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轮毂电机和轮边电机,谁将主宰未来?
作者: Tony Song 来源: 驱动视界 日期: 2018年5月21日

1、轮毂电机简介
1.1、轮毂电机技术简介
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术,它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,因此将电动车辆的机械部分大大简化。
 
轮毂电机技术并非新生事物,早在1900年,就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车,在20世纪70年代,这一技术在矿山运输车等领域得到应用。
 

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而对于乘用车所用的轮毂电机,日系厂商对于此项技术研发开展较早,目前处于领先地位,包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。
 
轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子式和外转子式。
 
其中外转子式采用低速外转子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min,无减速装置,车轮的转速与电机相同;
 
而内转子式则采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000r/min。
 
随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。
 
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1.2、轮毂电机的优点
1.2.1、省略大量传动部件,让车辆结构更简单
对于传统车辆来说,离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的,而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂,同时也存在需要定期维护和故障率的问题。
 
但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除了结构更为简单之外,采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率,同时传动效率也要高出不少。
 
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1.2.2、可实现多种复杂的驱动方式
由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现,全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。
 
同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向,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(不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大),对于特种车辆很有价值。
 
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1.2.3、便于采用多种新能源车技术
新能源车型不少都采用电驱动,因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车,抑或是增程电动车,都可以用轮毂电机作为主要驱动力;即便是对于混合动力车型,也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力,可谓是一机多用。
 
同时,新能源车的很多技术,比如制动能量回收(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。
 
1.3、轮毂电机的缺点
1.3.1、增大簧下质量和轮毂的转动惯量,对车辆的操控有所影响
对于普通民用车辆来说,常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件,以减轻簧下质量,提升悬挂的响应速度。
 
可是轮毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于代步而非追求动力性能,这一点尚不是最大缺陷。
 
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1.3.2、电制动性能有限,维持制动系统运行需要消耗不少电能
现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理(即电阻制动)的辅助减速设备,比如很多卡车所用的电动缓速器。
 
而由于能源的关系,电动车采用电制动也是首选,不过对于轮毂电机驱动的车辆,由于轮毂电机系统的电制动容量较小,不能满足整车制动性能的要求,都需要附加机械制动系统。
 
但是对于普通电动乘用车,没有了传统内燃机带动的真空泵,就需要电动真空泵来提供刹车助力,但也就意味了有着更大的能量消耗,即便是再生制动能回收一些能量,如果要确保制动系统的效能,制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一。
 
此外,轮毂电机工作的环境恶劣,面临水、灰尘等多方面影响,在密封方面也有较高要求,同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。
 
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1.4、轮毂电机技术应用现状
近年来,国外轮毂电机驱动技术的应用主要体现在两个方面:一是以轮胎生产商或汽车零部件生产商为代表的研发团队开发的集成化电动系统;二是整车生产商与轮毂电机驱动系统生产商联合开发的电动汽车。
 
而在我国国内对于轮毂电机的研究多集中于高校,产品均为电动汽车,与此同时,自主品牌汽车厂商也纷纷推出了自己的轮毂电机技术产品,国内的汽车商虽然能够生产电动汽车,但是对于轮毂电机驱动技术的研究尚不成熟,尤其是在高转矩轮毂电机开发方面,与国外先进产品仍有一定差距。
 
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2、轮边电机技术概述
2.1、轮边电驱桥定义
轮边电机是电机装在车轮边上以单独驱动该车轮,轮毂电机是电机嵌在车轮轱辘里,定子固定在轮胎上,转子固定在车轴上而不是将动力通过传动轴的形式传递到车轮。
 
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轮边电机通常是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动,但是电动机不是集成在车轮内,而是通过传动电机输出轴连接到车轮(这就是和轮毂电机的差异点。
 
轮边电机是电机装在车轮边上单独驱动该车轮,两侧分别是一台电机+减速器,取消了主减速器和差速器,综合电耗比较好,轮边电机驱动系统便于实现电子差速与转矩协调控制,可回收制动能量,具有能量利用率高的独特优势。
 
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2.2、轮边电机的特点和存在的技术障碍
分布式驱动技术是近些年比较热的技术,一些企业一直在研究分布式驱动。轮边驱动系统与中央驱动系统相比较,驱动力更集中,也会更精细化,因此在客车行业里受到较高的关注。
 
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轮边驱动虽然优势突出,但是其存在的技术难题也不容忽视。目前轮边驱动系统主要问题集中在电机的控制上,哪台电机需要工作,在什么样的工况下工作,这需要很长的时间来研究。
 
车辆转弯时两侧车轮转动的速度不一致,分布式驱动取消差速器之后,需要电子差速控制器来完成转弯,然而目前国内这项技术还达不到使用要求。
 
轮边驱动系统的驱动精细程度很高,甚至能够精确到多少转矩和扭力,但是越精细控制起来就会越复杂。
 
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在车辆行驶过程中,其核心零部件VMS(整车控制器)的计算量非常大,每增加一台电机或者一个节点,VMS的数据处理量就会成倍增加。
 
