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[5]新能源电动汽车用轮毂电机关键技术综述

发布时间:2018-01-07 18:41:07阅读次数: 分享到:
新能源电动汽车用轮毂电机    
关键技术综述    
黄书荣  邢栋  徐伟

 

【摘要】      
本文首先介绍了轮毂电机驱动电动汽车与传统结构电动车的异同点,总结出关键技术的优缺点。然后,论文着重论述了不同种类轮毂电机的技术特点、发展现状、存在问题等。最后,文章分析和预测了未来轮毂电机的发展趋势和潜在的市场价值。
【关键词】      
电动汽车; 轮毂电机; 发展现状; 发展趋势
【文献出处】      
黄书荣,邢栋,徐伟. 新能源电动汽车用轮毂电机关键技术综述[J].新型工业化,2015,5(2):27-32
【基金支持】      
国家自然科学基金(61301035)
湖北省科技支撑计划(XYJ2014000314)
华中科技大学自主创新研究基(2014TS149)
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引言    
   
 
随着煤、石油、天然气等化石能源的不断消耗和环境状况的不断恶化,无污染,噪声低且不依赖化石能源的电动汽车逐渐成为汽车行业重要的发展趋势。近年来,世界各国纷纷将电动汽车作为科研攻关的热点。在电动汽车的各种驱动方式中,轮毂电机驱动方式因其传输效率高、控制灵活等独到的优点,逐渐受到业内人士的青睐,未来发展空间巨大[1] ,[2]。

 
1      
各种电动汽车驱动方式及特点    
传统内燃机汽车的驱动系统由发动机-变速器-传动轴-差速器-车轮等部件构成。发动机体积庞大、笨重,噪声很大,消耗汽油、柴油、天然气等化石能源,加剧环境污染;复杂的机械传动系统导致能源利用效率降低,底盘结构复杂,减少了汽车的乘用空间[3]。
电动汽车按照驱动方式的不同,分为集中电机驱动、轮边电机驱动和轮毂电机驱动。其中             集中电机驱动电动汽车由内燃机汽车直接演变而来,即用电动机直接取代或辅助内燃机,其他部件基本不变,在技术上相对简单。但是由于这种方式没有改变原有的机械传动系统,不必要的能源损耗依然非常可观,再加上现有的电池容量有限,汽车的续航里程将受到显著影响。另外,由于电动机不便带动液压泵等辅助装置,会给汽车的制动带来麻烦。综上原因,现在的电动汽车基本上不采用集中电机驱动,而采后两种驱动方式。
轮边电机驱动是指电动机与固定速比减速器制成一体安装在车架上,减速器的输出轴通过万向节与车轮半轴相连,从而驱动车轮。由于技术上比较简单,轮边电机驱动在目前的电动汽车中有广泛的应用,其中电动汽车领跑者Tesla的唯一一款在售车型Model S采用的就是轮边电机驱动方式。
轮毂电机(又叫电动轮)             驱动方式是将动力、传动以及制动装置全部整合在轮毂内,这样就省去了离合器、变速器、传动轴、差速器等大量机械部件,使车辆结构大为简化,车辆噪声极低,整车质量减轻,不仅提高了能源利用效率,增加了汽车的乘用空间,也为实现底盘系统的电子化、智能化提供了保证。轮毂电机驱动系统布置非常灵活,在同样功率需求的情况下可采用多电动轮驱动的形式,将功率分配给多个电动机从而降低电气和机械传动部件的要求。轮毂电机驱动只需通过控制系统控制电机就可以完成对车轮驱动力的控制,电动机转矩响应快,使用全轮驱动和驱动轮单独控制的措施,可以最大限度的利用地面的附着能力,同时还可以提高车辆的离地间隙,从而提高越野车辆的通过性能。轮毂电机驱动便于采用线控四轮转向技术,有效减小转向半径,甚至实现零半径转向,提高转向性能。另外,轮毂电机驱动系统可实现再生制动功能,提高能源利用效率,有效提高汽车的续航里程。但轮毂电机的采用必将增加非簧载质量,进而影响车辆运行的平稳性和可操纵性,另外由于轮毂电机工作环境极其恶劣,需要经受震动、涉水、高温等极端工况的考验,所以对技术水平和生产工艺都提出了近乎严苛的要求。由于以上特点,轮毂电机被视为电动汽车的最终驱动方式,也是现阶段电动汽车研究的热点和难点之一[3]。

