輪轂電機和輪邊電機,誰將主宰未來?
發(fā)布者:安徽鴻效 發(fā)布日期:2019-04-15 17:52
1、輪轂電機簡介
1.1、輪轂電機技術(shù)簡介
輪轂電機技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機技術(shù),它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi),因此將電動車輛的機械部分大大簡化。
輪轂電機技術(shù)并非新生事物,早在1900年,就已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車,在20世紀70年代,這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
而對于乘用車所用的輪轂電機,日系廠商對于此項技術(shù)研發(fā)開展較早,目前處于領(lǐng)先地位,包括通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。
輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(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)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機,電機的最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min,無減速裝置,車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同;
而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機,配備固定傳動比的減速器,為獲得較高的功率密度,電機的轉(zhuǎn)速可高達10000r/min。
隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn),內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。
1.2、輪轂電機的優(yōu)點
1.2.1、省略大量傳動部件,讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單。
對于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,同時也存在需要定期維護和故障率的問題。
但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。除了結(jié)構(gòu)更為簡單之外,采用輪轂電機驅(qū)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。
1.2.2、可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式
由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性,因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式,它都可以比較輕松地實現(xiàn),全時四驅(qū)在輪轂電機驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。
同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(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現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(不過此時對車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪胎的磨損較大),對于特種車輛很有價值。
1.2.3、便于采用多種新能源車技術(shù)
新能源車型不少都采用電驅(qū)動,因此輪轂電機驅(qū)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,都可以用輪轂電機作為主要驅(qū)動力;即便是對于混合動力車型,也可以采用輪轂電機作為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(shù),比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機驅(qū)動車型上得以實現(xiàn)。
1.3、輪轂電機的缺點
1.3.1、增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量,對車輛的操控有所影響。
對于普通民用車輛來說,常常用一些相對輕質(zhì)的材料比如鋁合金來制作懸掛的部件,以減輕簧下質(zhì)量,提升懸掛的響應(yīng)速度。
可是輪轂電機恰好較大幅度地增大了簧下質(zhì)量,同時也增加了輪轂的轉(zhuǎn)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。
1.3.2、電制動性能有限,維持制動系統(tǒng)運行需要消耗不少電能。
現(xiàn)在的傳統(tǒng)動力商用車已經(jīng)有不少裝備了利用渦流制動原理(即電阻制動)的輔助減速設(shè)備,比如很多卡車所用的電動緩速器。
而由于能源的關(guān)系,電動車采用電制動也是首選,不過對于輪轂電機驅(qū)動的車輛,由于輪轂電機系統(tǒng)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(tǒng)。
但是對于普通電動乘用車,沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機帶動的真空泵,就需要電動真空泵來提供剎車助力,但也就意味了有著更大的能量消耗,即便是再生制動能回收一些能量,如果要確保制動系統(tǒng)的效能,制動系統(tǒng)消耗的能量也是影響電動車續(xù)航里程的重要因素之一。
