輪轂電機驅動系統在電動汽車上的應用

呂金山 秦滔 文學 肖建軍

[摘? ? 要]輪轂電機驅動系統被應用于電動汽車之上，有著較為優良的表現。輪轂電機驅動系統在應用在呈現部分問題，例如電動汽車生命周期管理、汽車運行可靠性等，針對此類問題對輪轂電機驅動系統實際應用中進行改進優化，加裝冷卻風扇、使用電子差速控制系統、控制零部件質量等。通過這些技術優化和改進，進一步提升了輪轂電機驅動系統在電動汽車上的應用廣度和深度，為電動汽車發展添磚加瓦。

[關鍵詞]輪轂電機;電差速;電動汽車;應用分析

[中圖分類號]U469.72 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Hub Motor Drive System in Electric Vehicle

LV Jin-shan， Qin Tao， Wen Xue， Xiao Jian-jun

[Abstract]Hub motor drive system is applied to electric vehicle， which has a better performance. The application of hub motor drive system presents some problems， such as electric vehicle life cycle management， vehicle operation reliability， etc. in view of these problems， the practical application of hub motor drive system is improved and optimized， such as adding cooling fan， using electronic differential control system， controlling the quality of parts， etc. Through the optimization and improvement of these technologies， the application breadth and depth of hub motor drive system in electric vehicles are further improved， which contributes to the development of electric vehicles.

[Keywords]hub motor; electric differential; electric vehicle; application analysis

輪轂電機技術在實際應用的過程中表現出了非常明顯的優勢，即占用資源較少、整車結構簡潔、可利用空間較大、應對故障能力較強、車輛操控性能好等，并且通過對此技術的應用，還有效的實現了電子差速的有效控制。在20世紀70年代，保時捷公司研發出了將輪轂電機安裝在前車車輪的電動汽車，并且還在礦山類型的運輸車輛領域得到了非常廣泛的應用。對于輪轂電機技術的研發，時間最長的國家仍屬于日系廠商。如豐田、通用等國際汽車巨頭也對輪轂技術有效全面的掌握和應用。就目前國內汽車而言，也對輪轂技術進行了有效的研發和利用。就以福特F-150型汽車而言，其正是因為采用此項技術，才將車內所有的傳動部件全部替換，此種操作促使汽車車身結構得到了大大的簡化。

1 輪轂電機驅動系統的發展趨勢

電機驅動系統的研究主要內容是圍繞著電動機的應用和電機驅動系統的控制等方面展開的。就目前輪轂電機來講，其需要在技術方面進行研究，確保汽車卻動器的使用功率及輪轂電機的使用功率都能得到有效的提升。所以，將電動輪驅動技術和制動實用技術有效的應用在汽車研究的相關領域中，能夠使輪轂電機技術的耐久性和可靠性得到有效的提高，使輪轂電機的質量得到最大限度得提高，使其重要得到有效的減輕。在我國科學技術不斷發展和成熟的時代背景下，輪轂電機技術的使用性能會得到最大限度得提升，并且還有有效突破一些類似于電池技術以及整車能源管理系統等相關的傳統技術，從而確保輪轂電機技術在汽車領域中的應用真正實現智能化、數字化以及集成化的發展目標。

2 輪轂電機基本類型

輪轂電機供電系統一般由電機、減速器、制動器和冷卻系統組成，根據電機轉子的類型，輪轂電機供電系統分為以下兩種基本形式，即內轉子型和外轉子型。

2.1 內轉子型輪轂電機

轉子內輪轂高速電機具有諸多優點，如比功率高、重量輕、體積小、噪聲低、成本低的特點;其缺點是必須使用減速器來降低效率，增加空載質量，電機的最大轉速受到線圈損耗、摩擦損耗和換檔機構承載能力的限制。本實用新型結構簡單，軸向尺寸小，比功率大，轉矩控制在較寬的轉速范圍內，其響應極快，外轉子直接與車輪連接，無減速機構，效率高。缺點是為了獲得高扭矩，需要增加發動機的體積和質量，從而導致成本高、加速效率低和噪聲大。

2.2 外轉子型輪轂電機

由于電機的電制動能力非常的低，對車輛制動所需要的電能是完全不能滿足的，必須要加設額外的機械制動系統。單從輪轂電機系統的制動器的結構來看其主要分為以下兩種形式，即盤式制動器和鼓型制動器。但是，因為受到電機制動能力的影響，就需要在進行制動器設計時，對其能力進行適當的降低。從目前車輛上的輪轂電機系統來講，主要以空氣冷卻為主，只有極少數是通過水和油冷卻的，這些輪轂結構存在一個相同點以就是結構極為復雜。

2.3 輪過電機優點

及時響應的扭矩輸出、簡化整車布置、通用設計，適配性強、適用于不同技術平臺、適用于各類車型、易于集成、無須傳動軸、無須變速裝置、降低整體項目的上市成本、優化整車操控性能、安全可靠。

3 輪轂電機驅動系統電差速可靠性問題

3.1 電子差速模型

本文研究的電子差速器方案是基于轉向角、車速和各輪轉速之間的關系。當車速較低且未考慮車輛質心側滑、偏航角、路況和側風條件時，計算各輪速度與方向盤輸入角的關系，建立速度計算方程，假設某一時刻的車輛模型如圖1所示。根據阿克曼-杰南德模型，車身參數如下：δin為前內輪轉向角;δout為前外輪轉向角;L為車身長度;B為車身寬度;R為轉向半徑;Rin為內輪轉向半徑;Rout為外輪轉向半徑;Cin為內輪一圈轉過距離;Cout為外輪一圈轉過距離。

