一、概述
1.轮毂电机技术
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术,是纯电动汽车的一种先进的驱动方式(图1)。早在20世纪50年代初,美国人罗伯特就发明了将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置,这就是最早的轮毂电机技术。1968年该技术被通用电气公司应用于大型矿用自卸车上。
(1)轮毂电机技术特点
近年来纯电动汽车的快速发展,更是将轮毂电机技术提升到了一个新高度。轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的前轮、后轮,甚至所有车轮中,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、操控性能以及能源利用等方面的技术优势和特点极为明显,主要表现为以下几点。
①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。
②整车布局和车身造型设计的自由大大增加。采用轮毂电机技术后,可以将底架的承载功能与传动功能分离,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和系列化,缩短新车开发周期,降低开发成本。
③各轮毂扭矩独立可控,响应快捷,正反转灵活,瞬间动力性能更为优越,显著提高了适应恶劣路面条件的行驶能力。
④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反馈,还能对整车能源实现高效利用并实施最优化控制与管理,有效节约能源。
⑤由轮毂电机驱动的电动汽车,若进一步导入四轮转向技术(4WS),不但能减小转向半径,还可能实现零半径转向。
(2)永磁同步电机
目前,电动汽车使用的电动机主要是永磁同步电机。而在轮毂电机发展历程中,永磁同步电机绝对占据主流地位。
由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机,就被称为永磁同步电机。永磁同步电动机之所以能成为主流产品,其优势就在于结构简单、体积较小。和直流电机及异步电机相比,永磁同步电机损耗最低,它没有直流电机的换向器和电刷,也不需要无功励磁电流,这在一定程度上弥补了技术缺陷。其次,永磁同步电动机和普通电动机相比,它省去了励磁装置,结构更为简单,效率也更高。
不过它的缺点也不容忽视,那就是它具有制造成本高、启动困难等缺陷。在科学技术迅猛发展的今天,永磁同步电机矢量控制系统已经可以实现高精度、大范围的动态性能调速或定位控制。毫无疑问,永磁同步电机矢量控制系统已经成为各企业和许多学者研究的主要对象。
2.轮毂电机结构
轮毂电机的结构如图2所示。电机的转子和轮毂合为一体,轮胎就固定在转子上。当电机工作时,转子在电磁激励下转动,从而带动轮胎转动。轮毂电机可以回收能量,还可以与现有车辆上的传统动力系统配合,改装为混合动力汽车,使车辆燃油消耗降低多达30%。