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新能源車現在已經成爲汽車行業頗具前瞻性的領域,而新能源車型的驅動技術和傳統內燃機汽車有著不小的區別,而其中有一類驅動技術有著很大的發展前景,這就是輪毂電機技術。

注:輪毂嚴格意義上講僅指與傳動軸連接的法蘭、軸承座等部分,不過輪毂這一名詞對于普通用戶目前更多指的是輪圈,下文中涉及的輪毂一詞將涵蓋狹義的輪毂和輪圈兩部分。

輪毂電機技術簡介

輪毂電機技術又稱車輪內裝電機技術,它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪毂內,因此將電動車輛的機械部分大大簡化。輪毂電機技術並非新生事物,早在1900年,保時捷就首先制造出了前輪裝備輪毂電機的電動汽車,在20世紀70年代,這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。而對于乘用車所用的輪毂電機,日系廠商對于此項技術研發開展較早,目前處于領先地位,包括通用、豐田在內的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。目前國內也有自主品牌汽車廠商開始研發此項技術,在2011年上海車展展出的瑞麒X1增程電動車就采用了輪毂電機技術。

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  米其林研發的將輪毂電機和電子主動懸挂都整合到輪內的驅動/懸挂系統結構圖

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  本田研發的輪毂電機實物

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  上海車展上的瑞麒X1-EV

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  通用開發的爲150噸的重型卡車設計的輪毂電機(內燃動力電傳動)

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  典型內轉子結構的輪毂電機驅動系統結構示意圖

輪毂電機驅動系統根據電機的轉子型式主要分成兩種結構型式:內轉子式和外轉子式。其中外轉子式采用低速外傳子電機,電機的最高轉速在1000-1500r/min,無減速裝置,車輪的轉速與電機相同;而內轉子式則采用高速內轉子電機,配備固定傳動比的減速器,爲獲得較高的功率密度,電機的轉速可高達10000r/min。隨著更爲緊湊的行星齒輪減速器的出現,內轉子式輪毂電機在功率密度方面比低速外轉子式更具競爭力。

輪毂電機的優缺點

優點1:省略大量傳動部件,讓車輛結構更簡單

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  類似上圖中這種傳統變速器在輪毂電機驅動的車輛上已經見不到了

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  傳統後驅車車廂後排地板上的突起在電動車上也會消失,爲乘員騰出更大的空間

對于傳統車輛來說,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、讓車輛的結構更爲複雜,同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪毂電機就很好地解決了這個問題。除開結構更爲簡單之外,采用輪毂電機驅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。

優點2:可實現多種複雜的驅動方式

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  像AHED“先進混合電驅動”樣車這樣的8輪電驅動很輕松就能實現

由于輪毂電機具備單個車輪獨立驅動的特性,因此無論是前驅、後驅還是四驅形式,它都可以比較輕松地實現,全時四驅在輪毂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。同時輪毂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向,大大減小車輛的轉彎半徑,在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向(不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大),對于特種車輛很有價值。

優點3:便于采用多種新能源車技術

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  采用輪毂電機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

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  輪毂電機可以和傳統動力並聯使用,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動,因此輪毂電機驅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,都可以用輪毂電機作爲主要驅動力;即便是對于混合動力車型,也可以采用輪毂電機作爲起步或者急加速時的助力,可謂是一機多用。同時,新能源車的很多技術,比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪毂電機驅動車型上得以實現。

缺點1:增大簧下質量和輪毂的轉動慣量,對車輛的操控有所影響

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  鋁制下擺臂采用主要就爲減重,如果加上輪毂電機,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的材料比如鋁合金來制作懸挂的部件,以減輕簧下質量,提升懸挂的響應速度。可是輪毂電機恰好較大幅度地增大了簧下質量,同時也增加了輪毂的轉動慣量,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,維持制動系統運行需要消耗不少電能

 

輪毂電機技術_志琦輪毂電鍍  商用車車橋的內置緩速器采用渦流制動原理,而輪毂電機的制動也可以利用這一原理

現在的傳統動力商用車已經有不少裝備了利用渦流制動原理(也即電阻制動)的輔助減速設備,比如很多卡車所用的電動緩速器。而由于能源的關系,電動車采用電制動也是首選,不過對于輪毂電機驅動的車輛,由于輪毂電機系統的電制動容量較小,不能滿足整車制動性能的要求,都需要附加機械制動系統,但是對于普通電動乘用車,沒有了傳統內燃機帶動的真空泵,就需要電動真空泵來提供刹車助力,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的效能,制動系統消耗的能量也是影響電動車續航裏程的重要因素之一。

此外,輪毂電機工作的環境惡劣,面臨水、灰塵等多方面影響,在密封方面也有較高要求,同時在設計上也需要爲輪毂電機單獨考慮散熱問題。

結語:

與電動機集中動力驅動相比,輪毂電機技術具備很大的優勢,它布局更爲靈活,不需要複雜的機械傳動系統,同時也有自己的顯著不足,比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關系,以及轉向時驅動輪的差速問題等等,如果能在工程上解決這些難題,輪毂電機驅動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。