轮毂电机技术在新能源汽车上的应用分析
韦萍
广州汽车集团股份有限公司
【摘要】新能源汽车是未来汽车的发展方向，关键部件的选择与应用至关重要。通过对全球新能源汽车发展趋势、集中电机和轮毂电机的技术分析，说明了轮毂电机在新能源汽车上的应用前景，为新能源汽车的发展提供了参考路径。
关键词：新能源汽车 轮毂电机
能源与环境问题将制约汽车工业的后续发展，世界各国政府和汽车企业正积极研究和开发新能源汽车并推进产业化。我国基本确立新能源汽车发展的技术路线，明确新能源汽车的范围为插电式混合动力车、纯电动车和燃料电池车，因此车用电池、电机、电控三大关键核心技术的地位凸显，已成为了各大汽车和零部件企业、科研院校的主要攻关方向。对于传统车辆发动机是心脏，换言之，电机则是电动汽车的心脏，可见三大关键核心技术之一的电机技术的应用将会在新能源汽车的发展中起到极其重要的作用。
1 电动化是全球新能源汽车的发展趋势
1.1 相关国家新能源汽车发展计划
目前，欧洲、日本、美国的新能源汽车产业规划已基本形成，几乎所有的汽车厂商都在开发新能源汽车，尤其是纯电动汽车。欧盟计划2012年新能源汽车产量将达10万辆，2016年100万辆，2020年500万辆。欧盟已拨14.3亿欧元支持电动汽车研发，70亿欧元贷款支持制造商生产清洁能源汽车。日本预计新能源汽车2020年市场占有率约50%，保有量1350万辆，2030年达到2630万辆，并投资455亿日元用于电动汽车关键技术的开发和创新基础科学研究。美国在2015年将普及100万PHEV（插电式混合动力电动车），已拨24亿美元支持PHEV，对PHEV汽车的税收优惠为2500～15000美元/辆。国外大汽车公司普遍把2013～2015年定为电动汽车、甚至是燃料电池汽车进入市场、实现产业化的节点。各国电力供应商和几大国际能源公司已做好准备，积极参与电动汽车的能源供给系统建设。
1.2 我国新能源汽车发展计划
我国工信部起草的《节能与新能源汽车产业发展规划》指出，到2015年，纯电动汽车和PHEV的市场保有量要达到50万辆以上。到2020年，新纯电动汽车和PHEV市场保有量达到500万辆。更乐观的观点认为未来10年内，中国节能与新能源汽车规模总量要达到世界第一，未来中国新能源汽车面临大规模发展和产业化已经成为业内的共识。届时，有可能实现替代燃油580万吨，减少CO2排量1 000万吨。
汽车电动化是全球新能源汽车的发展趋势，而无论采用何种新能源技术，电力驱动都是不可或缺的组成部分。电机作为主要的电驱动方式，其产品及制造技术的提升，在新能源汽车的发展过程中将发挥重要作用。
2 电机技术和驱动方式
对于传统车辆来说，发动机和变速器是关键的动力系统，而在电动汽车中，电动机是主要的动力系统关键件。
2.1 电机技术
与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，此外，还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。目前电动汽车电机主要有3种形式，即异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。其中，永磁电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。特别是采用矢量控制的变频调速系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围，永磁电机是电动汽车尤其是轿车的主流技术。
随着未来混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，永磁驱动电机将迎来一个更为快速发展的时期，其发展趋势也将呈现以下特点：高功率密度、高转矩密度、高可控性、高效率、高性能、高性价比等，以满足混合动力汽车和纯电动汽车的实际需求。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。
2.2 驱动方式
电动汽车的电机驱动方式主要分为集中电机驱动和轮毂电机驱动两种。
集中电机驱动是以传统内燃机汽车为基础，采用集中电机驱动系统代替内燃机和变速器系统与传动系统连接，最大限度保留原车型的车身结构和组件，仅对动力总成系统和相关部件进行替换。集中电机驱动是将传统内燃机汽车改造为纯电动汽车的一种快速、适合小批量试制且较易控制成本的电动汽车开发解决方案。
轮毂电机驱动是将电机设计安装在车轮的轮毂内，输出转矩直接传输到车轮，舍弃传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，提高了车体空间的利用率。为了在有效的空间内达到较好的性能指标和效率，轮毂电机都采用了永磁材料。
文中结合所在单位开展的新型轮毂电机驱动纯电动汽车的开发和试验工作，对轮毂电机在新能源汽车上的应用进行分析。
3 轮毂电机的结构和技术参数
2011年4月，在上海车展上，广汽集团展出了首款新能源乘用车纯电动传祺，该车采用世界领先水平的新型轮毂电机驱动系统和锂电动力，每个轮毂电机有8个分电机和独立控制系统，全部集成在轮毂内，重量轻、扭矩大、结构紧凑，两个轮毂电机的最大功率为166kW，最大扭矩1650 Nm。整车动力强劲，实现零排放，续驶里程长，并保持了传祺宽敞的驾乘空间与行李箱容积。
3.1 轮毂电机总体结构
纯电动汽车采用的轮毂电机技术，就是将动力、传动和制动装置都集成到轮毂内，将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机的外观如图1所示。在车辆上，轮毂电机与悬挂系统相连，由定子、车轮轴承、微型逆变器、线圈和转子等组成，其总体结构如图2所示。
将电力电子装置（电机控制器）与电机本体作为一个整体集成安装在轮毂上，通过模块化设计，集成化解决方案，省略了大量传动部件，结构更简单，零部件更少，集成性价比更高。而且车辆可以获得更好的空间利用率，传动效率也高于其他形式的汽车，如图4（b）所示。
4.2 轮毂电机驱动的特性分析
与集中电机驱动相比，轮毂电机驱动具备较大的优势，主要表现为：
⑴ 采用轮毂电机驱动，动力传动的硬件连接改为软连接形式，省略了传统汽车所需的离合器、变速器、机械操纵换挡装置、传动轴和机械差速器等，汽车结构大为简化，车辆空间利用率大大提高，整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。
⑵ 采用轮毂电机驱动，各电动轮的驱动力可以直接动力可控，其动力学控制更为方便和灵活，特别是两侧的驱动轮之间没有刚性连接轴，不需要传统汽车的机械差速器，在车辆转弯时可通过分别调节两侧驱动轮的转速实现差速功能，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。
⑶ 容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动，各电动轮之间也容易实现灵活的协调配合，可减少传动中的机械磨损和损耗，提高传动效率。
⑷ 纯电动、燃料电池、增程电动车等电力驱动的新能源汽车车型都可以采用轮毂电机驱动方式。另外制动能量回收（即再生制动）也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现，功率密度比传统解决方案优越。
当然，轮毂电机驱动也存在着一些不尽人意的地方，如增大了避震弹簧下质量和轮毂的转动惯量，对密封有较高要求，同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热、防水等问题。另外，轮毂电机关键核心元器件（如大功率集成模块IGBT、IPM等）以及控制器全部需要从国外进口，这对于我国电动汽车以后的技术扩展和产业化推广将带来一定的制约。
5 结论
在新能源汽车中，轮毂电机驱动是一种全新的驱动形式，与集中电机驱动方式相比，不需要复杂的机械传动系统，控制更为灵活，布局更为自由，具备明显的优势，已成为新能源汽车驱动技术的一个重要发展方向。随着我国科学技术水平的不断提高，轮毂电机驱动技术在新能源车上的大规模应用前景广阔。
