轮毂式电动汽车驱动系统发展综述

轮毂式电动汽车驱动系统发展综述

王玲珑黄妙华

2007/1/30

1 轮毂式电动汽车发展现状

轮毂式电动汽车是一种新兴的驱动式电动汽车，有两种基本形式，即直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮。它直接将电机安装在车轮轮毂中，省略了传统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件，简化了整车结构，提高了传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。电动轮将成为未来电动汽车的发展方向。

目前国际上对轮毂式电动汽车的研究主要以日本为主。日本庆应义塾大学的电动汽车研究小组已试制了5种不同形式的样车。其中，1991年与东京电力公司共同开发的4座电动汽车IZA，采用Ni-Cd电池为动力源，以4个额定功率为6.8kW、峰值功率达到25kW的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速度可达176km/h。1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了电动轮驱动系统的后轮驱动电动汽车ECO，该车的电动轮驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6.8kW，峰值功率为20kW，并配以行星齿轮减速机，该电动轮采用机械制动与电机再生制动相结合的方式。2001年，该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车KAZ。该车安装了8个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度达到311 km/h。KAZ的电动轮系统中采用高转速、高性能内转子型电动机，其峰值功率可达55 kW，提高了KAZ轿车的极限加速能力，使其0～100km/h加速时间达到8s。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，KAZ电动轮系统匹配行星齿轮减速机构。KAZ前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。2003年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车FINE-N也采用了电动轮驱动技术。美国通用汽车公司2001年试制的全新线控4轮驱动燃料电池概念车Autonomy也采用电动轮驱动型式，电动轮驱动系统灵活的控制与布置方式，使该车能更好地实现线控技术。

国内对电动轮驱动方式的研究也取得了一些进展。同济大学研制的“春晖”系列燃料电池概念车采用了4个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。比亚迪于2004年在北京车展上展出的ET概念车也采用了电动汽车最新驱动方式：4个轮边电机独立驱动模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为7.5 kW，电压264 V，双后轮直接驱动。中船总公司724研究所的4轮电动汽车，其电动机性能指标为：额定功率3 kW，额定转速3000r/min，额定电压为110 V。

2 电动轮汽车结构分析

电动轮式电驱动系统有直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮两种基本形式。这取决于是采用低速外转子还是高速内转子电动机。直接驱动式电动汽车采用低速外转子电动机，电动轮与车轮组成一个完整部件总成，采用电子差速方式，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小、质量轻和成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种电动轮直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。然而电动汽车在起步时需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供大转矩。为了使汽车能够有较好的动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作产生一定的冲击和振动，要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠，同时由于非簧载质量大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计，电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。

带轮边减速器电动轮电驱动系统采用高速内转子电动机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。它起源于矿用车的传统电动轮，属于减速驱动类型，这种电动轮允许电动机在高速下运行，通常电动机的最高转速设计在4000～20000 r/min，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电动机的其它性能没有特殊要求，可以采用普通的内转子高速电动机。减速机构布置在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星齿轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，消除了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸

的影响。设计中主要应考虑解决齿轮的工作噪声和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系统内部的结构方案设计要求更高。图1为轮边减速器型电动轮示意图。

图1 轮边减速器型电动轮示意图。

3 转向差速控制研究

轮边驱动系统没有传统的减速机构和机械式差速器，因而在转向时需考虑对两个轮边电机的转速和转矩进行重新分配来实现差速控制，从而减少汽车转向时轮胎的磨损和滑移，提高汽车行驶稳定性。

3.1 电子差速控制模型分析

在车辆低速转弯时，通常采用模型分析车辆的转向差速控制。该模型有如下几个假设条件：(1)车体刚性；(2)车轮纯滚动，即不考虑已发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态；(3)轮胎侧向变形与侧向力成正比，即不考虑轮胎材质与结构上的非线性和因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性系数的变化。

3.2 改进的电子差速控制方案

改进后的电子差速控制方案在控制车轮转速的基础上以车轮滑移率为控制目标，以驱动轮转矩为控制变量，在保证汽车操纵稳定性和平顺性的前提下，当汽车直线行驶时，平均分配两驱动轮的转速和转矩；在汽车转向时，对两侧车轮输入不同转速和转矩，使两驱动轮的滑移率最低，确保行驶安全性。

