淺談輪轂電機驅動方案在電動汽車上的應用

王慧波

摘 要：隨著能源與環境問題的日益嚴重，電動汽車是未來汽車行業的發展核心。介紹了現代電動汽車的驅動方案，闡述了電動車采用輪轂電機驅動技術的優勢，指出電動汽車用輪轂電機驅動的關鍵技術和發展趨勢。

關鍵詞：電動汽車；輪轂電機；應用研究；發展趨勢

引言

近年能源和環境對人類生活和社會發展的影響越來越大，要求盡快改善人類生存環境的呼聲日益高漲。因此，各種電動汽車作為低污染、節能環保的新型車，已經成為汽車行業新秀，而新能源車型的驅動技術和傳統內燃機汽車有著截然不同的結構，其中輪轂電機驅動系統具有很大的發展前景。日系廠商對乘用車所用的輪轂電機技術研發開展較早。通用、豐田在內的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。國內也有自主品牌汽車廠商開始研發此項技術，奇瑞瑞麒X1增程電動車就采用了輪轂電機技術。因而電動輪轂電機技術成為未來電動汽車的發展方向。采用輪轂電機技術的福特F-150將汽車所有傳動部件通通舍棄不用，大量簡化了汽車結構。

1 電動汽車的驅動方案

1.1 差速半軸驅動方案

該方案與傳統汽車的發動機驅動方案的區別在于將汽車的發動機轉換成電動機和相關電子器件。驅動力由一臺電動機提供來驅動車輛的兩側車輪。這種布置形式的電動車，操作方式與傳統汽車相同，電動機控制器接收加速踏板信號、制動踏板信號、PDRN即停車、倒車、空檔、前進信號控制電動機旋轉，通過機械傳動裝置驅動左右兩側車輪。該汽車保留了機械部件包括變速器、傳動軸和半軸等部件，優點是技術較成熟，有利于集中精力匹配電動汽車動力系統；缺點是效率較低，滿足不了電動汽車的動力性能的要求。

1.2 電動輪驅動技術

電動輪驅動方案其主要特點是取消了差速器和半軸，將行星減速器與電動機制造為一體，組合為一個電動輪，輪胎直接安裝在車輪上。

電動輪技術作為電動車的一個發展方向，也受到汽車開發商的關注。電動輪驅動方案是集電動機、傳動機構、制動器為一體的驅動部件，是一種獨特的驅動單元。使用電動輪技術的電動車不占用車身和底盤的空間，擴大了汽車駕駛員和乘車員的空間，車輛的底部空間用來安裝電池，使整個車輛的總體布置得到了很大的簡化，綠色環保，傳動效率高。

該驅動技術需要改進的技術也包括很多：需要優化輪邊獨立電驅動系統結構，研發一體化程度更高的電動輪模塊；需要研究開發輪邊減速式電動輪結構模塊；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的動力學特性；需要研究路面工況載荷下電動輪模塊的耐用性試驗方法和評價標準。

1.3 輪轂電機驅動技術

輪轂電機是電動汽車研究開發的一個熱點，也是解決能源和環境問題的一種有效手段。輪轂電機安裝在車輪的輪轂內，省略了中間的機械傳動部件離合器、減速器、傳動橋等，電動汽車的輪轂電機驅動系統接受蓄電池的電能，由電機直接驅動車輪，驅動電動汽車行駛，大大簡化了整車結構，提高了傳動效率。由于取消差速器，因此對驅動電機轉矩與轉速的控制是研究重點，其差速控制技術直接影響輪轂電機式電動汽車的發展。現代汽車大部分輪轂電機都采用了永磁材料。伴隨著現代控制理論、電子技術和永磁電機優化設計技術的迅速發展，輪轂電機驅動技術也逐漸成熟，應用在各個電動車領域。

2 電動車用輪轂電機驅動技術的特點分析

2.1 方案優勢

2.1.1 結構簡單，電動機永磁化。傳統車輛，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器件不但重量不輕、讓車輛的結構更為復雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。輪轂電機驅動通過電子線控技術，實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速控制，省略了傳統機械結構，結構簡單，為乘員騰出更大的空間。采用永磁化技術的電機具有效率高、比功率大、功率因數高、可靠性高和便于維護等優點；采用矢量控制的變速調速系統，可使永磁電動機具有寬廣的調速范圍。

2.1.2 可實現智能化和集成化。隨著微電子及計算機技術，采用輪轂電機，以及電子轉向線控技術、智能控制技術，各車輪的驅動力直接獨立可控，將使系統結構更加簡單、響應更加迅速，抗干擾能力加強，以此大大提高整個系統的綜合性能。因此無論是前驅、后驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現轉速變化和轉向變化，全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。采用電子線控先進技術，線控四輪轉向技術，實現左右車輪的不同轉速和差動轉向，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，對于特種車輛也很有價值。電動汽車驅動控制器的開關器件、電路、控制、傳感器等等集成在一塊高度集成的電路板，可以有效減小體積和重量。

2.1.3 采用多種新能源技術。純電動和燃料電池電動車、增程電動車，都可以用輪轂電機作為主要驅動力；同時，新能源車的很多技術，比如制動能量回收系統、電磁制動系統、蓄電池技術，甚至混合燃料汽車也可以很輕松地在輪轂電機驅動車型上得以實現。可見輪轂電機的使用是非常廣泛，是適合各種汽車的。

2.2 方案劣勢

2.2.1 增大簧下質量和輪轂的轉動慣量。現代汽車發展，為了滿足輕量化，采用鋁合金等一些輕量化的復合材料來制作懸架系統的零部件，這樣可以減輕懸架簧下質量，提高懸掛的響應速度。由于輪轂電機本身結構的重量，采用輪轂電機的懸架系統反而較大幅度地增大了簧下質量，同時也增加了輪轂的轉動慣量，進而導致車輛的操控性能更加不穩定，此方面的技術也是有待改進和提高。

2.2.2 電制動性能有限。一般電動車采用電制動，輪轂電機驅動的車輛，由于輪轂電機系統的電制動容量較小，整車制動性能不夠，需要附加機械制動系統。但是對于普通電動乘用車，沒有了發動機驅動的真空助力泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗，如果要確保制動系統的效能，制動系統消耗的能量又會影響電動車續航里程，因此蓄電池的容量技術也是一瓶頸。此外，輪轂電機工作的環境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。如果能在工程上解決這些難題，輪轂電機驅動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。

3 輪轂電機驅動系統的發展趨勢

電動汽車已經得到了蓬勃的發展，但要完全替代傳統汽車還有很長的一段路要走。目前，國內外對電動車電機驅動系統的研究都很多，主要集中在新型電動機的應用、電機驅動系統控制策略的改進這兩個方面。輪轂電機需要解決技術問題，提高輪轂電機與驅動器功率，電動輪驅動與制動實用控制技術，提高輪轂電機可靠性和耐久性，減輕輪轂電機質量。隨著電氣技術和電子技術，以及控制新技術的發展和突破，電動機性能的不斷提高，以及電池技術、動力控制系統和整車能源管理系統等相關技術的突破，輪轂電機也將在電動汽車上取得更大的成功。車用輪轂電機技術及其控制技術向永磁化、智能化、集成化、全數字化方向發展。

參考文獻

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