基于輪轂電機驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)探討
摘要:隨著(zhù)節能減排的有關(guān)政策標準相繼出臺,傳統動(dòng)力汽車(chē)逐漸向新能源汽車(chē)過(guò)渡。后者在機械與電氣結構上明顯比前者相對簡(jiǎn)單。通過(guò)將電機與電池進(jìn)行系統整合來(lái)替換傳統的發(fā)動(dòng)機了。然而還有一個(gè)最大的問(wèn)題困擾著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員,除了變速箱結構得到了相應簡(jiǎn)化,傳動(dòng)系統還是非常復雜。目前,輪轂電機技術(shù)如果能夠完全推廣,將能取代汽車(chē)現有傳動(dòng)系統。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201810/393671.htm一、應用背景
眾所周知,電池、電機、電控是新能源汽車(chē)必備的三大核心部件。當前的新能源汽車(chē),均采用電機驅動(dòng)系統將電能轉化為機械能為汽車(chē)提供動(dòng)力,因此驅動(dòng)電機也是新能源汽車(chē)的核心技術(shù)之一。
圖 1 新能源汽車(chē)主要系統架構
目前,集中電機驅動(dòng)是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的主要驅動(dòng)形式。雖然其優(yōu)點(diǎn)很明顯,即傳動(dòng)系統和控制系統的布置相對簡(jiǎn)單,但是也存在著(zhù)一些問(wèn)題。由于通過(guò)這類(lèi)電機驅動(dòng)的新能源汽車(chē)存在變速器、離合器、傳動(dòng)軸等機械傳動(dòng)部件,使得底盤(pán)結構更加復雜,隨之帶來(lái)的影響就是乘坐空間十分狹小,而且傳動(dòng)系統通過(guò)機械部件傳遞動(dòng)力的同時(shí)會(huì )造成能量的損耗,造成能量利用率低下。
另外,這種傳動(dòng)系統在新能源汽車(chē)行駛過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較大的噪聲,乘坐人員的舒適性并不能得到保證。國外的專(zhuān)家學(xué)者早年就開(kāi)展了輪轂電機驅動(dòng)的技術(shù)研究,從而優(yōu)化了新能源汽車(chē)底盤(pán)中電機驅動(dòng)的結構緊湊度、能量利用效率等問(wèn)題;而國內相關(guān)院校和單位針對輪轂電機驅動(dòng)技術(shù)的研究尚淺。目前,輪轂電機驅動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在部分新能源汽車(chē)上應用并取得了較好的進(jìn)展。
二、輪轂電機的概念
輪轂電機技術(shù)的起源可以追溯到20世紀元年,當時(shí)的費迪南德·保時(shí)捷在還沒(méi)創(chuàng )立PORSCHE汽車(chē)公司時(shí)就研制出了前輪裝備輪轂電機的電動(dòng)汽車(chē)。上世紀70年代,輪轂電機技術(shù)運用在礦山運輸車(chē)上取得不錯的反響。另外,日本車(chē)企在關(guān)于乘用車(chē)輪轂電機技術(shù)方面的研究開(kāi)展相對較早,基本占據領(lǐng)先地位。豐田和通用等國際汽車(chē)巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。與此同時(shí),國內也逐漸誕生出研發(fā)輪轂電機技術(shù)的自主品牌廠(chǎng)商。
圖 2 歷史上的輪轂電機汽車(chē)
輪轂電機,通俗得講就是將金屬輪轂和驅動(dòng)裝置直接合并為整體的驅動(dòng)電機,換句話(huà)說(shuō)也就是將驅動(dòng)電機與傳動(dòng)制動(dòng)裝置都合并到輪轂中,俗稱(chēng)“電動(dòng)輪”,也叫作輪式電機(wheel motor)。其內部包含了軸承、定子和轉子、小型逆變器等。
圖 3 輪轂電機內部結構(Protean Drive TM)
三、輪轂電機驅動(dòng)方式
(1)減速驅動(dòng)
此驅動(dòng)方式采用高速內轉子電機,同時(shí)配置了固定傳動(dòng)比的減速器,功率密度相對較高,該電機的轉速最高可達到10k r /min。
優(yōu)點(diǎn): 具有較高的比功率和效率,體積小,質(zhì)量輕;減速結構增矩后使得輸出轉矩更大,爬坡性能好; 能保證汽車(chē)在低速運行時(shí)獲得較大的平穩轉矩。
缺點(diǎn): 難以實(shí)現潤滑,行星齒輪減速結構的齒輪磨損較快,使用壽命相對變短,不易散熱,噪聲比較大。
(2)直接驅動(dòng)
此驅動(dòng)方式采用低速外轉子電機,電機的外轉子直接與輪轂機械連接,電機的轉速一般在1.5K r /min 左右,無(wú)減速結構,車(chē)輪的轉速與電機轉速一致。
優(yōu)點(diǎn): 由于沒(méi)有減速機構,使得整個(gè)驅動(dòng)輪的結構更加緊湊,軸向尺寸也較前一種驅動(dòng)形式小,傳遞效率更高。
缺點(diǎn): 在起步、頂風(fēng)或爬坡等需要承載大扭矩的情況時(shí)需要大電流,很容易損壞電池和永磁體,電機效率峰值區域小,負載電流超過(guò)一定值后效率下降很快。
四、國內外現狀
(1)日本三菱
三菱公司(Mitsubishi)的MIEV 技術(shù)始于2006年,并應用于其 MIEV樣車(chē)上。目前該樣車(chē)已經(jīng)發(fā)展到了第三代。其中比較有代表性的是 Colt EV 及四驅跑車(chē)(Lancer Evolution MIEV)。其中三菱的輪轂電機技術(shù)是日本東洋電機提供,該輪轂電機具有以下特點(diǎn):逆變器采用 BOOST升壓方案,且為每臺電機由一臺逆變器控制;電機采用永磁同步電機與輪轂的一體方案,保留原有的制動(dòng)器及減震系統;東洋電機方案同樣具有冷卻的問(wèn)題,采用自然冷卻,且未批量推廣。
圖 4 系統示意圖
(2)法國米其林
Michelin公司開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)減震輪轂電機系統。該系統在電動(dòng)機和車(chē)輪之間增加了一套減震裝置,從而提高了車(chē)輛的行駛平順性和主動(dòng)安全性。該公司最新公布的新一代輪轂電機系統的特點(diǎn)如下:輕量化和結構緊湊化,而且減少了系統質(zhì)量; 獨特構造的懸掛裝置,電機的懸掛裝置是由直線(xiàn)狀導塊、螺旋彈簧、減震器、緩沖擋塊構成,并位于車(chē)軸與電機之間,由直線(xiàn)導塊控制電機的上下運動(dòng),螺旋彈簧則支承電機的重量,減震器用于減震;電機可靠性的提高,電機應用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù),使得輪轂電機在灰塵與雨水的特殊環(huán)境下具有更高的可靠性。
圖 5 輪轂電機驅動(dòng)系統(Siemens / Michelin)
(3) Protean-E
Protean-E 輪轂電機采用分布式電機方案,即一體化的電機中包括8個(gè)共用母線(xiàn)小型永磁電機,環(huán)形電容旋轉在電機內部,逆變器也同樣分為8 組模塊固定在輪轂上,Protean-E的電機系統散熱采用自然冷卻。
圖 6 Protean-E電機裝配圖
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