此外,輪轂電機工作的環(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,同時在設(shè)計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。
1.4、輪轂電機技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來,國外輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團隊開發(fā)的集成化電動系統(tǒng);二是整車生產(chǎn)商與輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開發(fā)的電動汽車。
而在我國國內(nèi)對于輪轂電機的研究多集中于高校,產(chǎn)品均為電動汽車,與此同時,自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機技術(shù)產(chǎn)品,國內(nèi)的汽車商雖然能夠生產(chǎn)電動汽車,但是對于輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究尚不成熟,尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機開發(fā)方面,與國外先進產(chǎn)品仍有一定差距。
2、輪邊電機技術(shù)概述
2.1、輪邊電驅(qū)橋定義
輪邊電機是電機裝在車輪邊上以單獨驅(qū)動該車輪,輪轂電機是電機嵌在車輪轱轆里,定子固定在輪胎上,轉(zhuǎn)子固定在車軸上而不是將動力通過傳動軸的形式傳遞到車輪。
輪邊電機通常是指每個驅(qū)動車輪由單獨的電動機驅(qū)動,但是電動機不是集成在車輪內(nèi),而是通過傳動電機輸出軸連接到車輪(這就是和輪轂電機的差異點。
輪邊電機是電機裝在車輪邊上單獨驅(qū)動該車輪,兩側(cè)分別是一臺電機+減速器,取消了主減速器和差速器,綜合電耗比較好,輪邊電機驅(qū)動系統(tǒng)便于實現(xiàn)電子差速與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制,可回收制動能量,具有能量利用率高的獨特優(yōu)勢。
2.2、輪邊電機的特點和存在的技術(shù)障礙
分布式驅(qū)動技術(shù)是近些年比較熱的技術(shù),一些企業(yè)一直在研究分布式驅(qū)動。輪邊驅(qū)動系統(tǒng)與中央驅(qū)動系統(tǒng)相比較,驅(qū)動力更集中,也會更精細化,因此在客車行業(yè)里受到較高的關(guān)注。
輪邊驅(qū)動雖然優(yōu)勢突出,但是其存在的技術(shù)難題也不容忽視。目前輪邊驅(qū)動系統(tǒng)主要問題集中在電機的控制上,哪臺電機需要工作,在什么樣的工況下工作,這需要很長的時間來研究。
車輛轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)動的速度不一致,分布式驅(qū)動取消差速器之后,需要電子差速控制器來完成轉(zhuǎn)彎,然而目前國內(nèi)這項技術(shù)還達不到使用要求。
輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動精細程度很高,甚至能夠精確到多少轉(zhuǎn)矩和扭力,但是越精細控制起來就會越復(fù)雜。
在車輛行駛過程中,其核心零部件VMS(整車控制器)的計算量非常大,每增加一臺電機或者一個節(jié)點,VMS的數(shù)據(jù)處理量就會成倍增加。
目前仍沒有一個理想的方案完美解決輪邊驅(qū)動的差速問題,尤其在高速轉(zhuǎn)彎與路面顛簸上的差速控制。另外,由于輪邊電機非簧載質(zhì)量高,影響舒適性,因此目前只有部分客車企業(yè)采用輪邊驅(qū)動技術(shù)。
2.3、輪邊電機的產(chǎn)業(yè)化
采埃孚是國際上首家生產(chǎn)電驅(qū)動車橋的輪邊電機企業(yè),該公司的輪邊驅(qū)動技術(shù)最早用于沃爾沃商用車。在我國,比亞迪、長江客車(五龍公司)的輪邊電機客車在2014年相繼問世。同時,中植客車等國內(nèi)大型客車企業(yè)生產(chǎn)的獨立懸架輪邊電機產(chǎn)品也開始進入公告目錄??梢哉f,2014年是我國輪邊電機客車市場化的元年。
比亞迪作為國內(nèi)首家推出輪邊驅(qū)動橋的車企,迄今為止搭載輪邊電機的比亞迪K9客車已經(jīng)有數(shù)千輛公交車投入運行。然而,從輪邊電機驅(qū)動客車的市場運行情況來看,除了比亞迪一枝獨秀之外,其他企業(yè)似乎并無太大起色。那么,輪邊電機客車走向市場的過程中,究竟有哪些問題成為掣肘因素?
分布式驅(qū)動技術(shù)市場化進程緩慢,其主要原因就是價格貴。
輪邊電機以及配套電池造價高,是輪邊驅(qū)動客車成本居高不下的原因之一。如果是集中式驅(qū)動,那么只要一臺電機就足夠,而分布式驅(qū)動則需要兩套以上的驅(qū)動系統(tǒng)和電機,成本增加是顯而易見的。
3、輪邊電機和輪轂電機的優(yōu)缺點分析
輪邊電機和輪轂電機同屬分布式電驅(qū)動橋,都是雙電機驅(qū)動。不同的是一個把電機放進輪轂內(nèi),一個把電機放在車輪邊。
目前輪轂電機有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種技術(shù)方案路線,先普及一下內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的區(qū)別:
◆轉(zhuǎn)子和電機主軸一起轉(zhuǎn)、電機機座固定是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。
◆轉(zhuǎn)子隨著電機外殼一起旋轉(zhuǎn)、電機主軸固定,這是外轉(zhuǎn)子電機。
◆簡單說就是前者用外殼做定子,內(nèi)部和主軸做轉(zhuǎn)子,這是傳統(tǒng)的。