 
2      
轮毂电机的驱动方式    
轮毂电机按照驱动方式又可分为减速驱动和直接驱动两种方式。
减速驱动时,电机多采用内转子形式,一般运行在高速状态,减速装置放在电机和车轮之间,起到减速和提升转矩的作用。其中,减速装置可以是传统的行星齿轮机械减速方式,也可以是磁齿轮减速方式[4]。减速驱动的优点是:电机运行在高转速下,具有较高的比功率和效率;体积小,在低速运行状态下可以提供较大的平稳转矩,爬坡性能好。缺点是:对于机械齿轮减速方式,故障率高,齿轮磨损快,寿命短,不易散热,噪声较大;对于磁齿轮减速方式,目前由于技术尚不成熟,制造困难,运行可靠性较低。减速驱动方式适用于过载能力较大的场合。采用减速驱动方式的轮毂电机如图1(a)所示。
直接驱动时,电机多采用外转子形式。其优点主要有:不需要减速机构,动态响应快,效率进一步提高,轴向尺寸减小,整个驱动轮更加简单、紧凑,维护费用低。缺点是:体积和质量较大,成本高;高转矩下的大电流容易损坏电池和永磁体;电机效率峰值区域减小,负载电流超过一定值后效率急剧下降[5], [6]。直接驱动方式适用于负载较轻,一般不会出现过载情况的场合下。采用直接驱动方式的轮毂电机如图1(b)所示。

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3      
不同种类轮毂电机的技术特点    
为满足电动汽车的工作要求,驱动电机应具有以下特点:在恒转矩区具有高转矩、低转速,在恒功率区具有高转速、低转矩;具有较宽的调速范围,较高转矩密度,足够大的启动扭矩;体积小、重量轻;效率高,具有强动态制动及能量回馈特性等。常见的直流电机、异步电机、永磁无刷直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、横向磁通电机都可以作为轮毂电机。各种电机具有不同的技术特点,下面分别介绍。
3.1直流电机      
直流电机控制简单,控制技术成熟,一般通过电枢控制和弱磁控制来控制转速,为满足电动汽车运行要求,通常在恒转矩区采用电枢控制以得到较大的平稳转矩,在恒功率区采用弱磁控制以得到较高转速。但直流电机利用电刷实现机械换向,电刷磨损很快,需要经常维护,换向火花的存在限制了电机的高速运行,且电机体积大,制造成本高[7]。所以新研制的轮毂电机大都不采用直流电机。
3.2异步电机      
异步电机结构简单,坚固耐用,成本低廉,运行可靠,转矩脉动小,噪声低,不需要位置传感器,转速极限高[15]。但是异步电机也存在诸多问题,比如转差率的存在使调速性能较差;驱动电路复杂,成本高;相对永磁机而言,效率和功率密度偏低。所以不太适用于电动汽车的轮毂电机。
3.3永磁无刷直流电机      
永磁无刷直流电动机利用电子换向器代替直流电机的机械换向器,通过电子换向装置产生正负交变的平顶波驱动电机旋转,调速性能和直流电机类似,运行可靠,维护方便,没有励磁损耗,效率和功率密度都较高[8], [16]。因此,永磁无刷直流电机已经成为电动汽车轮毂电机的主流电机。
3.4永磁同步电机      
永磁同步电机在结构上与永磁无刷直流电机类似,只是它通过正弦波驱动。根据转子上永磁体安装方式的不同,一般可以分为表面式和内置式,其中表面式适用于低速电机,内置式适用于高速电机。相对于无刷直流电机,永磁同步电机具有低噪声,大功率密度,小转动惯量,高控制精度等优势,并且可以实现弱磁调速,提高恒功率运行的范围[9] ,[10],特别适合作为电动汽车用轮毂电机。
永磁同步电机基于三相交流电供电工作,其数学模型比较复杂,控制方法也非常复杂。常用的控制方法有矢量控制和直接转矩控制[12] ,[16]。
3.5开关磁阻电机      
开关磁阻电机近年来发展成为轮毂电机,其定子和转子均采用凸极结构。定转子极数不相同,主要有两种组合形式:定子6极,转子4极的三相开关磁阻电机和定子8极,转子6极的四相开关磁阻电机。开关磁阻电机的转子上既没有绕组也没有永磁体,只在定子上装有集中励磁绕组,由变频电源为定子集中励磁绕组提供交变电流使其工作在开关模式下。开关磁阻电机功率装换效率很高,功率密度大,启动电流小,结构简单,且调速范围宽,控制简单,在轮毂电机家族中具有很强的竞争力。但是由于电机运行在开关模式下,电流波动大,会产生较大的噪声和振动,为保证其正常工作需要安装电流检测器和位置检测器[11], [12]。
3.6横向磁通电机      
横向磁通电机相对于其他种类的电机有许多突出的优势:实现了电路和磁路的解耦,设计自由度大大提高;效率和转矩密度特别高,适合运行在低转速、大转矩的场合下;绕组形式简单,不存在传统电机绕组的端部;各相之间相互独立;驱动电路和永磁无刷直流电机相同,可控性好。但其也存在许多缺点:永磁体数目多,用量大;结构复杂,工艺要求高,成本高;漏磁严重;功率因数低;自定位转矩较大等[13], [14]。

