輪轂電機技術在新能源汽車上的應用分析

韋萍

(廣州汽車集團股份有限公司，廣州510030)

能源與環境問題將制約汽車工業的后續發展，世界各國政府和汽車企業正積極研究和開發新能源汽車并推進產業化。我國基本確立新能源汽車發展的技術路線，明確新能源汽車的范圍為插電式混合動力車、純電動車和燃料電池車，因此車用電池、電機、電控三大關鍵核心技術的地位凸顯，已成為了各大汽車和零部件企業、科研院校的主要攻關方向。對于傳統車輛發動機是心臟，換言之，電機則是電動汽車的心臟，可見三大關鍵核心技術之一的電機技術的應用將會在新能源汽車的發展中起到極其重要的作用。

1 電動化是全球新能源汽車的發展趨勢

1.1 相關國家新能源汽車發展計劃

目前，歐洲、日本、美國的新能源汽車產業規劃已基本形成，幾乎所有的汽車廠商都在開發新能源汽車，尤其是純電動汽車。歐盟計劃2012年新能源汽車產量將達10萬輛，2016年100萬輛，2020年500萬輛。歐盟已撥14.3億歐元支持電動汽車研發，70億歐元貸款支持制造商生產清潔能源汽車。日本預計新能源汽車2020年市場占有率約50%，保有量1 350萬輛，2030年達到2 630萬輛，并投資455億日元用于電動汽車關鍵技術的開發和創新基礎科學研究。美國在2015年將普及100萬PHEV(插電式混合動力電動車)，已撥24億美元支持PHEV，對PHEV汽車的稅收優惠為2 500～15 000美元/輛。國外大汽車公司普遍把2013～2015年定為電動汽車、甚至是燃料電池汽車進入市場、實現產業化的節點。各國電力供應商和幾大國際能源公司已做好準備，積極參與電動汽車的能源供給系統建設［1］。

1.2 我國新能源汽車發展計劃

我國工信部起草的《節能與新能源汽車產業發展規劃》指出，到2015年，純電動汽車和PHEV的市場保有量要達到50萬輛以上。到2020年，新純電動汽車和PHEV市場保有量達到500萬輛。更樂觀的觀點認為未來10年內，中國節能與新能源汽車規?？偭恳_到世界第一，未來中國新能源汽車面臨大規模發展和產業化已經成為業內的共識。屆時，有可能實現替代燃油580萬噸，減少CO2排量1 000萬噸。

汽車電動化是全球新能源汽車的發展趨勢，而無論采用何種新能源技術，電力驅動都是不可或缺的組成部分。電機作為主要的電驅動方式，其產品及制造技術的提升，在新能源汽車的發展過程中將發揮重要作用。

2 電機技術和驅動方式

對于傳統車輛來說，發動機和變速器是關鍵的動力系統，而在電動汽車中，電動機是主要的動力系統關鍵件［2］。

2.1 電機技術

與一般工業用電機不同，用于汽車的驅動電機應具有調速范圍寬、起動轉矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結構簡單、成本低、維護簡單、適合大規模生產等。目前電動汽車電機主要有3種形式，即異步電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電動機。其中，永磁電機具有效率高 比功率較大 功率因數高 可靠性高和便于維護的優點。特別是采用矢量控制的變頻調速系統，可使永磁電動機具有寬廣的調速范圍，永磁電機是電動汽車尤其是轎車的主流技術［1］。

隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發展，永磁驅動電機將迎來一個更為快速發展的時期，其發展趨勢也將呈現以下特點:高功率密度、高轉矩密度、高可控性、高效率、高性能、高性價比等，以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求。未來我國電動汽車用驅動電機系統將朝著永磁化、數字化和集成化方向發展。

2.2 驅動方式

電動汽車的電機驅動方式主要分為集中電機驅動和輪轂電機驅動兩種。

集中電機驅動是以傳統內燃機汽車為基礎，采用集中電機驅動系統代替內燃機和變速器系統與傳動系統連接，最大限度保留原車型的車身結構和組件，僅對動力總成系統和相關部件進行替換。集中電機驅動是將傳統內燃機汽車改造為純電動汽車的一種快速、適合小批量試制且較易控制成本的電動汽車開發解決方案。

輪轂電機驅動是將電機設計安裝在車輪的輪轂內，輸出轉矩直接傳輸到車輪，舍棄傳統的離合器、減速器、傳動橋等機械傳動部件，提高了車體空間的利用率。為了在有效的空間內達到較好的性能指標和效率，輪轂電機都采用了永磁材料。

文中結合所在單位開展的新型輪轂電機驅動純電動汽車的開發和試驗工作，對輪轂電機在新能源汽車上的應用進行分析。

3 輪轂電機的結構和技術參數

2011年4 月，在上海車展上，廣汽集團展出了首款新能源乘用車純電動傳祺，該車采用世界領先水平的新型輪轂電機驅動系統和鋰電動力，每個輪轂電機有8個分電機和獨立控制系統，全部集成在輪轂內，重量輕、扭矩大、結構緊湊，兩個輪轂電機的最大功率為166 kW，最大扭矩1 650N·m。整車動力強勁，實現零排放，續駛里程長，并保持了傳祺寬敞的駕乘空間與行李箱容積。

