率和功率密度偏低。所以不太适用于电动汽车的轮毂电机。

2、永磁同步电动机(PMSM)

永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点 ,在电动汽车领域颇受青睐。日本绝大多数电动汽车采用永磁无刷电机驱动系统。

3、开关磁阻电动机(SRM)

开关磁阻电机近年来发展成为轮毂电机,其定子和转子均采用凸极结构。定转子极数不相同,主要有两种组合形式:定子6极,转子4极的三相开关磁阻电机和定子8极,转子6极的四相开关磁阻电机。开关磁阻电机的转子上既没有绕组也没有永磁体,只在定子上装有集中励磁绕组,由变频电源为定子集中励磁绕组提供交变电流使其工作在开关模式下。开关磁阻电机功率转换效率很高,功率密度大,启动电流小,结构简单,且调速范围宽,控制简单,在轮毂电机家族中具有很强的竞争力。但是由于电机运行在开关模式下,电流波动大,会产生较大的噪声和振动,为保证其正常工作需要安装电流检测器和位置检测器。

4、轴向磁通电机(TFPM)

轴向磁通电机最早是由德国著名电机专家H. Weh于上世纪 80年代末提出 ,并将之使用到电力舰船、电动汽车上。轴向磁通电机相对于其他种类的电机有许多突出的优势:实现了电路和磁路的解耦,设计自由度大大提高;效率和转矩密度特别高,适合运行在低转速、大转矩的场合下;绕组形式简单,不存在传统电机绕组的端部;各相之间相互独立;驱动电路和永磁无刷直流电机相同,可控性好。但其也存在许多缺点:永磁体数目多,用量大;结构复杂,工艺要求高,成本高;漏磁严重;功率因数低;自定位转矩较大等。

感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机都已经广泛应用于电动汽车驱动系统。与其他驱动电机相比,永磁同步电机具有体积小、质量轻、响应快、效率高等优点。此外,永磁同步电机除了具有高功率密度、高转矩密度和高效率外,还具有独特的弱磁扩充能力,永磁同步电机在电动汽车驱动系统得到越来越多的应用。永磁同步电机能够满足上述轮毂电机技术要求,因此,永磁同步电机是电动汽车轮毂电机的最佳选择。

四、国内外经典轮毂电机研究现状

在轮毂电机研究方面,日本起步较早,研究较为深入,技术比较领先。20 世纪90 年代,日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组研制的IZA、KAZ、ECO 等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。IZA 电动汽车采用直接驱动方式,电机的外转子直接与轮毂相连,采用4个25kW轮毂电机,续航里程270 km,最高速度可达170 km/h,但是只制造了1台样车。

2011 年,SIM-Drive公司创始人清水浩教授设计了Eliica电动汽车。该车采用8个独立的60kW电机驱动,最大速度可达370km/h。同年,“SIM-LEI”电动汽车被研制出来,该车充电1次可行驶308km,0~100 km/h加速时间为4.8s,最高车速可达150 km/h。2014 年,SIM-Drive公布了“SIM-WIL”电动汽车,该车提高了能量传递效率,增加了电池容量,充电1 次可行驶351 km。

荷兰e-Traction开发用于12-18米客车及货车的第二代e-traction轮毂电驱桥。电动轮的工作转速范围为0 ~ 500 rpm,最大转矩(持续30s)为10000 N·m,最大输出功率为204kW。

德国ZIEHL-ABEGG开发适用于城市公共汽车、机场大巴的ZAwheel轮毂电机桥。ZAwheel轮毂电机SM530的额定功率为113kW,额定扭矩为2700N·m,工作转速区间为0 ~ 485 rpm。

北美TM4公司设计的轮毂电机采用外转子式永磁电动机,将电动机外壳集成为鼓式制动器的制动鼓作为车轮的组成部分,集成化设计程度非常高,额定功率为18.5kW,峰值功率达80kW,额定转速为950r/min,最高转速为1385r/min。额定工况下的平均效率可达96.3%。

我国发展轮毂电机驱动技术起步时间比较晚,近年来随着国家政策支持推进新能源汽车产业及相关技术的发展,以轮毂电机驱动系统为代表的分布式驱动产品研发力度不断增加,国内为了加快推动轮毂电机产业技术发展,许多车企与国外轮毂电机厂商合资合作。其中乘用车方面,浙江亚太机电与斯洛文尼亚 Elaphe Propulsion 公司、浙江万安科技与 ProteanElectric 公司先后合资成立了生产轮毂电机和电动轮总成的公司;商用车方面,湖北泰特机电收购了荷兰e-Traction 公司,生产客车、公交车用轮毂电机驱动系统。

