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「分析」深度长文:轮毂电机在新能源汽车驱动系统中的应用剖析

时间:2021-02-28 01:48:54

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「分析」深度长文:轮毂电机在新能源汽车驱动系统中的应用剖析

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

轮毂电机通过把电机集成在轮毂内,高度集成化,具有以下优点:

(1)高效率

传统的传动系统由于结构的复杂性,每一级传动都有传动效率的损失,总体传动效率的损失还是很大的。而轮毂电机直接驱动车轮,避免了传递路径上效率的损失,可以提升效率,节省能量。数据显示,相对于传统的传动系统来说,轮毂电机可以提高8%~15%左右的效率。

对于电动汽车来说,效率的提升可以进一步增加续航里程。或者保持续航里程不变,电池么,就做小一点。另外,虽然轮毂电机比普通轮毂要重不少,但是对整车来说,还是减重很多的。对于电动汽车来说,减重意味着续航能力的增加,就可以把电池做的再小一点了。

(2)空间布置

由于高度集成化,省去了中间一大坨传动机构,可以节省前舱的布置空间,以及四驱车辆的后排座椅的凸起,乘客可以享受更大的车内空间。上面那一坨变速箱就不需要了,前舱秒变行李舱不是梦。后驱车后地板上的“迷之突起”消失,啪啪啪更方便。

(3)方便控制

由于电机直接驱动车轮,MCU(电机控制器)只需要一个简单的指令就可以直接控制车轮的转速和扭矩(而且精度非常高),可以很容易的实现非常复杂的控制。比如可以通过左右轮不同转速甚至反向旋转来实现差动转向,可以大大减小车辆的转向半径,甚至可以实现原地转向(不过对轮胎的磨损比较大)。另外,对于装备有四轮轮毂电机的车辆,可以更容易实现更高水平的制动能量回收利用率。理论上,如果轮毂电机扭矩足够大,可以回收100%制动能量,只是受限于电池组的充电功率。

(4)成本

理论上,由于节省了复杂的传动机构,机构更简单,零件更少,整车成本会下降。但是目前由于轮毂电机产业化还远远不够,而且技术被少数公司垄断,轮毂电机成本还居高不下。不过随着轮毂电机前景被各大车企看好,一步步实现产业化,这部分优势会逐渐体现出来。

(5)模块化

由于轮毂电机的高集成度,轮毂电机理论上只与车轮大小有关,所以更容易模块化,避免重复开发,可以缩短新车型的开发周期和开发费用。

2、簧下质量增加之痛如何解?

宋健认为,现在不是谈轮毂电机成熟不成熟的问题,如果技术成熟了,把它放在摩托车上应该没问题,但放在汽车上会存在先天性弊端。

对于普通民用车辆来说,常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件,以减轻簧下质量,提升悬挂的响应速度。

如果说电极材料过热导致的退磁问题能够解决的话,那么决定轮毂电机是否能够产业化的另一堵墙就是簧下质量的大幅增加,这个问题的严重性关乎轮毂电机的“命运”。

对汽车来讲,簧下质量会对汽车的性能产生很大影响,原来的驱动系统是在悬架以上,而轮毂电机会使悬下重量增加一倍多,这对汽车的平顺性严重恶化,不是轮毂电机不能用,而是应用在汽车上会严重影响其性能。

而轮毂电机恰恰较大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能很不利。

上海交大汽车工程研究院副院长殷承良:对悬架结构做出重大改变或许能避免这个问题,但悬架的变化就相当于整车全新一代的车型开发,难度很大。

不过,连小珉教授对此有不同看法,虽然他也认为簧下质量对整车性能的影响确实存在,但他同时强调,相比传动燃油车,电动汽车的簧上质量也在增加,比如电池的重量。

“簧上质量与簧下质量按同比例增加时,整车性能受到的影响就不会那么突出”

虽然随着技术的进步,电动汽车会逐步轻量化,但轮毂电机技术也会不断进步,向轻量化的方向发展。只要簧上和簧下质量保持比例,对整车性能的影响就不会太大。

3、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。

4、轮毂电机是否具备产业化条件?

5、国内外零部件企业的布局

6、总结

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