◆后者是用外殼做轉(zhuǎn)子,內(nèi)部和主軸做定子。
◆內(nèi)轉(zhuǎn)子一般極數(shù)少,轉(zhuǎn)速高,轉(zhuǎn)矩小。
◆外轉(zhuǎn)子一般極數(shù)多,轉(zhuǎn)速低,轉(zhuǎn)矩大。
現(xiàn)分別用輪邊電機與外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機作對比:
3.1、輪邊電機VS外轉(zhuǎn)子輪轂電機
外轉(zhuǎn)子輪轂電機可以用在商用車上,也可以用在乘用車上。
外轉(zhuǎn)子電機由于轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大,通常都不需要減速機構(gòu),而采用直驅(qū)方案。但是由于外轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)特性,決定了其體積較大,導(dǎo)致占用空間大、重量偏大,這是其最大問題。
體積巨大的輪轂電機
優(yōu)點:取消消機械減速機構(gòu),減少傳動鏈條,也就減少了故障可能,效率更高。
缺點是:在起步、頂風或爬坡等需要承載大扭矩的情況時需要大電流,很容易損壞電池和永磁體,電機效率峰值區(qū)域小,負載電流超過一定值后效率下降很快。
帶行星齒輪減速器的輪邊電機
輪邊減速驅(qū)動一般采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機,配備固定傳動比的減速器,能獲得較高的功率密度,內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)速最高可達到10000r/min。
高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機配備的減速器一般采用行星齒輪減速機構(gòu),包括行星輪、太陽輪和行星架,安裝在電機與輪轂之間。電機輸出的轉(zhuǎn)矩通過行星齒輪減速機構(gòu)的減速增矩驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動,從而使汽車前進。
外轉(zhuǎn)子電機大大身材導(dǎo)致傳統(tǒng)鋼圈無法使用
只能使用特制鋼圈和大單胎,導(dǎo)致成本上升、可維修性和可更換性下降。另外體積大導(dǎo)致的另一個問題就是散熱困難。
3.2、輪邊電機VS內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機
內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)速高,需配備減速器方可驅(qū)動車輪。
優(yōu)點是:由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),故具有較髙的比功率和效率,而且體積小,質(zhì)量輕,通過減速結(jié)構(gòu)的增矩后,輸出轉(zhuǎn)矩大,爬坡性能好,能保證汽車在低速運行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。
缺點是:難以實現(xiàn)潤滑,會使行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快,使用壽命變短,不易散熱,噪聲比較大。
外轉(zhuǎn)子電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比圖
內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機和輪邊電機在傳動結(jié)構(gòu)上已經(jīng)趨同:都是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機+減速器,所不同的只是一個把電機藏在輪轂里,一個放在輪邊。
由于內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機需要集成減速器,對于乘用車前輪來說,狹小的空間內(nèi)需要布置電機、減速器、制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等等,故內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機較少見于乘用車應(yīng)用。
4、輪轂電機和輪邊電機的產(chǎn)業(yè)化情況
4.1、日本SIM-Drive公司
開發(fā)電動汽車(EV)的日本風險企業(yè)SIM-Drive宣布,2010年1月到2011年3月推進的“第一輪先行開發(fā)車業(yè)務(wù)”的試制車輛已經(jīng)完成。雖然開發(fā)車輛“SIM-LEI”的鋰離子充電電池容量與日產(chǎn)汽車的EV“LEAF”(中國名:聆風)相當,但續(xù)航距離卻達到了后者1.5倍以上的333km(JC08模式)。
LEI是“Leading Efficiency In-wheel motor”的首字母縮寫。此次開發(fā)該車時,SIM-Drive制定了“與量產(chǎn)直接掛鉤”的開發(fā)目標。因此,當時所面臨的課題是,如何確保可供5名成人乘坐的車內(nèi)空間及超過300km的實用續(xù)航距離,以及采用適合量產(chǎn)的車身構(gòu)造等。
SIM-LEI配備的鋰離子充電電池容量為24.9kWh,與LEAF的24kWh基本相同。日產(chǎn)稱JC08模式下LEAF的續(xù)航距離為200km,而SIM-LEI則達到了LEAF的1.5倍以上。
關(guān)于輪內(nèi)馬達的改進,特點是采用了外轉(zhuǎn)子構(gòu)造,取代了原來主流的內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)造。雖然外轉(zhuǎn)子構(gòu)造比內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)造復(fù)雜,但具有容易輸出較大扭矩的特點。