目前仍没有一个理想的方案完美解决轮边驱动的差速问题,尤其在高速转弯与路面颠簸上的差速控制。另外,由于轮边电机非簧载质量高,影响舒适性,因此目前只有部分客车企业采用轮边驱动技术。
 
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2.3、轮边电机的产业化
采埃孚是国际上首家生产电驱动车桥的轮边电机企业,该公司的轮边驱动技术最早用于沃尔沃商用车。在我国,比亚迪、长江客车(五龙公司)的轮边电机客车在2014年相继问世。同时,中植客车等国内大型客车企业生产的独立悬架轮边电机产品也开始进入公告目录。可以说,2014年是我国轮边电机客车市场化的元年。
 
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比亚迪作为国内首家推出轮边驱动桥的车企,迄今为止搭载轮边电机的比亚迪K9客车已经有数千辆公交车投入运行。然而,从轮边电机驱动客车的市场运行情况来看,除了比亚迪一枝独秀之外,其他企业似乎并无太大起色。那么,轮边电机客车走向市场的过程中,究竟有哪些问题成为掣肘因素?
 
分布式驱动技术市场化进程缓慢,其主要原因就是价格贵。
 
轮边电机以及配套电池造价高,是轮边驱动客车成本居高不下的原因之一。如果是集中式驱动,那么只要一台电机就足够,而分布式驱动则需要两套以上的驱动系统和电机,成本增加是显而易见的。
 
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3、轮边电机和轮毂电机的优缺点分析
轮边电机和轮毂电机同属分布式电驱动桥,都是双电机驱动。不同的是一个把电机放进轮毂内,一个把电机放在车轮边。
 
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目前轮毂电机有内转子和外转子两种技术方案路线,先普及一下内转子和外转子的区别:
 
转子和电机主轴一起转、电机机座固定是内转子电机 
转子随着电机外壳一起旋转、电机主轴固定,这是外转子电机 
简单说就是前者用外壳做定子,内部和主轴做转子,这是传统的 
后者是用外壳做转子,内部和主轴做定子 
内转子一般极数少,转速高,转矩小 
外转子一般极数多,转速低,转矩大
 
现分别用轮边电机与外转子和内转子轮毂电机作对比:
 
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3.1、轮边电机VS外转子轮毂电机
外转子轮毂电机可以用在商用车上,也可以用在乘用车上。
 
外转子电机由于转速低、转矩大,通常都不需要减速机构,而采用直驱方案。但是由于外转子电机的结构特性,决定了其体积较大,导致占用空间大、重量偏大,这是其最大问题。
 
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体积巨大的轮毂电机
 
优点:取消消机械减速机构,减少传动链条,也就减少了故障可能,效率更高。
 
缺点是:在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流,很容易损坏电池和永磁体,电机效率峰值区域小,负载电流超过一定值后效率下降很快。
 
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带行星齿轮减速器的轮边电机
 
轮边减速驱动一般采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,能获得较高的功率密度,内转子电机的转速最高可达到10000r/min。
 
高速内转子电机配备的减速器一般采用行星齿轮减速机构,包括行星轮、太阳轮和行星架,安装在电机与轮毂之间。电机输出的转矩通过行星齿轮减速机构的减速增矩驱动轮毂转动,从而使汽车前进。
 
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外转子电机大大身材导致传统钢圈无法使用
 
只能使用特制钢圈和大单胎,导致成本上升、可维修性和可更换性下降。另外体积大导致的另一个问题就是散热困难。
 
3.2、轮边电机VS内转子轮毂电机
内转子轮毂电机转矩小、转速高,需配备减速器方可驱动车轮。
 
优点是:由于内转子电机在高转速下运转,故具有较髙的比功率和效率,而且体积小,质量轻,通过减速结构的增矩后,输出转矩大,爬坡性能好,能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。
 
缺点是:难以实现润滑,会使行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快,使用寿命变短,不易散热,噪声比较大。
 
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外转子电机和内转子电机内部结构对比图
 
内转子轮毂电机和轮边电机在传动结构上已经趋同:都是内转子电机+减速器,所不同的只是一个把电机藏在轮毂里,一个放在轮边。
 
由于内转子轮毂电机需要集成减速器,对于乘用车前轮来说,狭小的空间内需要布置电机、减速器、制动器、转向系统等等,故内转子轮毂电机较少见于乘用车应用。
 
4、轮毂电机和轮边电机的产业化情况
4.1、日本SIM-Drive公司
开发电动汽车(EV)的日本风险企业SIM-Drive宣布,2010年1月到2011年3月推进的“第一轮先行开发车业务”的试制车辆已经完成。虽然开发车辆“SIM-LEI”的锂离子充电电池容量与日产汽车的EV“LEAF”(中国名:聆风)相当,但续航距离却达到了后者1.5倍以上的333km(JC08模式)。
 
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LEI是“Leading Efficiency In-wheel motor”的首字母缩写。此次开发该车时,SIM-Drive制定了“与量产直接挂钩”的开发目标。因此,当时所面临的课题是,如何确保可供5名成人乘坐的车内空间及超过300km的实用续航距离,以及采用适合量产的车身构造等。
 
