纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展.pdf

第5 5 卷第6 期 V 0 1 5 5N o 6 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 7 年6 月 J u n e2 0 1 7 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 7 0 6 0 1 0 纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展 马旭 张喜清 连晋毅 王俊峰 臧学辰 0 3 0 0 2 4 山西省太原市太原科技大学机械工程学院 摘要 简要介绍了轮毂电机驱动系统的概念和特点 综述了轮毂电机系统在电动汽车上的应用和发展现状 针 对轮毂电机系统的关键技术问题进行了对比分析 提出了未来轮毂电机驱动系统的发展方向 关键词 电动汽车 轮毂电机 直驱系统 综述 中图分类号 U 4 6 9 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 7 0 6 0 0 4 3 0 6 R e s e a r c hP r o g r e s so fI n w h e e lM o t o rS y s t e mf o rN e wE n e r g yE l e c t r icV e h id e M aX u Z h a n gX iq in g L ia nJ in y i W a n gJ u n f e n g Z a n gX u e c h e n C o l l e g eo fM e c h a n ic a lE n g in e e r in g T a iy u a nU n iv e r s it yo fS c ie n c ea n dT e c h n o l o g y T a iy u a nC it y S h a n x iP r o v in c e0 3 0 0 2 4 C h in a A b s t r a c t I n w h e e lm o t o riso n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fp u r ee l e c t r icv e h ic l e s T h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r is t ic so fin w h e e l m o t o rd r iv es y s t e ma r eb r ie f l yin t r o d u c e d t h ea p p l ic a t io na n dd e v e l o p m e n to fin w h e e lm o t o rs y s t e mine l e c t r icv e h ic l ea r es a m m a r iz e d t h ek e yt e c h n ic a lp r o b l e m so fin w h e e lm o t o rs y s t e ma r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n td ir e c t io n0 f in w h e e lm o t o rd r iv es y s t e misp u tf o r w a r d K e yw o r d s e l e c t r icv e h ic l e in w h e e lm o t o r d ir e c td r iv es y s t e m s u m m a r iz e 0 引言 近年来 在方方面面的支持与关注下 新能源 汽车尤其是纯电动汽车得到迅猛发展 而电动汽 车今后将会是人们重要的交通工具 轮毂电机作 为电动汽车最核心的部件之一 其最大的特点就 是将驱动 传动和制动等装置整合到轮毂内 省略 了离合器 变速器 传动轴 差速器 分动器等传统 的传动部件 轮毂电机技术的发展将带来一场车 辆驱动方式的变革 1 轮毂电机系统的概念及特点 轮毂电机系统将电机 传动和制动机构都整 合到轮毂中 称为轮毂电机电动轮 也有人称其为 轮式电机 车轮电机等 英文名称为 in w h e e lm e t o r 川 轮毂电机驱动系统通常由驱动电机 减速 机构 减震系统 制动器与散热系统等组成 有的 没有减速机构 由此轮毂电机驱动系统可分为减 速驱动和直接驱动两大类 结构分别如图l 和图 2 所示 两者的特点对比如表1 所示 基金项目 