如何玩转“风火轮”?一文看懂轮毂电机应用难点

冰封之城

【第一电动网】(专栏作者 冰封之城)前文《一文读懂国内外轮毂电机研究结果》中总结了这些年出现过的轮毂电机,但是大多是概念居多,真正商业化使用的比较少,轮毂电机驱动的难点究竟在什么地方呢?又会从哪个领域最先突破呢?本文将结合上文提到的广汽传祺的轮毂电机结构做一个分析,错漏之处请大牛指正。

轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的车轮中,直接驱动轮毂旋转。与内燃机、单电机等传统集中驱动方式相比,其在动力配置、传动结构 、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点极为明显,主要表现为:

  • 动力控制由硬连接改为软连接,能通过电子控制器,实现各轮毂从零到最大速度之间的无级变速和轮毂间的差速要求。省却了传统的机械换档、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等装置,使得驱动系统和整车结构简约归一,可利用空间增大,传动效率提高(理论值为10%)。
  • 整车布局和车身造型设计的自由度大大增加。以汽车为例,将底架的承载功能与传动功能分离后,桥架结构大为简化,更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化,缩短新车开发周期,降低开发成本。
  • 各轮毂扭矩独立可控,响应快捷,正反转灵活,瞬时动力性能更为优越,显著提高了适应恶劣路面条件的行驶能力。
  • 容易实现轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈,还能对整车能源的高效利用实施最优化控制与管理,有效节约能源。
  • 对轮毂电机驱动的电动汽车,若进一步导入四轮转向技术(4WS),减小转向半径,还可能实现零半径转向。

轮毂电机外形基本一致,大都为扁平型,但电机类型、结构形式、驱动方式差别较大,分类如下。

按电机类型分类:目前应用于电动轮毂的电机主要有四大类,即永磁电机(PM)、异步电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)和横向磁通电机(TFM)。这其中,永磁电机的应用最为普遍,而横向磁通电机则是一类极具竞争力的低速大扭矩新型电机。

按结构形式分类:从主磁通行经路径看,它囊括了径向磁场(radial )、轴向磁场(axial )、横向磁通(transverse)全部三种基本形式。从运动方式看,亦有内转子、外转子和双转子之分。其中,双转子结构最有新意。内转子主动,外转子从动,二者通过一组行星齿轮传递动力,实现反向旋转,使磁场切割导体的速度为内、外转子速度之和。显然,这种速度迭加以及机械联动的巧妙组合,既给电机设计带来了张驰空间,又起到了缓释负载扰动、平抑冲击负荷、有效保护电池的作用。

按驱动方式分类:直接驱动时,电机多采用外转子结构,即转子直接带动轮毂旋转,因而转速较低。与此相对应,间接驱动时,电机则多为内转子结构,转速较高,通过行星轮加齿环机构实现减速,带动轮毂旋转,因而也称之为减速驱动。

按旋转速度分类:轮毂电机还有高速和低速之分,但对应的转速范围并没有明确的界定,视应用对象不同而不同。通常,仅当驱动方式确定之后,高、低速范围的界定才具有相对准确的含义,即直接驱动一般对应于低速电机(体积大,耗材多,功率密度小,噪声低),而间接驱动则多对应于高速电机(体积小,耗材少,功率密度大,噪声高)。

纯电传祺轿车所采用的轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动,电机定子、转子以及逆变器集成为一体,由8个逻辑上的子电机组成,使用共同的转子,并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。这种“分布式”的结构可降低对每个子电机的功率要求,因此可以采用小体积、低成本的功率电子器件,使得整个电机可以集成得非常紧凑;而通过对8个子电机进行合理的协同控制,可将各子电机输出的功率、扭矩进行叠加,实现整个电机强劲的驱动力;同时,若其中1个子电机发生故障,其他的电机仍可以继续正常丁作,而不会导致汽车直接抛锚。

该轮毂电机的结构如下图所示,由转子、轴承、定子、功率与控制电子模块以及密封背板等部分组成。

那么影响轮毂电机商业化应用的技术难点究竟有那些呢?主要有以下几点:

电子差速控制技术

由于轮毂电机驱动的电动汽车取消了传统汽车的机械传动部分,所以无法采用机械差速器对轮毂电机驱动的电动汽车进行差速控制,虽然现在出现了电子差速器,但是当车速超过一定值时,车辆就会出现明显的方向失稳现象。目前,国内外己初步积累了这方面的专有技术。

智能化能量管理系统

通俗地讲,这就是一个1+1等不等于2的问题。人们的期望值无疑是2(代数和),但实际效果只能是小于、充其量接近于2(矢量和)。综合考虑车辆方方面面的动力和能源需求,这就构成了有限车载能源和动力的最优化调度与管理问题/或称之为智能化能量管理系统。它既是一个系统工程的最优化技术解决方案,难度非常大,可以从各轮毂电机能量的合理分配与管理做起,并可以包括能量回馈方面的考虑。

如何玩转“风火轮”?一文看懂轮毂电机应用难点

轮毂电机非簧载质量的减少

由于轮毂电机驱动电动汽车需要把驱动电机、减速机构、制动器都集中在车轮内,故如果不采取有效措施,必然会引起汽车非簧载质量的增加,增大轮毂电机驱动电动汽车垂直方向的振动幅度,影响轮胎的附着性能,不利于汽车的控制,同时也会降低汽车的平顺性和舒适性。同时,电机放置在车轮内,电机将会承受来自路面的很大的冲击载荷。因此,研究轮毂电机非簧载质量的减少方法能够指导电动轮设计、结构改进及理论分析,具有重要的意义。

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