五、轮毂电机产业化难点

因为轮毂电机轮端的实际应用环境( 空间有限、振动冲击、泥沙涉水、冷却散热等) ,远比中央电机复杂,故相应的开发难度将倍增,甚至会遗留一些技术问题短期难以解决,或使应用场景受限。

1、电机过热

如何更高效率的散热一直是电机设计的关键问题。对于轮毂电机则更加突出。一般为了降低成本,轮毂电机采用风冷较多。因此问题就细化为,如何提高风冷的散热能力。一般可分为优化现有冷却结构,和采用新型散热系统两种路线。

优化现有结构,一种方法就加大散热筋的面积,提高散热功率。另外一种方法是优化散热筋的布置方向,将其方向调整到和风速同向,也能略微改善散热效果(见图6)。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图6 轮毂电机的风冷效率改善

局部优化带来的效果有限,如果要在冷却功率上有质的改善,需要采用新型冷却系统。下面介绍一种热管冷却技术(见图7)。

UQM的电机采用了一种热管冷却技术铜质热管轴向深入电机机壳,快速的把热量从定子导出到特殊设计的散热筋,此处通风情况良好。对于一款13.7kW的电机,在无强迫冷源的技术下,峰值散热功率为1.3kW。如果施加强迫冷源(风冷)峰值散热功率可以达3.7kW。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图7 轮毂电机的新型冷却技术—热管冷却

实践下来这种热管冷却技术,确实可以大幅度降低电机温度。在自然冷却的情况下,定子的温度降低到65℃,转子的温度降低到52℃。如果采用强迫风冷,温度还能进一步降低。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图8 冷却效果对比

2、永磁材料退磁

轮毂电机一般是表贴式转子结构,磁钢直接面对气隙磁场,容易退磁。要改善这个问题,需要借鉴集中式电机的发展道路。就是由表贴式过渡为内插式转子结构,由单层结构,过渡为双层结构。磁钢埋入铁芯后,铁芯能起到对退磁磁场旁路的作用,不让永磁体直接面对退磁磁场。

下面是一台80kW的外转子轮毂电机,其磁极结构采用的是SPOKE结构,磁钢切向布置,抗退磁能力高于表贴式结构。

对于内转子结构,更容易实现内插式结构,下图是汉阳大学开发的35kW轮毂电机,采用U型磁极结构,抗退磁能力也较高。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图9 改善永磁退磁的解决方案

3、量产制动系统的配套开发

轮毂电机制动系统(见图10)包括: 圆环形的制动盘、合适材料的制动片、能对制动盘提供足够夹紧力的制动卡钳、与车辆悬架连接的支撑托架等制动组件。

制动盘固定在电机转子内端面外缘,则制动传递路径的载荷校核、制动摩擦磨损颗粒物及泥水沙石排出、制动热衰退、制动振动噪声控制及高低温/盐雾环境下应用可靠性等设计开发细节,均要求整车厂家结合搭载车辆的质量、轴荷、制动力分配、制动时间距离等,配套开发其可量产易维护的制动系统、重新标定ABS等安全系统。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图10 轮毂电机双卡钳制动系统示意图

4、全生命周期下的密封性能保证

轮毂电机设计寿命长达15 年或里程达30 万公里,主要采用两道密封来保证全生命周期下的密封性能要求,如图11所示。

安装于电机转子与定子之间的特殊材质V型圈进行动密封,合理的自适应结构可实现水和颗粒物的隔离,并适应运行温度变化及偏磨。针对线圈绕组等高压部件,通过优选多层复合绝缘材料精确灌封进行静密封。该密封结构已在某工程样车上完成超过30 万公里确认,但针对不同车型或不同运行环境条件下的密封性能有待进一步验证。出于降低成本等目的,考虑采取电机定转子壳体全密封改进等结构方案( 轮端允许尺寸是关键) ,以减省密封部件或调整昂贵材料,且达到了更佳密封性能。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图11 轮毂电机密封方式示意图

5、成本

从研究角度来说,轮毂电机让人们对未来驱动技术的发展十分乐观,但是由于其成本一直居 高不下,导致轮毂电机驱动技术的大规模商业化应用尚未实现。在车辆的前轮或后轮,轮毂电机成对搭载,甚至在四轮以上的更多车轴应用,且每个轮毂电机常规各采用一套独立的电控系统,故相同的功率输出条件下,若车辆动力系统选用轮毂电机驱动方案,价格成本将是中央电机驱动方案的数倍。PD18 轮毂电机主要成本分布如图12 所示。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图12 轮毂电机主要成本分布