山西省重点研发计划项目 2 0 1 6 0 3 D 1 2 1 0 2 6 山西省研 究生联合培养基地人才培养项目 2 0 1 6 J D 3 4 校研究生科技创新 项目 2 0 1 5 1 0 2 4 收稿日期 2 0 1 6 1 2 0 7修回E l 期 2 0 1 6 1 2 1 5 定子铁芯 永磁体 电机外壳 转子磁轭 定子绕组 轮胎 轮辋 电机外壳 齿圈 轮毂 行星架 太阳轮 行星轮 图1 减速驱动型电动轮结构 F ig 1D e c e l e r a t io nd r iv ee l e c t r icw h e e ls t r u c t u r e 胎 辋 机外壳 器元件 毂 图2 直接驱动型电动轮结构 F ig 2D ir e c td r iv ee l e c t r icw h e e ls t r u c t u r e 农业装备与车辆工程 2 0 1 7 越 表1 减速驱动与直接驱动电动轮的特点 T a b 1C h a r a c t e r is t ic so fd e c e l e r a t io nd r iv e a n dd ir e c td r iv ee l e c t r icw h e e l s 1 具有较高的比功率 和效率 2 体积小 质量小 3 输出转矩大 爬坡性 能好等 1 结构简单 比功率 高 2 非簧载质量相对 较小 行驶的稳定性 和平顺性相对较好 3 简化了驱动系统 结构 提高了传动效 率等 1 轮毂电机电动轮是电 机 减震与制动等机构的 集成 所以会引起非簧载 质量的增加 缺点 2 电机的运转速度较 快 噪声大 散热困难 润 滑难以实现 3 行星齿轮机构的机械 磨损降低了传动效率等 1 起步 爬坡等需要 较大的转矩 所以会 增加电机的成本 2 电动轮内空间有 限 噪声大 散热困 难 润滑难以实现等 2 轮毂电机系统在电动汽车上的应用进展 1 9 0 0 年德国保时捷公司就研制出一款两个 前轮为轮毂电机的L o h n e rP o r s e h e 双座电动车 2 汽车诞生至今一百多年来 发展速度惊人 汽车的 发展经历了从内燃机 柴油机 混合动力汽车到目 前处于大力研发阶段的纯电动汽车 体现了社会 的发展和人类智慧的伟大 随着社会的需要和现 代科学技术的发展 轮毂电机驱动电动汽车又一 次成为研究的热点 1 9 6 8 年 美国通用电气公司在自己生产的矿 用自卸车上用了一种轮毂电机 日本在轮毂电机 电动汽车方面的研究起步比较早 早在1 9 9 1 年1 3 本人在美国申请了有关电动汽车电动轮的专利 电动轮驱动系统被应用到电动汽车上 其他国家 的汽车制造商从2 0 世纪9 0 年代开始对轮毂电机 系统进行研究并应用在电动车上 如表2 所示 近几年 对轮毂电机驱动电动车的研发更加注 重汽车的整体性能 2 0 1 1 年 在广州车展上 奥迪 e t r o n 轮毂驱动式概念车首次在中国亮相 图3 两个轮毂电机的总输出功率达到1 5 0k W 总扭矩 达到26 5 0N m 该车百公里加速时间只需5 9s 并 且只需5 1s 就可以从6 0k m h 加速到1 2 0k m h e 3 3 2 0 1 3 年 P r o t e a nE l e c t r ic 和巴博斯对梅赛德 斯一奔驰E 级车进行混合动力技术改装 通过后 轮驱动的P r o t e a nD r iv eT M 轮毂电机系统提供充 足的动力 车辆的加速性能有了很大的提升 具有 百公里加速只需7 4S 的优越性能 表2 轮毂电机系统的应用 T a b 2A p p l ic a t io no fin w h e e lm o t o rs y s t e m 车型年份来源动力类型驱动形式 I z A 1 9 9 1 年日本l e io 大学纯电动减篇辫机 E c 0 1 9 9 6 年日本N I E s 纯电动减鬻辫机 K A Z2 0 0 0 H 习5 K e i 大学纯电动 减黼机 E 1 iic a 2 0 0 0 日本K e i 大学纯电动直琴 辨机 A J T On o m y2 0 0 2 年通用汽车公司燃料电池减鬻辫机 Q u A R K 2 0 0 4 年标志汽车公司燃料电池减翟辫机 s q u e l 2 0 0 5 年通用汽车公司燃料电池减徽机 c o l t 2 0 0 5 年三菱集团纯电动减巫 雾 辫机 k c z 0 0 5 三菱集团纯电动减巫 辫机 F C X c o n c e p t C T M 7 I E V V e n t u r i V o l 啦 2 0 0 5 年本田汽车公司燃料电池减徽机 2 0 0 6 三菱集团 混合动力减徽机 2 0 0 8 年V e n t 诚公司纯电动 减黼机 图3E t r o n 轮毂驱动式概念车 