3.2.1 转向时离心力对载荷的影响

在汽车转向时，离心力产生的侧翻力矩对驱动轮垂直载荷影响较大。沿平直道路行驶的汽车可认为两后轮垂直载荷相同。如下式：

式中：b为质心到后轮的距离，

m为汽车质量。

转弯时离心力产生的侧翻力矩为：

M x=F a H（2）

式中：H为汽车质心到地面的高度。

转弯时后轮的载荷为：

式中：υ为汽车速度。

对的车体和θ<30°的转弯状况，可以由代替，且误差小于5%。由此可得驱动轮内外侧的载荷比：

3.2.2 对驱动电机的转矩控制

控制踏板输入相当于转矩控制指令，采用线性调节负反馈的电流控制，从图2控制框图得出输出特性，如式(8)所示。

式中：R为电机相电阻，

K t为转矩系数，

K c为电动势系数。

转弯行驶时内外侧轮的转矩差及内外侧轮实际所需转矩分别为：

4 轮毂式电动汽车关键技术

4.1 轮毂电机及其控制技术

目前电动轮所用的低速外转子电动机和高速内转子电动机都是径向磁通永磁轮式电机。高速内转子电机的结构与传统的永磁同步电机或无刷直流电机基本相同。电机的最高转速主要受线圈和摩擦损耗以及变速机构承受能力等因素的限制。外转子轮式永磁电机作为电动汽车直接驱动的执行器，电机采用表面安装NdPeB磁钢的外转子定子多极少槽结构。外转子结构在车轮直径固定的约束条件下，使电枢直径增加，提高了电机能力；同时，外转子结构使电机散热条件恶化，对长时间过载能力有一定影响。定子采用多极少槽结构，减小体积、简化结构，有利于产生所需的电势谐波以提高力能指标。永磁转子位置传感器采用磁阻式多极旋转变压器，与电机本体一体化安装，结构紧凑。

电机驱动采用轴角变换技术，使用轴角变换芯片将旋转输出信号变换为数字位置信号，供相电流指令合成电路产生各相的电流指令；相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器(CR)处理，控制SPWM型逆变功率电路，驱动电机运行。

轮毂式电动汽车一般有2个或4个轮边电机，对多个电机实行协调控制。实现电动汽车驱动的关键技术是驱动电机的运行控制，其中包括车辆行驶的稳定性控制、转向差速控制、系统动力性能优化和节能控制等。在稳定性控制中，以牵引控制为主要研究方向，系统的综合节能策略在电池技术没有足够进步之前，也相当重要。为了更好地对车辆进行研究和优化设计，电动汽车的有效数学模型和快速有效的系统运行控制算法也是当今世界各国的攻关热点。

4.2 能源及能量管理系统

电池是电动汽车的动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车与燃油汽车竞争，关键要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

到目前为止，电动汽车电池经过3代的发展，已取得了突破的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和放电倍率高，是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有Ni-Cd、Ni-MH、Na-S、Li-ion和Zn/Air等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破。

由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到燃油车的水平，能量管理系统的目的就是最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程。智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，这些传感器包括车内外气温传感器、充放电时电源电流和电压传感器、电动机电流和电压传感器、速度和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。能量管理系统能实现以下基本功能：优化系统的能量分配；预测电动汽车电源的剩余能量和继续行驶里程；提供最佳的驾驶模式；再生制动时合理地调整再生能量；自动调整温度控制方式。智能管理系统如同电动汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点。

5 结语

本文介绍了轮毂式电动汽车发展现状及结构特点，说明了轮毂式电动汽车的转向控制模型及其关键技术。与传统电动汽车相比，轮毂式电动汽车的整车结构、传动效率、动力性能、续驶里程等都有非常明显的优势，是未来电动汽车的发展方向。目前，对低质量、高功率的轮毂电机的研究仍是热点。同时，轮毂式电动汽车转向、驱动、制动时对电机转矩与转速的控制是未来研究的重点和难点。