新能源車現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車行業(yè)頗具前瞻性的領(lǐng)域,而新能源車型的驅(qū)動技術(shù)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著不小的區(qū)別,而其中有一類驅(qū)動技術(shù)有著很大的發(fā)展前景,這就是輪轂電機(jī)技術(shù)。
注:輪轂嚴(yán)格意義上講僅指與傳動軸連接的法蘭、軸承座等部分,不過輪轂這一名詞對于普通用戶目前更多指的是輪圈,下文中涉及的輪轂一詞將涵蓋狹義的輪轂和輪圈兩部分。
輪轂電機(jī)技術(shù)簡介
輪轂電機(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù),它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi),因此將電動車輛的機(jī)械部分大大簡化。輪轂電機(jī)技術(shù)并非新生事物,早在1900年,保時捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動汽車,在20世紀(jì)70年代,這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。而對于乘用車所用的輪轂電機(jī),日系廠商對于此項技術(shù)研發(fā)開展較早,目前處于領(lǐng)先地位,包括通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。目前國內(nèi)也有自主品牌汽車廠商開始研發(fā)此項技術(shù),在2011年上海車展展出的瑞麒X1增程電動車就采用了輪轂電機(jī)技術(shù)。
米其林研發(fā)的將輪轂電機(jī)和電子主動懸掛都整合到輪內(nèi)的驅(qū)動/懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本田研發(fā)的輪轂電機(jī)實物
上海車展上的瑞麒X1-EV
通用開發(fā)的為150噸的重型卡車設(shè)計的輪轂電機(jī)(內(nèi)燃動力電傳動)
典型內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式:內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。其中外轉(zhuǎn)子式采用低速外傳子電機(jī),電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min,無減速裝置,車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同;而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),配備固定傳動比的減速器,為獲得較高的功率密度,電機(jī)的轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/min。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn),內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。
輪轂電機(jī)的優(yōu)缺點
優(yōu)點1:省略大量傳動部件,讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單
類似上圖中這種傳統(tǒng)變速器在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上已經(jīng)見不到了
傳統(tǒng)后驅(qū)車車廂后排地板上的突起在電動車上也會消失,為乘員騰出更大的空間
對于傳統(tǒng)車輛來說,離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的,而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,同時也存在需要定期維護(hù)和故障率的問題。但是輪轂電機(jī)就很好地解決了這個問題。除開結(jié)構(gòu)更為簡單之外,采用輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛可以獲得更好的空間利用率,同時傳動效率也要高出不少。
優(yōu)點2:可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式
像AHED“先進(jìn)混合電驅(qū)動”樣車這樣的8輪電驅(qū)動很輕松就能實現(xiàn)
由于輪轂電機(jī)具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性,因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式,它都可以比較輕松地實現(xiàn),全時四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。同時輪轂電機(jī)可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向,大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑,在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過此時對車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎的磨損較大),對于特種車輛很有價值。
優(yōu)點3:便于采用多種新能源車技術(shù)
采用輪轂電機(jī)可以匹配包括純電動、混合動力和燃料電池電動車等多種新能源車型
輪轂電機(jī)可以和傳統(tǒng)動力并聯(lián)使用,這對于混合動力車型很有意義
新能源車型不少都采用電驅(qū)動,因此輪轂電機(jī)驅(qū)動也就派上了大用場。無論是純電動還是燃料電池電動車,抑或是增程電動車,都可以用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動力;即便是對于混合動力車型,也可以采用輪轂電機(jī)作為起步或者急加速時的助力,可謂是一機(jī)多用。同時,新能源車的很多技術(shù),比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機(jī)驅(qū)動車型上得以實現(xiàn)。
缺點1:增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量,對車輛的操控有所影響
鋁制下擺臂采用主要就為減重,如果加上輪轂電機(jī),這些努力也就白費了
對于普通民用車輛來說,常常用一些相對輕質(zhì)的材料比如鋁合金來制作懸掛的部件,以減輕簧下質(zhì)量,提升懸掛的響應(yīng)速度。可是輪轂電機(jī)恰好較大幅度地增大了簧下質(zhì)量,同時也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動慣量,這對于車輛的操控性能是不利的。不過考慮到電動車型大多限于代步而非追求動力性能,這一點尚不是最大缺陷。
缺點2:電制動性能有限,維持制動系統(tǒng)運行需要消耗不少電能
商用車車橋的內(nèi)置緩速器采用渦流制動原理,而輪轂電機(jī)的制動也可以利用這一原理
現(xiàn)在的傳統(tǒng)動力商用車已經(jīng)有不少裝備了利用渦流制動原理(也即電阻制動)的輔助減速設(shè)備,比如很多卡車所用的電動緩速器。而由于能源的關(guān)系,電動車采用電制動也是首選,不過對于輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛,由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動容量較小,不能滿足整車制動性能的要求,都需要附加機(jī)械制動系統(tǒng),但是對于普通電動乘用車,沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶動的真空泵,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,即便是再生制動能回收一些能量,如果要確保制動系統(tǒng)的效能,制動系統(tǒng)消耗的能量也是影響電動車?yán)m(xù)航里程的重要因素之一。
此外,輪轂電機(jī)工作的環(huán)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(shè)計上也需要為輪轂電機(jī)單獨考慮散熱問題。
結(jié)語:
與電動機(jī)集中動力驅(qū)動相比,輪轂電機(jī)技術(shù)具備很大的優(yōu)勢,它布局更為靈活,不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動系統(tǒng),同時也有自己的顯著不足,比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關(guān)系,以及轉(zhuǎn)向時驅(qū)動輪的差速問題等等,如果能在工程上解決這些難題,輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。
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