F ig 3 E l nw h e e ld r iv ec o n c e p tc a r 2 0 1 6 年 劳斯莱斯首次推出了号称 终极概 念 的无人驾驶概念车1 0 3 e x 图4 这是一款无 人驾驶概念车 该车不仅抛弃了传统的发动机 而 图4 无人驾驶概念车1 0 3e x F ig 4U n m a n n e dc o n c e p tc a r10 3e x 第5 5 卷第6 期马旭等 纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展 4 5 且在轮毂中安装电机来驱动车轮 使驾乘区域摆 脱了侵入式传动系技术的限制 随着新能源汽车市场的推广 电动车已逐渐 涵盖了轿车 S U V 和公交巴士等车型 梅赛德斯一 奔驰发布了 U r b a ne T r u c k 纯电动卡车 主要在人 I 1 密集的中心城区作业 从而减少噪音及废气污 染 目前 该纯电动卡车还处于概念车阶段 该车 将搭载三组电池 两套轮毂电动机 我国的轮毂电机技术起步较晚 但随着国家 电动汽车政策指引 近年来各高级院校加大了在 此技术上的研发投入 各汽车厂商也试图通过外 延并购的方式引入国外先进技术 目前国内对轮 毂电机的研究和应用的企业很多 如广州汽车集 团和奇瑞汽车股份有限公司 2 0 1 0 年广州车展 广汽集团展出了基于阿尔 法罗密欧1 6 6 底盘打造的传祺纯电动汽车 该车 两个后轮采用轮毂电机驱动 2 0 1 6 第1 4 届中国 广州 国际汽车展览会 广汽集团展出了全球首 发的E n L ig h t 智联电动概念车 是一款由广汽研究 院自主研发的具有先导意义的概念跑车 图5 它是轮毂电机四轮独立驱动 拥有无人驾驶与手 动驾驶双重操控模式 兼备智能出行的舒适与跑 车的激情 此概念车还具有智能互联移动终端特 性 全方位打造人 车 生活的智能互联新体验 图5E n L ig h t 电动概念车 F ig 5E n L ig h te l e c t r icc o n c e p tc a r 2 0 11 年上海车展 奇瑞汽车展示了瑞麒x I E V 纯电动汽车 该电动汽车采用四轮轮毂电机驱 动 每个轮子的驱动力可以单独调节 减轻了重 量 节省了空间 保证了宽大舒适的乘坐空间 我国高校是研究轮毂电机技术的主力军 同 济大学汽车学院在2 0 0 2 年以后的3 年里推出了 采用轮毂电机驱动系统的电动汽车动力平台 春晖 一号 和 春晖二号 两个电动汽车都是采用低速 直驱永磁直流无刷轮毂电动机和盘式制动器 哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制 开发了一款E V 9 6 1 型电动汽车 这款电动汽车采 用的是外转子型轮毂电机驱动系统 在该电动轮内 选用的是一种被称之为 多态电动机 的永磁式电 动机 该电动机同时有同步电动机与异步电动机的 双重特性 选用的是盘式制动器 采用风冷散热 3 轮毂电机驱动系统的研究近态 2 0 1 0 年 M r a z 等 4 撰写文章 深刻分析了轮毂 电机的优缺点以及未来的前景 并提出了研究者们 可以尝试减少簧下质量来改善操纵和转向性能 近两年来 国内外对轮毂电机系统技术的研 究日益增多 如国内的吉林大学 同济大学 长安 大学等高校近两年对轮毂电机系统的研究有很大 的突破 如表3 所示 通过表3 可知 对轮毂电机驱动系统的研究 还是要主要集中在减少非簧载质量方面 更加注 重实际应用 以得到轮内制动 悬架和传动等功能 系统的综合最优匹配集成 并且要与传统车辆对 比各种性能差异 以得到轮毂电机驱动技术的电 动轮优化数据和性能参数 使得尽早实现轮毂电 机技术的大规模应用 表3 轮毂电机驱动系统的研究现状 T a b 3R e s e e r c hs t a t u so fw h e e lm o t o rd r iv es y s t e m 通过对轮毂电机系 2 0 t s 年黄冬冬等一 篓耋擎嫠釜彝翁誓 生制动控制策略 应使选用的轮毂电 机参数尽可能与实 际相符 以使仿真分 析结果更准确和有 说服力 农业装备与车辆工程 2 0 1 7 正 续表 年份文献作者成果特点遗留问题 提出了一种新型的对轮毂电机系统的 轮毂电机复合制动结构布置需进行进 方案 进行了结构一步优化 不仅要 设计 参数计算和考虑轮毂内的安装 z 嘶年张瑞鞘 竽嚣巍删羹篡乏耄善嚣森 物 在试验台架上积的变化 以尽量 进行了试验 减少电动轮非簧载 质量 提高汽车的 行驶安全性 专门为轮毂电机电不能仅仅考虑悬挂 动汽车设计了一款机构对汽车非簧载 A s h w in 后悬挂装置 该装质量的影响 应该 2 0 1 6 年D a y MG e o r g e 置的设计可以有效从轮毂电机 悬架 等 l