 
4      
国内外轮毂电机的发展现状    
20世纪50年代,美国人罗伯特最早发明了集电动机、减速机构、制动机构于一体的轮毂装置,1968年通用电气公司将其推广应用到大型矿山运输车辆上。
目前,日本在轮毂电机领域占据领先地位:自1991年开始,日本庆应义塾大学的清水浩教授带领其研究团队陆续研制出了IZA、ECO、KAZ等电动汽车。其中,IZA电动汽车由4个外转子式永磁同步电机驱动,额定功率为6.8kW,峰值功率达到25kW,最高车速为176km/h。ECO电动汽车由两个永磁无刷直流轮毂电机后置驱动,并配以行星齿轮减速机构,额定功率为6.8kW,峰值功率为20kW。KAZ电动汽车采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动,峰值功率达到55kW,最高车速达到惊人的311km/h,0~100km/h加速时间为8s。2003年,普利司通公司在东京车展上展示了独立开发的轮毂电机与专用地滚动阻力轮胎匹配的动态吸振型电动轮,轮内采用外转子永磁同步电机。2011年3月,清水浩教授组建的“SIM-DRIVE”公司对外宣布,该公司研发的轮毂电机电动汽车性能及功率已达到世界最高水平,1号试验车“SIM-LEI”一次充电的续航里程可达333km,0~100km/h加速时间为4.8s,最高时速可达150km/h[7]。丰田汽车推出的普锐斯混合动力汽车以及其他概念车多采用轮边电机驱动。
2003年,通用汽车将轮毂电机成功应用到雪佛兰S-10皮卡车上,该电机给车轮增加的重量约为15kg,电机功率约为25kW,产生的扭矩比普通雪佛兰S-10皮卡车高出60%。2005年通用汽车推出的燃料电池汽车后轮采用轮毂电机驱动,前轮则采用集中单电机驱动,电机总功率达110kW,续航里程达500km。有消息称,Tesla的下一代电动汽车也可能采用轮毂电机技术[17]。
法国TM4公司设计的轮毂电机采用外转子式永磁电动机,将电动机外壳集成为鼓式制动器的制动鼓作为车轮的组成部分,集成化设计程度非常高,额定功率为18.5kW,峰值功率达80kW,额定转速为950r/min,最高转速为1385r/min。额定工况下的平均效率可达96.3%。2008年巴黎车展上Venturi公司研发的概念版四轮驱动跑车“Venturi Volage”使用了米其林公司的轮毂电机(如图2所示)。除此之外,德国的西门子公司、舍弗勒公司都推出了自己的轮毂电机技术。
2009年法兰克福车展上,第一辆纯电能驱动的奥迪跑车e-tron与公众见面,这款车配备四个独立的轮毂电机实现四轮驱动,0~100km/h加速时间为4.8s,续航里程为248km[18]。宝马公司的MINI COOPER采用四个PML公司生产的轮毂电机,动力源为小排量汽油发动机加电池和超级电容器,最高时速150km/h。0~60km/h加速时间为4.5s。
英国的Protean Electrics公司是一家专门生产轮毂电机的厂商,被称为全球轮毂电机研发和商业化的领导者,其生产的ProteanDriveTM轮毂电机(如图3所示)功率和扭矩分别可达75kW和1000N*m,而重量仅为31kg,可安装在直径为18~24英寸的常规车轮中,并且还有杰出的再生制动功能,在刹车过程中可回收高达85%的可用动能。Protean Electrics公司已与多家整车制造厂商开展合作,比如基于奔驰E级改装的纯电动和混合动力汽车就采用了该公司的轮毂电机[19]。