本研究的重點為膠東半島地區耕地地力，而對于園地、林地等類型并未包含，在今后的研究工作中，可逐步擴大研究范圍，開展園林地的專項評價研究。依據研究結果結合當地實際狀況，對膠東半島區域耕地資源利用保護提出以下建議：加強保護和監管，調整種植結構，加大農業基礎設施建設力度，改良土壤的理化性質，平衡施肥，選擇高品質優良種植品種發展多種經營模式，提高經濟效益。耕地地力受自然環境以及人類利用的影響尤為明顯。隨著時間的推移，耕地存在動態變化過程，因此，為及時掌握耕地地力變化，有必要建立起耕地地力的動態監測體系，使評價結果更具現實性。

3.1 輪轂電機總體結構

純電動汽車采用的輪轂電機技術，就是將動力、傳動和制動裝置都集成到輪轂內，將電動車輛的機械部分大大簡化。輪轂電機的外觀如圖1所示。在車輛上，輪轂電機與懸掛系統相連，由定子、車輪軸承、微型逆變器、線圈和轉子等組成，其總體結構如圖2所示。

(1)定子。升級為車輛的懸架橋殼。繞組、電力電子裝置以及散熱安裝在該金屬板上。

(2)車輪軸承。車輪軸承的背面連接至定子和懸架橋殼，正面連接至轉子和車輪。

(3)微型逆變器。微型逆變器模塊沿繞線銅線圈安裝與定子。

(4)線圈。線圈 (沿微型逆變器)直接安裝至散熱器。

(5)轉子。該組件安裝至車輪軸承及車輪，允許其旋轉。

車輛的輪緣穿過車輛軸承而非定子和轉子連接至懸架橋殼，以承載路面減震器及負荷。

3.2 分電機結構

輪轂電機采用分電機結構設計，每個輪轂電機由八組分電機組成，每組分電機帶獨立的逆變器，共享一個轉子，如果有一對電機組壞掉，其他電機組也能平衡地工作，如圖3所示。

3.3 輪轂電機的主要技術參數

輪轂電機主要技術參數如表1所示。

表1 輪轂電機主要技術參數

4 輪轂電機技術在新能源汽車中的應用

4.1 輪轂電機的布置

圖4為集中電機驅動和輪轂電機驅動系統布置比較圖。采用集中電機驅動方式的電動汽車，需要固定的電力電子裝置，變速器、傳動軸、差速器、車橋等，結構布置復雜且昂貴，如圖4(a)所示。采用輪轂電機驅動方式的電動汽車，電機系統將電力電子裝置 電機控制器 與電機本體作為一個整體集成安裝在輪轂上，通過模塊化設計，集成化解決方案，省略了大量傳動部件，結構更簡單，零部件更少，集成性價比更高。而且車輛可以獲得更好的空間利用率，傳動效率也高于其他形式的汽車，如圖4(b)所示。

4.2 輪轂電機驅動的特性分析

與集中電機驅動相比，輪轂電機驅動具備較大的優勢，主要表現為:

(1)采用輪轂電機驅動，動力傳動的硬件連接改為軟連接形式，省略了傳統汽車所需的離合器、變速器、機械操縱換擋裝置、傳動軸和機械差速器等，汽車結構大為簡化，車輛空間利用率大大提高，整車總布置和車身造型設計的自由度大大增加。

(2)采用輪轂電機驅動，各電動輪的驅動力可以直接動力可控，其動力學控制更為方便和靈活，特別是兩側的驅動輪之間沒有剛性連接軸，不需要傳統汽車的機械差速器，在車輛轉彎時可通過分別調節兩側驅動輪的轉速實現差速功能，大大減小車輛的轉彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向，對于特種車輛很有價值。

(3)容易實現各電動輪的電氣制動、機電復合制動，各電動輪之間也容易實現靈活的協調配合，可減少傳動中的機械磨損和損耗，提高傳動效率。

(4)純電動、燃料電池、增程電動車等電力驅動的新能源汽車車型都可以采用輪轂電機驅動方式。另外制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機驅動車型上得以實現，功率密度比傳統解決方案優越。

當然，輪轂電機驅動也存在著一些不盡人意的地方，如增大了避震彈簧下質量和輪轂的轉動慣量，對密封有較高要求，同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱、防水等問題。另外，輪轂電機關鍵核心元器件 (如大功率集成模塊IGBT、IPM等)以及控制器全部需要從國外進口［2］，這對于我國電動汽車以后的技術擴展和產業化推廣將帶來一定的制約。

5 結論

在新能源汽車中，輪轂電機驅動是一種全新的驅動形式，與集中電機驅動方式相比，不需要復雜的機械傳動系統，控制更為靈活，布局更為自由，具備明顯的優勢，已成為新能源汽車驅動技術的一個重要發展方向。隨著我國科學技術水平的不斷提高，輪轂電機驅動技術在新能源車上的大規模應用前景廣闊。

【1】節能與新能源汽車年鑒［M］.北京:中國經濟出版社，2011.

【2】康龍云.新能源汽車與電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.