o 地减少非簧载质等轮内机构的集成 量 提升了驾车的总体考虑 来进行 舒适性和平顺性 布局优化 4 轮毂电机系统研究的关键技术问题 目前 轮毂电机设计已经达到比较成熟的地 步 国际上比较著名的轮毂电机生产厂家主要有英 国的P r o t e a nE l e c t r ic 公司 加拿大的T M 4 公司和 法国的M ic h e l in 公司 其中P r o t e a nE l e c t r ic 公司在 轮毂电驱动系统的开发和产业化方面处于领先 P r o t e a nE l e c t r ic 研发生产了一体化集成的轮 毂电机驱动系统P r o t e a nD r iv e 该系统质量3 4k g 左右 能够提供7 5k W 的最大功率和9 9 5N m 最 大扭矩的动力输出 同时 还可回收约8 5 的制动 动能 可在1 8 2 4in c h 的轮圈上适用 该公司已与 多家整车厂商合作研发了多款装置轮毂电机的样 车和改装车型 其中包括广汽传祺T r u m p c h iE V 沃尔沃等 在轮毂电机系统的研究中一直有两个比较重 要的问题 一是电机与车轮集成导致非簧载质量 较大 隔离振动性能下降 影响行驶条件下的车辆 平顺性和安全性 另外一个是由于轮毂空间有限 汽车在不良工况下行驶时容易出现冷却不足导致 的电机过热烧毁问题 即电机的散热问题 4 1 非簧载质量增大问题 对于集成造成的非簧载质量增大问题 J o h a n s e n PR 等 1 1 提出了通过特殊平面电机设计 将 电机的定子质量转化到簧载质量中的方法 L i q ia n gJ in 等 1 2 提出了通过将弹簧和阻尼器用于电 机而将电机附接在车轮中的方法 并且证实了振 动有所下降 L u oY u t a o 等 1 3 提出了对于电机采用 尺寸优化和拓扑优化的混合轻量化设计的方法 并且经过分析 此方法适用于轮毂电机的轻量化 设计 汪志强 1 4 提出了通过优化悬架刚度阻尼匹 配的方法来协调车辆的乎顺性和接地性 并且可 以通过改变车辆的其他参数来减少非簧载质量增 加所带来的影响 2 0 1 2 年 罗玉涛等 坫 设计了一款内置悬置集 成式轮毂电机驱动电动轮 并且申请了专利 与现 有的技术相比 该电动轮的结构紧凑 易于布置 功 率密度大 并且车辆的动力性有明显的提高 同时 有效地改善了电动轮驱动系统的动力学特性 对车 辆的安全性能有所提升 2 0 1 4 年 管西强等 1 6 申请 了 带有电磁减振装置的轮毂电机驱动电动轮 的 中国发明专利 该发明通过线圈电流调节电磁阻 尼力实现减振的主动控制 以解决轮毂电机驱动 电动汽车的平顺性 舒适性较差及轮毂电机工作 环境恶劣的问题 综上所述 根据现有的技术发展和研究 减少 非簧载质量的方法有 1 非簧载质量引起的振 动 可以通过轮毂中的减振系统减弱 2 通过对 轮毂电机的合理布置来减少非簧载质量 3 在条 件允许的情况下 尽量选用直驱型轮毂电机驱动 电动轮等 4 2 散热和冷却问题 轮毂电机驱动电动车在大负荷低速爬长坡工 况下容易出现冷却不足的现象 S C K im 等 1 7 提 出 在轮毂电机的空气冷却结构中 壳体外表面设 置一个冷却槽 以增加传热面积 并且在冷却槽的 方向和空气流动的方向相同时 冷却效果最好 Q ip in gC h e n 等 1 8 计算并分析了轮毂电机的热损 失和温度场 为轮毂电机的优化提供了理论依据 梁培鑫等 1 9 通过对永磁轮毂电机中比较常用的轴 向 z 字型和周向螺旋型水路的散热能力做了比 较 发现轴向 z 字型水路散热能力较强 比较适 合用在轮毂电机系统中 2 0 1 5 年 黄缙青等例申请了一个实用新型专 利 公开了一种新型的汽车轮毂电机系统 该系统 增加了轮毂电机转子和定子的散热效果 即使轮 毂电机系统处于大负载工作时 仍能满足其散热 需求 陈玉等 2 1 申请了 一种水冷式轮毂电机结 构 的中国发明专利 该轮毂电机的散热结构采用 的是双螺旋循环水流道 该结构在同等体积下 可 以增强电机散热的能力 2 0 1 6 年 冯辉恒等 冽发 第5 5 卷第6 期马旭等 纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展 4 7 明了一种油冷轮毂电机 并申请了专利 该专利将 冷却油通道完全环绕在电机的发热部件周围 不 仅可以有效地降低温度 同时还有一定的润滑作 用 散热效果极佳 综上所述 轮毂电机的冷却方法主要有 1 在电动轮的设计中留出必要的空间 利用气体的 循环流动来散热 2 在轮毂电机结构的设计中可 以设置一些流水通道 利用液体的流动来进行散 热 3 同样也可以设置一些散热油的流通管道 利用油液的流动来交换热量 并且还能起到一定 的润滑作用等 轮毂电机系统在汽车领域中的应用尚处于研 