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轮毂电机在新能源汽车驱动系统中的发展趋势

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。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。



目前国内90%的电动汽车企业都是走中央电机驱动的路线,这个技术实际上就是从传统汽车转变过来的,绝大部分车的底盘还是传统车的底盘,没有按照纯电动汽车的特点来开发。



轮毂电机被一部分人认为是新能源汽车驱动系统最佳解决方案。其最大的特点就是将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内,省略了离合器、变速器传动轴、差速器、分动器等传动部件。它的出现,很有可能颠覆汽车零部件产业格局。


轮毂电机技术与中央电机相比可以为电动汽车提高15%的续驶里程。”湖北泰特机电有限公司总裁何君正这番言论,再次引发业界对轮毂电机技术的关注。


轮毂电机技术在全球范围内起步较早,但在国内还不成熟。


那么,被很多人看好的轮毂电机为什么至今还没有大面积铺开?


就目前来看,业界对轮毂电机技术的观点分为两派。一方认为,轮毂电机有明显优势,技术已经可以达到产业化水平;另一方认为,轮毂电机技术瓶颈很难突破,短期内不宜大规模推广。



1、轮毂电机的优点


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。


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。


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。


2、电机过热退磁如何解?


在轮毂电机领域深耕多年的Protean电机公司CEO陈国贤认为,电机永磁体温度达到140℃的时候就会出现退磁现象。那么,如何让磁体低于140℃?

湖北泰特机电有限公司总裁何君正表示:“效率是我们要重点考虑的,在不影响电机使用效率的情况下,我们通过严格的散热分析,决定采用水冷的方法进行散热,主要是从冷却水路的布置当中考虑,我们完全能够达到整个电机的使用要求。



“在汽车制动时,制动器会产生很大热量,热量会直接传到电机上,一般情况下,电机材料达到200℃以上时会退磁,目前还没有任何技术方式可以解决这个问题。


清华大学汽车技术研究院院长宋健对电动公会表示,过热会导致电机材料退磁,从而直接影响整车性能。


车轮由于经常需要处在大负荷低速爬长坡工况下,电机又放置在狭小的车轮内,容易出现冷却不足导致电机过热,另外制动也会导致电机过热。轮毂电机材料退磁是业界比较关注的问题。


清华大学教授连小珉也直言,电机热退磁现象确实存在,但如果有良好的冷却系统,能让热及时散发,可以避免电机材料退磁。“现在的情况是轮毂电机开发商只做电机,不做轮毂。其实轮毂可以做成风扇的形式来达到冷却效果,如果把轮毂和电机放在一起综合设计,有可能得到额外的冷却效果。”连小珉说。



目前水冷已经有人设计出来水冷来冷却定子,转子可以由风来冷却。另外,电机最大的热量来自制动器,汽车在制动过程中产生的热量会对电机有附加影响,如果把热量有效隔开,也可以减轻电机的热负荷。


“我们的办法是将硅钢片放置在刹车盘内进行防护,汽车在制动时摩擦产生的热量会进行一层层隔热处理,加上在电机定子里使用冷却水进行降温处理,从而使电机材料达到不会退磁的温度。”



陈国贤表示,我们通过有限元分析得出的实验结果是到达永磁体的温度可以控制在90℃左右。


3、轮毂电机是否具备产业化条件?


北京航空航天大学交通科学与工程学院教授徐向阳:轮毂电机只能在非常有限的特殊应用中试用,对于在汽车上的应用,不能仅就轮毂电机本身论,必须从整车角度来看轮毂电机在产业化应用的可能性。


“从整车的角度,对于真正意义的电动汽车来说,轮毂电机在“十三五”根本没有产业化的可能。”徐向阳说。


目前来看,轮毂电机除了电极材料过热退磁和簧下质量增加存在争议外,轮毂电机能否与整车如何有效集成以及电机的一致性、耐久性差的问题也成为影响产业化进程的因素。


在集成方面,连小珉教授认为,如果要搭配轮毂电机,整车要改进悬架参数来匹配,这并非技术瓶颈。


在我们把燃油车改成电动汽车时,由于簧上质量加重,悬架进行了调整,那么在应用轮毂电机时,悬下质量加重也需要调整这一部分。


轮毂电机的开发商和车厂一定要配合来做这件事,这样有助于发挥优点,克服缺点。目前确实存在很多技术问题,但如果缺乏规模化的商业应用,突破速度会很慢。


国内外有一些整车厂已经在尝试使用轮毂电机作为汽车的驱动方式了,但都没有大规模应用,只是停留在测试阶段。


当然,还有很大一部分整车厂拒绝采用轮毂电机。


“在现有的技术条件下,如果将轮毂电机应用到汽车上可以运行,车企为什么不去试一试?希望业界在对待新生事物态度上能够更加积极。”连小珉说。


目前国外比较有名的轮毂电机生产厂商有英国的Protean电机公司、加拿大的TM4公司、著名的轮胎生产商米其林公司和日本的普利司通公司。


在轮毂电机发展上,可以说Protean已经走在了前面。



虽然轮毂电机还面临其他问题的挑战,但依旧有越来越多的国内汽车厂商和电机生产商开始注意到这项技术,比如一汽-大众广汽传祺纯电动汽车都曾尝试使用过轮毂电机。


国内研发轮毂电机的企业屈指可数,但也不乏勇于开拓的新军出现。


湖北泰特机电有限公司也是或内比较早布局轮毂电机的企业,轮毂电机已经在全球8个国家10多条纯电动商用车的路线上运营,最早的一批是从2009年开始营运。


此外,还有一些国内企业也有涉足轮毂电机,比如天海集团也在天津成立了工厂,聚焦轮毂电机的研发等。


虽然目前轮毂电机还处于小范围试验阶段,但被业界很多人看作是未来新能源汽车驱动解决方案,如果能在工程上解决技术难题,轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。

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