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SIM-LEI配备的锂离子充电电池容量为24.9kWh,与LEAF的24kWh基本相同。日产称JC08模式下LEAF的续航距离为200km,而SIM-LEI则达到了LEAF的1.5倍以上。
 
关于轮内马达的改进,特点是采用了外转子构造,取代了原来主流的内转子构造。虽然外转子构造比内转子构造复杂,但具有容易输出较大扭矩的特点。
 
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由于马达本身可确保扭矩,因此不再像原来的EV马达那样需要减速器,从而可减少摩擦损失。“因为没有主传动齿轮、差动齿轮、传动轴等,摩擦损失可减少10%左右”(SIM-Drive车辆开发统括部长兼车辆试制评估室长真贝知志)。
 
4.2、福特
福特汽车公司2013年展示了一款以福特嘉年华为基础开发的eWheelDrive轮毂电机驱动汽车。eWheelDrive轮毂电机驱动系统将独立的电动机集成于两个后轮毂中,转向系统采用了全新的设计,能够让车辆无需转向直接平移进人侧方泊车位。
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福特嘉年华轮毂电机内部结构图
 
这款嘉年华使用集成于后轮毂的独立电机来替代传统的发动机和传动系统,大大减少了零部件数量和动力系统的体积,让车辆的动力系统变得更加简单,大大提高车内空间的实用性,提高空间利用率。每个车轮独立的轮毂电机相比一般电动车而言,也省掉了传动半轴和差速器等装置,同样节省大量空间且传动效率更高。
 
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电动机采用液冷设计,单个电机最大功率40千瓦(54马力),电机工作时平均输出功率为33千瓦,两台电机的最大功率为80千瓦(40×2),约109马力,连续输出时的平均功率为66千瓦(33×2),即90马力。电机、电子控制器、冷却系统、制动系统全部被集成在轮圈内侧。
 
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福特汽车公司联手其国际著名汽车零部件厂商舍弗勒(Schaeffler)以福特嘉年华为基础而开发的eWheelDrive轮毂电机驱动汽车。该款仍处于研发阶段的汽车将为汽车制造商研发更为小巧、灵活的车型打下基础,进而改善城市移动出行并应对大城市所面临的停车难的挑战。eWheelDrive轮毂电机驱动技术将独立的电动机集成于汽车的两个后轮毂中,从而取代了传统传动系统中的发动机和变速器,以及用于电动车的中置发电机,从而节省了大量空间。
 
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4.3、泰特轮毂电机
轮毂电机的分布式驱动模块是怎么组成的?湖北泰特的技术平台提供了高效、安全、可靠的“交钥匙”的电驱动总成技术,其自主研发的The Motion全套动力总成由四部分组成,分别是:
 
a,The Wheel SM500轮毂电机驱动技术,该技术由永磁同步电机、外转子、内置逆变器等组成; 
b,The Drive电机驱动技术,这是电机控制的子系统; 
c,The Control分布式驱动控制系统,这是电驱动力总成控制子系统; 
d,The Connect高压配电子系统。
 
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湖北泰特制造的e-Traction轮毂电机,将轮胎、轮毂、永磁同步外转子、定子、逆变器、压盘集成在车轮内,其峰值输出扭矩可高达6000-10200Nm,最高转速达到500rpm/85-97kmph,堪称超低速大扭矩。
 
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早在2016年9月,作为天海集团子公司的泰特机电便耗资5500万欧元全资收购了e-Traction公司。
 
这家位于荷兰的公司成立于1981年,专注于商用车轮毂电机的研发及应用,至今已超过36年。e-Traction公司的轮毂电机技术在世界范围内处于领先地位,目前拥有200余项专利,包括100余项发明专利。经第三方机构评估,该公司目前仅专利价值就已达5800万欧元。
 
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4.4、ZF轮边电机
ZF AVE130已经批量应用
 
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4.5、比亚迪轮边电机
已经批量应用于K9电动大巴,出口国外。
 
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5、总结与展望
从目前的应用来看,轮边电机已经开始进入产业化,而轮毂电机尚在批量应用的前夜。
 
轮毂电机方面,内转子+减速器方案理论上功率密度更高、结构更紧凑,但由于技术过于复杂,目前尚未见到量产的产品;外转子轮毂电机尽管体积大、重量大,但是由于结构相对简单、传动链条少、效率高,已经有部分企业进入量产状态。
 
受结构限制,从目前行业趋势来看,外转子轮毂电机最有可能在电动大巴上取得突破,而在重载的卡车领域可能还是轮边电机方案更合适;另外,外转子轮毂电机可能在一些特种领域如军用越野和矿山电动轮等行业率先取得突破。
 
乘用车方面,由于舒适性和操控性要求更高,轮毂内布置空间更小,制动及散热和簧下质量等问题更加难以解决,所以轮毂电机在乘用车上的应用更加困难,尽管福特嘉年华已在几年前推出了轮毂电机汽车,但并没有被市场所认可;这也反应了汽车行业的一大特点:技术过关不等于产业化,也就是说,攻克技术难点、能够实现量产,不等于消费者买账,这中间还有成本、性能、故障率等等多方面和维度的考量。

(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:)

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