出于功能安全冗余等设计考虑,且在尚未形成规模化量产,重要的电子件( IGBT、芯片及元器件等) 均需以样品价格进口,导致成本压力较高。

6、制造

轮毂电机的装配制造主要有3方面的工艺: 转子组件分/ 组装、定子组件分/ 组装、定转子合体。因允许安装的车辆轮毂空间限制,PD18轮毂电机及内置电控系统一体化设计的机电耦合程度非常高,3 方面制造工艺均与中央电机的核心工序不同,如永磁体选择前充磁或后充磁、铁心热套变形量控制、动平衡纠正配重方式、线圈组绕制及三相连接、定子灌封温度及温升、机电耦合处粘合或焊接处理、定转子合体后气隙保证等方面均需要重新摸索适合稳定生产的量产方式,前后道工序参数的相互影响,开发定制工装及智能设备。PD18 轮毂电机转子组件部分制造工序如图 13所示。

轮毂电机应用现状及发展趋势

图13 轮毂电机转子组件部分制造工序

7、产业化市场

轮毂电机产业化之路,必须要有上下游产业链的同步工程支持,各展所长解决技术及成本等难点。轮毂电机的专业零部件供应商,尚需在 3 ~ 5 年内持续配合样件开发及奠定稳定供货能力、打破国外知识产权垄断; 整车厂家推动低地板型式等新一代汽车底盘动力学一体化控制系统研发,将制动/ 驱动、转向主动悬架等功能集成于“主动轮”或“电动轮”,提升燃料电池及电动汽车等新能源车在可用车内空间、续航里程、智能驾驶及操控安全等方面的商业价值; 完善普通终端客户用车体验及产品售服体系,对产业化推广进度影响巨大。

六、轮毂电机的驱动技术总结和产业化展望

由于轮毂电机还没有大规模量产,成本居高不下,推广普及还需要一定时间。对于传统车企来说,一直以来的传统是,传动归传动,驱动归驱动,底盘归底盘,分属不同的部分,泾渭分明。一旦普及,传动系统将取消,驱动和底盘将深度融合在一起,对于传统车企的组织架构是一个非常大的挑战。传统车企想要推动这个变革,其决心不亚于壮士断腕。

面对多变的世界,悠久的历史和庞大的规模对于传统车企来说,是一个负担。是时候摆脱束缚、轻装上阵了。受结构限制,从目前行业趋势来看,外转子轮毂电机最有可能在电动大巴上取得突破,而在重载的卡车领域可能还是轮边电机方案更合适;另外,外转子轮毂电机可能在一些特种领域如军用越野和矿山电动轮等行业率先取得突破。

轮毂电机驱动技术的研究是未来新能源汽车驱动体系研究的重要方向,对于促进新能源汽车领域的发展以及环保领域的发展有着重要的作用。但是由于技术的迭代更新较快,轮毂电机还有很多需要解决的技术难题,同时国内的轮毂电机技术的发展和国外相比还有较大的进步空间,如果未来想要大规模量化生产轮毂电机需要突破很多技术难题,只有在技术上取得成就与进步,才能使轮毂电机在国内外市场上取得更为广阔的发展与应用。

轮毂电机的后续研发将致力于以下几个方面:一是提高调速范围和转矩的变化范围,适应汽车在不同工况下的运行需求;二是提高功率密度和能源利用效率,降低电机重量;三是攻关电子差速控制技术,避免车速在超过一定值时,车辆出现明显的方向失稳现象;四是完善轮毂电机无传感器控制技术;五是解决电动机在密封、冷却和抗振方面的问题,提高运行可靠性;六是开发全新的适合轮毂电机搭载的底盘,促进车轮、轮毂电机等关键部件的一体化;七是降低成本,实现轮毂电机的大规模商业化。

在基于不同电机类型的轮毂电机中,永磁电机由于其独特的优势将继续得到更大的发展。大型客车应用轮毂电机技术日趋增多,其车轮直径较轿车更大,转速更低,轮毂电机内部布置更为方便。随着动力电池、电子控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破,轮毂电机技术必将在电动汽车上得到广泛应用。

轮毂电机驱动系统是一种全新的驱动形式,具有的明显优势,已成为电动交通工具发展的一个重要方向。目前,轮毂电机已在电动自行车的应用上取得巨大成功。可以预见,随着研究的不断深入,电机性能的不断提高,以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破,轮毂电机也将在电动汽车上取得更大的成功。

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