由于馬達本身可確保扭矩,因此不再像原來的EV馬達那樣需要減速器,從而可減少摩擦損失。“因為沒有主傳動齒輪、差動齒輪、傳動軸等,摩擦損失可減少10%左右”(SIM-Drive車輛開發(fā)統(tǒng)括部長兼車輛試制評估室長真貝知志)。
4.2、福特
福特汽車公司2013年展示了一款以福特嘉年華為基礎(chǔ)開發(fā)的eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動汽車。eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)將獨立的電動機集成于兩個后輪轂中,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計,能夠讓車輛無需轉(zhuǎn)向直接平移進人側(cè)方泊車位。
福特嘉年華輪轂電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
這款嘉年華使用集成于后輪轂的獨立電機來替代傳統(tǒng)的發(fā)動機和傳動系統(tǒng),大大減少了零部件數(shù)量和動力系統(tǒng)的體積,讓車輛的動力系統(tǒng)變得更加簡單,大大提高車內(nèi)空間的實用性,提高空間利用率。每個車輪獨立的輪轂電機相比一般電動車而言,也省掉了傳動半軸和差速器等裝置,同樣節(jié)省大量空間且傳動效率更高。
電動機采用液冷設(shè)計,單個電機最大功率40千瓦(54馬力),電機工作時平均輸出功率為33千瓦,兩臺電機的最大功率為80千瓦(40×2),約109馬力,連續(xù)輸出時的平均功率為66千瓦(33×2),即90馬力。電機、電子控制器、冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)全部被集成在輪圈內(nèi)側(cè)。
福特汽車公司聯(lián)手其國際著名汽車零部件廠商舍弗勒(Schaeffler)以福特嘉年華為基礎(chǔ)而開發(fā)的eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動汽車。該款仍處于研發(fā)階段的汽車將為汽車制造商研發(fā)更為小巧、靈活的車型打下基礎(chǔ),進而改善城市移動出行并應(yīng)對大城市所面臨的停車難的挑戰(zhàn)。eWheelDrive輪轂電機驅(qū)動技術(shù)將獨立的電動機集成于汽車的兩個后輪轂中,從而取代了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中的發(fā)動機和變速器,以及用于電動車的中置發(fā)電機,從而節(jié)省了大量空間。
4.3、泰特輪轂電機
輪轂電機的分布式驅(qū)動模塊是怎么組成的?湖北泰特的技術(shù)平臺提供了高效、安全、可靠的“交鑰匙”的電驅(qū)動總成技術(shù),其自主研發(fā)的The Motion全套動力總成由四部分組成,分別是:
a,The Wheel SM500輪轂電機驅(qū)動技術(shù),該技術(shù)由永磁同步電機、外轉(zhuǎn)子、內(nèi)置逆變器等組成;
b,The Drive電機驅(qū)動技術(shù),這是電機控制的子系統(tǒng);
c,The Control分布式驅(qū)動控制系統(tǒng),這是電驅(qū)動力總成控制子系統(tǒng);
d,The Connect高壓配電子系統(tǒng)。
湖北泰特制造的e-Traction輪轂電機,將輪胎、輪轂、永磁同步外轉(zhuǎn)子、定子、逆變器、壓盤集成在車輪內(nèi),其峰值輸出扭矩可高達6000-10200Nm,最高轉(zhuǎn)速達到500rpm/85-97kmph,堪稱超低速大扭矩。
早在2016年9月,作為天海集團子公司的泰特機電便耗資5500萬歐元全資收購了e-Traction公司。
這家位于荷蘭的公司成立于1981年,專注于商用車輪轂電機的研發(fā)及應(yīng)用,至今已超過36年。e-Traction公司的輪轂電機技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位,目前擁有200余項專利,包括100余項發(fā)明專利。經(jīng)第三方機構(gòu)評估,該公司目前僅專利價值就已達5800萬歐元。
4.4、ZF輪邊電機
ZF AVE130已經(jīng)批量應(yīng)用
4.5、比亞迪輪邊電機
已經(jīng)批量應(yīng)用于K9電動大巴,出口國外。
5、總結(jié)與展望
從目前的應(yīng)用來看,輪邊電機已經(jīng)開始進入產(chǎn)業(yè)化,而輪轂電機尚在批量應(yīng)用的前夜。
輪轂電機方面,內(nèi)轉(zhuǎn)子+減速器方案理論上功率密度更高、結(jié)構(gòu)更緊湊,但由于技術(shù)過于復(fù)雜,目前尚未見到量產(chǎn)的產(chǎn)品;外轉(zhuǎn)子輪轂電機盡管體積大、重量大,但是由于結(jié)構(gòu)相對簡單、傳動鏈條少、效率高,已經(jīng)有部分企業(yè)進入量產(chǎn)狀態(tài)。
受結(jié)構(gòu)限制,從目前行業(yè)趨勢來看,外轉(zhuǎn)子輪轂電機最有可能在電動大巴上取得突破,而在重載的卡車領(lǐng)域可能還是輪邊電機方案更合適;另外,外轉(zhuǎn)子輪轂電機可能在一些特種領(lǐng)域如軍用越野和礦山電動輪等行業(yè)率先取得突破。
乘用車方面,由于舒適性和操控性要求更高,輪轂內(nèi)布置空間更小,制動及散熱和簧下質(zhì)量等問題更加難以解決,所以輪轂電機在乘用車上的應(yīng)用更加困難,盡管福特嘉年華已在幾年前推出了輪轂電機汽車,但并沒有被市場所認可;這也反應(yīng)了汽車行業(yè)的一大特點:技術(shù)過關(guān)不等于產(chǎn)業(yè)化,也就是說,攻克技術(shù)難點、能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn),不等于消費者買賬,這中間還有成本、性能、故障率等等多方面和維度的考量。
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