轮毂电机驱动系统在电动汽车上的应用

随着经济社会的不断发展，人们的生活水平得到逐步提升，对环境的要求也越来越高。汽车排放的尾气一直被认为是环境污染的重要来源，因此使得能源与环保问题长期成为了汽车领域发展的瓶颈，其对汽车领域的发展也具有一定的制约作用。世界各国的汽车公司以及政府都在积极推进和研究新能源汽车的发展，明确了新能源汽车的范围是纯电动汽车、燃料电池车以及插电式混合动力车等。在新能源汽车领域，轮毂电机是汽车的核心组成部件，在新能源汽车领域起着举足轻重的作用，下文将简要对轮毂电机驱动技术进行简要介绍。

1 轮毂电机驱动技术概述  

纵观世界新能源汽车的发展，欧洲、美国以及日本等发达国家在新能源汽车领域已经形成了较为完善的汽车产业链，欧盟计划在2020年生产新能源汽车数量超过五百万辆，同时已经下拨14.3亿欧元用来支持新能源汽车的研发；此外，日本计划在2020年将新能源汽车的占比提升至50%；我国工信部在《节能与新能源汽车产业发展规划》中指出到2020年我国的新纯电动车以及PHEV的市场份额为500万辆，汽车的电动化是大势所趋，其核心部件电机作为主要的驱动方式在新能源汽车的发展过程中发挥着重要的作用。

目前在汽车行业普遍采用的电机为轮毂电机，如图1所示为轮毂式电机的外观图。轮毂电机安装在空间相对较小的轮毂中，使电机系统受磁场饱和、路面激励以及负载等因素的影响较为明显，因此可以严格控制轮毂汽车的性能。和传统的集中式汽车相比较，采用轮毂式电机驱动的汽车具有底盘结构简化、驱动布置灵活、行驶稳定性高以及传动效率高等优点，轮毂汽车的电机驱动大大简化了其地盘结构，节省了车内的空间，从而增大了车间利用率，整体车的布置较为灵活且质量分布设计自由度较高。对于轮毂电机而言，其技术要求主要为轮毂电机需要有较高的转矩密度，同时为了满足汽车的快速启动以及加速等动作，轮毂电机需要有较宽的抗过载能力，同时在此范围内还需保持较高的频率，轮毂电机还需具备在各种恶劣天气下运行的能力，在恶劣环境下还需保持较高的精度。

2 轮毂电机驱动形式      

2.1 内转子轮毂电机

按照轮毂电机的不同驱动形式，可以分为内转子轮毂电机和外转子轮毂电机两大类，其中内转子轮毂电机的最高转速为1500r/min。内转子对于电机的要求并不高，由于内转子电机引入了减速机构，使得轮毂电机的结构变得复杂从而增加了汽车的非簧载能力，在学术界日本对于内转子轮毂电机的研究较深，日本的重点大学庆应义塾大学与多家汽车公司一起合作开发出ECO，采用内转子轮毂电机的电动汽车型号以及研发单位如表1所示。

表1 内转子轮毂电机参数

2.2 外转子轮毂电机

外转子轮毂电机和内转子轮毂电机不同，外转子轮毂电机作为直接驱动车轮的电机无需配备减速装置，外转子轮毂电机的转速最高为2000r/min。和内转子轮毂电机相比，外转子轮毂电机的结构更为紧凑，轴向尺寸更小，而且传动效率更高。

3 轮毂电机驱动系统在电动汽车上的应用      

3.1 电动汽车的轮毂电机驱动方案

电动汽车的驱动方案主要有传统的集中电机驱动以及轮毂电机驱动两种方式，其中传统的集中电机驱动方式主要以内燃气汽车为基础，采用集中电机驱动系统替代原有的内燃机和变速器之间的连接，但是传统的集中电机驱动仅仅是对相关零部件以及系统进行替换，对车身的空间以及结构等没有进行改变，集中电机驱动是将内燃机汽车改造成纯电汽车最快速且简便的方式，但是其只适合小批量生产且适合于控制成本的基础上进行更新的一种模式。轮毂电机驱动是将电机设计安装在车轮的轮毂之中，大大简化了车身空间，简化了很多传统集中式电机驱动的机械动力装置，提升了车身的利用空间。

3.2 轮毂电机的结构和技术参数

纯电动汽车采用轮毂电机是将动力、传动以及控制装置都集中在轮毂中，将车辆的机械部分大大简化，轮毂电机的结构主要由定子、微型逆变器、线圈、转子以及车轮轴承等组成，如图2为轮毂电电机的总体结构。轮毂电机采用的是分电机结构，每个轮毂由八组电机组成，且每组电机均有独立的逆变器，共享一个转子，当其中一个电机由于某种原因坏掉时，其余电机组也能正常的运作。轮毂电机的技术参数主要有转子质量、转动惯量、宽度、直径、最高绕组温度、持续输入电流、备用功率、电缆尺寸、电极总质量、最高输出扭矩、入口冷却温度50℃下的持续输出扭矩等。

图2 轮毂电机总体结构

3.3 轮毂电机驱动的特性分析

采用轮毂电机驱动具有较多优良的性能，其动力传动的硬件连接改为了软连接，同时省略了传统汽车所需的离合器以及变速器等装置，其结构大大简化，同时采用轮毂电机驱动的车轮可以直接动力可控，动力学更加灵活，在两侧的驱动轮之间没有刚性连接，不需要类似传统汽车那种刚性连接轴承以及机械差速器，较大程度减小了车辆的转弯半径，在某些特定的情况下可以实现车辆的原地转弯以及原地转向，对于特种车辆具有较大的价值，可以更加灵活的协调配合各电动轮的电气制动以及机械复合制动，可有效减少机械的磨损以及损耗，从而提高传动效率。虽然轮毂电机驱动具有很多优点，但是其在技术发展的过程中也有很多没有突破的技术以及难题，在增大避震弹簧质量以及轮毂转动惯量的同时，对于密封的要求也较高，在设计的原始阶段还需要考虑防水以及散热等问题；此外，我国的轮毂电机主要核心零部件全部依赖进口，这使得我国的轮毂电机的发展受到一定程度的制约。

4 结论  

轮毂电机驱动技术的研究是未来新能源汽车驱动体系研究的重要方向，对于促进新能源汽车领域的发展以及环保领域的发展有着重要的作用。但是由于技术的迭代更新较快，轮毂电机还有很多需要解决的技术难题，同时国内的轮毂电机技术的发展和国外相比还有较大的进步空间，如果未来想要大规模量化生产轮毂电机需要突破很多技术难题，只有在技术上取得成就与进步，才能使轮毂电机在国内外市场上取得更为广阔的发展与应用。