3.2 電子差速策略

本文設計的電動汽車為雙后輪驅動、前輪轉向，只要方向盤控制前輪產生轉向角，兩側驅動電機產生一定的速度差，車輛便進入轉向狀態。工程中常見的轉向策略有3種：①差動式。轉彎時，外輪轉速增大，內輪轉速減慢，導致車速和方向不同。②獨立式。轉彎時，外側車輪轉速恒定，內側車輪轉速減慢，產生速度差，導致轉彎。③減速式。兩側車輪的速度都下降，但內側車輪速度的減小比外側車輪速度要快，形成速度差導致轉向。

差動轉向策略要求輪轂電機具有較大的過載能力，這對電機及其控制器來說過于苛刻。減速度控制策略對電機的要求很少，但安全系數很高，犧牲了大量的平均車速，不利于車輛的行駛性能。獨立轉向策略可以避免上述兩種轉向方式的弊端，實現更大的轉向角以滿足系統要求。

3.3 電子差速控制系統

圖2為后兩輪電動汽車差速控制系統，該系統主要有實時車速、兩輪的驅動速度及轉向角3個參數的計算完成的。

本文所設計的差速控制系統，其減速/剎車指令、加速指令、轉向指令的獲取都是從外部獲取的。駕駛人員對于這些指令的掌控，是通過操作示意圖將這些指令傳輸到電動汽車ECU，然后再由電動汽車ECU進行響應。而加速指令、減速指令和剎車指令都是通過位移傳感器獲取的，轉向指令是由磁阻角度傳感器所獲取的。而電動汽車的狀態檢測主要是通過輪轂電機內的霍爾傳感器對先關設備的電路檢測之后獲得的，如電機轉速、蓄電池電壓、電機電流等。

4 輪轂電機驅動系統輪轂電機熱管理可靠性

對于輪轂系統來講，會長期處在低速度、高負荷狀態中，然而，電機又是存放在車輪的內部結構中，非常容易出現散熱不及時和不充分的現象，最終加大車輪被燒毀的現象。同時，輪轂電機還會受到路面積水或者碎石等現象影響，所以其工作環境是非常不客觀的。如果單從輪轂電機的維護保養層面進行分析，由于電機具有良好的密封性，所以輪轂電機在經過長時間的高負荷工作后所產生的熱量是很難散發出去的。因此，加大對輪轂電機的散熱和坑卻處理是目前相關人員必須要認真解決的一項課題。對于電動輪的結構設計來講，設計人員主要借助外界風能來實現電機的散熱和冷卻，其原理是氣體循環實現電機的冷卻。在設計過程中，相關人員主要是通過對冷卻風扇的使用，將其安裝在輪轂內，通過風扇旋轉來達到散熱的目的。此項設計必須要在實際車輛進行反復試驗，結果證實，安裝冷卻風扇的車輛比不安裝冷卻風扇的車輛要額外多消費2 %～4 %的能量。但可以增強氣流，增加輪口處的氣體渦流，使電機達到更好的散熱效果。在電動輪的結構設計中，考慮了液體（水）對電機進行冷卻，設置了特殊的冷卻（水）通道，通過與液體的熱交換來冷卻輪轂電機。綜上所述，輪轂電機還存在很多問題，例如，高速不穩定、彈簧下質量大、在高密封環境中散熱困難、制動器集成問題、需要優化能源管理等。但由于技術問題較多，如果沒有大規模的商業應用，突破會非常緩慢。筆者認為，小型化低速電動汽車對上述問題的敏感性不高，所以批量應用的突破可以從此領域下手，也可為輪轂電機在高速汽車上的應用積累技術和資源。

5 輪轂電機非簧載質量的減少

輪轂電機驅動電動汽車時，驅動電機、減速器和制動器必須集中在車輪上，如果沒有有效的應對措施，會增加車輛的空載質量和垂直振幅。輪轂電機驅動電動車的方向影響輪胎的附著性能，不利于車輛的控制，也降低了車輛的乘坐舒適性。當電機置于車輪上時，其會承受巨大的道路沖擊載荷。因此，研究降低輪轂電機非彈簧載荷的方法，可以指導電動輪的設計、結構改進和理論分析。將未加載質量轉換為特定類型電機的加載質量。通過使用由電機質量組成的減振器來控制彈簧未加載質量所引起的垂直振動的負面影響。改變彈簧上質量與非彈簧上質量之比。盤式電機由兩個定子和一個轉子組成，兩個定子固定在底盤上形成彈簧質量，轉子與車輪相連，促使車輪轉動。這樣，只有發電機的轉子部分位于車輪上。與發電機在車輪上的總布置相比，發電機布置減少了彈簧外質量。然而，這種驅動方式帶來了新的問題，即地面對車輪的沖擊直接傳遞到發電機轉子上，從而不斷改變發電機氣隙寬度，影響發動機扭矩輸出。

6 結束語

在汽車行業中有效應用輪轂電機技術，一方面，能夠使汽車的電機驅動的整體效率得到全面的提高;另一方面，還能促使機械傳統結構得到有效的簡約化，從而實現減輕汽車重量、降低研發成本和減小附加損耗的目的，使電動汽車中的各項性能指標都能夠得到有效提高和使用保障。

參考文獻

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