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图2             米其林主动轮系统      

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图3             ProteanDriveTM轮毂电机      
我国对轮毂电机技术的研究起步较晚,但随着国家“863”计划电动汽车重大专项课题的推进,各科研单位对该技术的研究不断加强。同济大学汽车工程学院分别在2002年、2003年和2004年研制的三代“春晖”系列电动汽车均采用了低速永磁无刷直流轮毂电机。比亚迪公司在2004年车展上展出的“ET”概念车也采用了四个功率为25kW的轮毂电机,最高时速165km,续航里程为350km。另外,清华大学、吉林大学、华中科技大学等高校也积极开展轮毂电机技术的研究并取得了一定成果[20]。
目前轮毂电机技术除在大型矿山运输车上有广泛应用外,在汽车领域的应用尚处于研究、试验阶段,技术尚不成熟,生产成本依然很高,在大规模推广应用之前仍然有很长的一段路要走。

 
5      
轮毂电机发展展望    
下一阶段,轮毂电机的研发将致力于以下几个方面:             一是提高调速范围和转矩的变化范围,适应汽车在不同工况下的运行需求;二是提高功率密度和能源利用效率,降低电机重量;三是解决电动机在密封、冷却和抗振方面的问题,提高运行可靠性。在基于不同电机类型的轮毂电机中,永磁电机由于其独特的优势将继续得到更大的发展[5]。大型客车应用轮毂电机技术日趋增多,其车轮直径较轿车更大,转速更低,轮毂电机内部布置更为方便。随着动力电池、电子控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破,轮毂电机技术必将在电动汽车上得到广泛应用。另外,像诸如苹果、谷歌、乐视等搅局者不断加入电动汽车领域,也正在给汽车领域和轮毂电机的发展注入新的活力。

 
6      
结论    
轮毂电机结构紧凑,它颠覆了传统汽车的动力系统,非常有利于整车布置。轮毂电机使车辆的动力分配和转向变得非常灵活,可以大大改善汽车的运行性能。但是轮毂电机技术在汽车上的应用仍然面临许多问题。轮毂电机的研究仍然被日本和西方发达国家所主导,我国在这一领域的研究还很有限,应该加大支持力度,广泛开展国际合作,努力迎头赶上。
(编辑:叶才勇,刘毅)
 
     
作者简介      
徐伟      
工学博士,教授,博士生导师。 分别从天津大学获双学士和硕士、中国科学院电工研究所获博士学位。先后在悉尼科技大学(UTS)和皇家墨尔本理工大学(RMIT)从事博士后、Vice Chancellor Research Fellow工作,同时受邀到明治大学 (Meiji University)和澳大利亚电动汽车工程联盟(Australian EV Engineering)进行学术访问和产品研发。先后在澳大利亚、日本、中国主持各类科研/人才基金20余项,包括中国国家自然科学基金2项,国家基金1项,日本JSPS访问基金1项,墨尔本理工大学Vice Chancellor基金1项等;参与各类基金4项,包括国家自然科学基金重点项目1项、中国科学院重大知识创新项目1项等。截止2016年9月底,出版英文专著1部(Springer出版社),接受或发表SCI/ EI检索文章150余篇,其中SCI期刊近60篇,第一或通讯作者SCI文章20余篇。授权中国发明专利12项,受理25项。受邀国际会议报告4次,参与组织国际会议5次,担任10余个国际期刊审稿人, 30余次IEEE国际会议技术程序委员或分会主席。担任IEEE/中国电源学会高级会员,中国电机工程学会会员,中国变频器专业委员会委员,中国直线电机专业委员会委员,中国能源学会专家委员会委员等,2个国际期刊客座编辑,1个中文期刊编委。获得各类学术荣誉10余项,包括UTS Key Technology Partnership Visiting Fellowship (Australia), RMIT Vice Chancellor Research Fellowship (Australia), JSPS Invitation Research Fellowship (Japan),计划(中国)等。
其他作者      
黄书荣      
高级工程师,硕士。研究方向:新能源规划。
邢栋      
研究生。研究方向:电动汽车驱动电机研究。
编辑简介      
叶才勇      
副教授,博士生导师。研究方向为新型电机设计及应用、特种电磁装置设计及控制。发表论文40余篇(SCI收录20余篇),主持各类10余项基金,包括国家自然科学基金2项,申请/授权专利近10余项。
刘毅      
博士后,研究方向为高性能电机控制策略。发表论文10余篇,申请/授权专利近10项。

 

 

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