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(dòng)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(dòng)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(dòng)軸連接的法蘭、軸承座等部分,不過(guò)輪轂這一名詞對(duì)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(jiǎn)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(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi),因此將電動(dòng)車輛的機(jī)械部分大大簡(jiǎn)化。輪轂電機(jī)技術(shù)并非新生事物,早在1900年,保時(shí)捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車,在20世紀(jì)70年代,這一技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。而對(duì)于乘用車所用的輪轂電機(jī),日系廠商對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)開(kāi)展較早,目前處于領(lǐng)先地位,包括通用、豐田在內(nèi)的國(guó)際汽車巨頭也都對(duì)該技術(shù)有所涉足。目前國(guó)內(nèi)也有自主品牌汽車廠商開(kāi)始研發(fā)此項(xiàng)技術(shù),在2011年上海車展展出的瑞麒X1增程電動(dòng)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(dòng)懸掛都整合到輪內(nèi)的驅(qū)動(dòng)/懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本田研發(fā)的輪轂電機(jī)實(shí)物
上海車展上的瑞麒X1-EV
通用開(kāi)發(fā)的為150噸的重型卡車設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)(內(nèi)燃動(dòng)力電傳動(dòng))
典型內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)力。
輪轂電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)1:省略大量傳動(dòng)部件,讓車輛結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單
類似上圖中這種傳統(tǒng)變速器在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛上已經(jīng)見(jiàn)不到了
傳統(tǒng)后驅(qū)車車廂后排地板上的突起在電動(dòng)車上也會(huì)消失,為乘員騰出更大的空間
對(duì)于傳統(tǒng)車輛來(lái)說(shuō),離合器、變速器、傳動(dòng)軸、差速器乃至分動(dòng)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(shí)也存在需要定期維護(hù)和故障率的問(wèn)題。但是輪轂電機(jī)就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。除開(kāi)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單之外,采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛可以獲得更好的空間利用率,同時(shí)傳動(dòng)效率也要高出不少。
優(yōu)點(diǎn)2:可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式
像AHED“先進(jìn)混合電驅(qū)動(dòng)”樣車這樣的8輪電驅(qū)動(dòng)很輕松就能實(shí)現(xiàn)
由于輪轂電機(jī)具備單個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特性,因此無(wú)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(shí)現(xiàn),全時(shí)四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛上實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易。同時(shí)輪轂電機(jī)可以通過(guò)左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)類似履帶式車輛的差動(dòng)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(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過(guò)此時(shí)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎的磨損較大),對(duì)于特種車輛很有價(jià)值。
優(yōu)點(diǎn)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(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)車等多種新能源車型
輪轂電機(jī)可以和傳統(tǒng)動(dòng)力并聯(lián)使用,這對(duì)于混合動(dòng)力車型很有意義
新能源車型不少都采用電驅(qū)動(dòng),因此輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)也就派上了大用場(chǎng)。無(wú)論是純電動(dòng)還是燃料電池電動(dòng)車,抑或是增程電動(dòng)車,都可以用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)力;即便是對(duì)于混合動(dòng)力車型,也可以采用輪轂電機(jī)作為起步或者急加速時(shí)的助力,可謂是一機(jī)多用。同時(shí),新能源車的很多技術(shù),比如制動(dòng)能量回收(即再生制動(dòng))也可以很輕松地在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車型上得以實(shí)現(xiàn)。
缺點(diǎn)1:增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,對(duì)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(fèi)了
對(duì)于普通民用車輛來(lái)說(shuō),常常用一些相對(duì)輕質(zhì)的材料比如鋁合金來(lái)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(shí)也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,這對(duì)于車輛的操控性能是不利的。不過(guò)考慮到電動(dòng)車型大多限于代步而非追求動(dòng)力性能,這一點(diǎn)尚不是最大缺陷。
缺點(diǎn)2:電制動(dòng)性能有限,維持制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)原理,而輪轂電機(jī)的制動(dòng)也可以利用這一原理
現(xiàn)在的傳統(tǒng)動(dòng)力商用車已經(jīng)有不少裝備了利用渦流制動(dòng)原理(也即電阻制動(dòng))的輔助減速設(shè)備,比如很多卡車所用的電動(dòng)緩速器。而由于能源的關(guān)系,電動(dòng)車采用電制動(dòng)也是首選,不過(guò)對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛,由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動(dòng)容量較小,不能滿足整車制動(dòng)性能的要求,都需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng),但是對(duì)于普通電動(dòng)乘用車,沒(méi)有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)的真空泵,就需要電動(dòng)真空泵來(lái)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(dòng)能回收一些能量,如果要確保制動(dòng)系統(tǒng)的效能,制動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量也是影響電動(dòng)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(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱問(wèn)題。
結(jié)語(yǔ):
與電動(dòng)機(jī)集中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)相比,輪轂電機(jī)技術(shù)具備很大的優(yōu)勢(shì),它布局更為靈活,不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),同時(shí)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(shí)驅(qū)動(dòng)輪的差速問(wèn)題等等,如果能在工程上解決這些難題,輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將在未來(lái)的新能源車中擁有廣闊的前景。
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