究和试验阶段 除了上述两大关键技术问题之外 还有其它一些尚待解决的问题 如轮毂内部空间 毕竟是有限的 对电机功率密度陛能要求高 设计 难度比较大 轮毂电机系统集驱动 制动 承载等 多种功能于一体 优化设计难度比较大 车轮内部 水和污物等容易集存 导致电机的腐蚀破坏 影响 其寿命可靠性 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 等等 5 研究展望与总结 轮毂电机驱动技术将电动汽车推动进入了一 个高速发展的时期 相应的 轮毂电驱动系统非簧 载质量的增加和散热冷却问题一直是学者们研究 的重点 轮毂电机作为电动汽车驱动的核心部件 本 身有很高的可靠性要求 再加上电机是安装在轮 毂里 距离地面比较近 如果长期工作在不良路况 的振动和恶劣环境下 其可靠性就显得尤为重要 因此轮毂电机驱动系统的可靠性是要解决的关键 问题之一 由于轮子内部的空间有限 各个机构的合理 布置相对比较困难 既要保证簧下质量轻量化和 散热 又要保证不会引起相邻部件的振动 设计难 度较大 必然要进行轮毂电机电动轮内部的集成 优化 由于轮毂电机驱动的电动汽车与传统汽车相 比取消了机械传动部分 所以要用电子差速器对 轮毂电机电动汽车进行差速控制 但是车速过快 的情况下 车辆会出现明显的方向失稳现象 此 外 制动系统的研究一直是困扰国内外学者的一 个难题 需加大对轮毂电机的驱动与制动控制的 研究 引 并且要与传统汽车进行性能的仿真与对 比 从而得到轮毂电机电动轮的优化数据与性能 参数 轮毂电机直驱电动轮与集中驱动电机驱动方 式不同 集中电机驱动电机在运转过程中 各个轮 子通过机械传动系统连接 各轮的运动是一致的 但是轮毂电机直驱的电动汽车 其各个电动轮之 间的转速和扭矩是独立受控 虽然提高了整车的 灵活性 但其一致性就很难保证 所以要对轮毂电 机与整车性能的匹配与耦合进行重点研究 总之 在熟悉了有关轮毂电机驱动系统的国 内外的研究和应用现状及其关键技术问题之后 应该在下述几个着力点方面加强研究 1 轮毂电 机驱动系统即电动轮的结构设计与优化 2 轮毂 电机驱动系统与整车性能匹配与耦合控制 3 轮 毂电机 减震和制动等功能机构在电动轮内的集 成与优化 4 轮毂电机直驱电动轮各项性能的仿 真分析 5 轮毂电机直驱系统即电动轮的综合性 能试验台架研发等 参考文献 1 S o l e r oL H o n o r a t iL C a r ic e h iF N o n c o n v e n t io n a l t h r e e w h e e le l e c t r icv e h ic l ef o ru r b a nm o b il it y J I E E ET r a n s a c t io n so nV e h ic u l a rT e c h n o l o g y 2 0 0 1 5 0 4 1 0 8 5 一1 0 9 1 2 S a t o s h iM u r a t I n n o v a t io nb yin w h e e l m o t o r d r iv eu n it K e y n o t e P r e s e n t a t io n c A V E C I O 2 0 1 0 3 奥迪e t m n 概念车 全方位展现电能驱动强大实力 E I Y O L h t t p n e w s if e n g c o m g u n d o n 掣f d e t a il 2 0 1 2 0 8 1 2 7 1 1 7 1 2 3 8 9 0 0 s h t m l 2 0 1 2 0 8 2 7 4 M r a z SJ A r eh u bm o t o r sr e a d yf o re l e c t r icc a r s J M a c h in e D e s ig n 2 0 1 0 8 2 1 3 3 8 4 1 5 李洋 郭孔辉 四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系 统转矩控制研究 D 长春 吉林大学 2 0 1 5 6 赵云 田彦涛 四驱轮毂电机电动汽车稳定性控制研究 D 长春 吉林大学 2 0 1 5 7 黄冬冬 郭金刚 四轮轮毂电机驱动电动汽车再生制动控制 策略研究 D 西安 长安大学 2 0 1 5 8 靳彪 张欣 彭之川 等 四轮轮毂电机驱动电动汽车建模与 仿真 J 冲国公路学报 2 0 1 6 2 9 4 1 3 8 1 4 4 9 张瑞军 何仁新型电动轮的结构设计与性能分析 D 镇江 江苏大学 2 0 1 6 1 0 G e o r g eAD B e s s e l in kI R e a rs u s p e n s io nd e s