韋萍

(廣州汽車集團股份有限公司，廣州510030)

能源與環(huán)境問題將制約汽車工業(yè)的后續(xù)發(fā)展，世界各國政府和汽車企業(yè)正積極研究和開發(fā)新能源汽車并推進產(chǎn)業(yè)化。我國基本確立新能源汽車發(fā)展的技術(shù)路線，明確新能源汽車的范圍為插電式混合動力車、純電動車和燃料電池車，因此車用電池、電機、電控三大關(guān)鍵核心技術(shù)的地位凸顯，已成為了各大汽車和零部件企業(yè)、科研院校的主要攻關(guān)方向。對于傳統(tǒng)車輛發(fā)動機是心臟，換言之，電機則是電動汽車的心臟，可見三大關(guān)鍵核心技術(shù)之一的電機技術(shù)的應用將會在新能源汽車的發(fā)展中起到極其重要的作用。

1 電動化是全球新能源汽車的發(fā)展趨勢

1.1 相關(guān)國家新能源汽車發(fā)展計劃

目前，歐洲、日本、美國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃已基本形成，幾乎所有的汽車廠商都在開發(fā)新能源汽車，尤其是純電動汽車。歐盟計劃2012年新能源汽車產(chǎn)量將達10萬輛，2016年100萬輛，2020年500萬輛。歐盟已撥14.3億歐元支持電動汽車研發(fā)，70億歐元貸款支持制造商生產(chǎn)清潔能源汽車。日本預計新能源汽車2020年市場占有率約50%，保有量1 350萬輛，2030年達到2 630萬輛，并投資455億日元用于電動汽車關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新基礎(chǔ)科學研究。美國在2015年將普及100萬PHEV(插電式混合動力電動車)，已撥24億美元支持PHEV，對PHEV汽車的稅收優(yōu)惠為2 500～15 000美元/輛。國外大汽車公司普遍把2013～2015年定為電動汽車、甚至是燃料電池汽車進入市場、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的節(jié)點。各國電力供應商和幾大國際能源公司已做好準備，積極參與電動汽車的能源供給系統(tǒng)建設［1］。

1.2 我國新能源汽車發(fā)展計劃

我國工信部起草的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，到2015年，純電動汽車和PHEV的市場保有量要達到50萬輛以上。到2020年，新純電動汽車和PHEV市場保有量達到500萬輛。更樂觀的觀點認為未來10年內(nèi)，中國節(jié)能與新能源汽車規(guī)模總量要達到世界第一，未來中國新能源汽車面臨大規(guī)模發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識。屆時，有可能實現(xiàn)替代燃油580萬噸，減少CO2排量1 000萬噸。

汽車電動化是全球新能源汽車的發(fā)展趨勢，而無論采用何種新能源技術(shù)，電力驅(qū)動都是不可或缺的組成部分。電機作為主要的電驅(qū)動方式，其產(chǎn)品及制造技術(shù)的提升，在新能源汽車的發(fā)展過程中將發(fā)揮重要作用。

2 電機技術(shù)和驅(qū)動方式

對于傳統(tǒng)車輛來說，發(fā)動機和變速器是關(guān)鍵的動力系統(tǒng)，而在電動汽車中，電動機是主要的動力系統(tǒng)關(guān)鍵件［2］。

2.1 電機技術(shù)

與一般工業(yè)用電機不同，用于汽車的驅(qū)動電機應具有調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。目前電動汽車電機主要有3種形式，即異步電動機、永磁同步電動機和開關(guān)磁阻電動機。其中，永磁電機具有效率高 比功率較大 功率因數(shù)高 可靠性高和便于維護的優(yōu)點。特別是采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可使永磁電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，永磁電機是電動汽車尤其是轎車的主流技術(shù)［1］。

隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發(fā)展，永磁驅(qū)動電機將迎來一個更為快速發(fā)展的時期，其發(fā)展趨勢也將呈現(xiàn)以下特點:高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高可控性、高效率、高性能、高性價比等，以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求。未來我國電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展。

2.2 驅(qū)動方式

電動汽車的電機驅(qū)動方式主要分為集中電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動兩種。

集中電機驅(qū)動是以傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車為基礎(chǔ)，采用集中電機驅(qū)動系統(tǒng)代替內(nèi)燃機和變速器系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)連接，最大限度保留原車型的車身結(jié)構(gòu)和組件，僅對動力總成系統(tǒng)和相關(guān)部件進行替換。集中電機驅(qū)動是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車改造為純電動汽車的一種快速、適合小批量試制且較易控制成本的電動汽車開發(fā)解決方案。

輪轂電機驅(qū)動是將電機設計安裝在車輪的輪轂內(nèi)，輸出轉(zhuǎn)矩直接傳輸?shù)杰囕?，舍棄傳統(tǒng)的離合器、減速器、傳動橋等機械傳動部件，提高了車體空間的利用率。為了在有效的空間內(nèi)達到較好的性能指標和效率，輪轂電機都采用了永磁材料。

文中結(jié)合所在單位開展的新型輪轂電機驅(qū)動純電動汽車的開發(fā)和試驗工作，對輪轂電機在新能源汽車上的應用進行分析。

3 輪轂電機的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

2011年4 月，在上海車展上，廣汽集團展出了首款新能源乘用車純電動傳祺，該車采用世界領(lǐng)先水平的新型輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)和鋰電動力，每個輪轂電機有8個分電機和獨立控制系統(tǒng)，全部集成在輪轂內(nèi)，重量輕、扭矩大、結(jié)構(gòu)緊湊，兩個輪轂電機的最大功率為166 kW，最大扭矩1 650N·m。整車動力強勁，實現(xiàn)零排放，續(xù)駛里程長，并保持了傳祺寬敞的駕乘空間與行李箱容積。

本研究的重點為膠東半島地區(qū)耕地地力，而對于園地、林地等類型并未包含，在今后的研究工作中，可逐步擴大研究范圍，開展園林地的專項評價研究。依據(jù)研究結(jié)果結(jié)合當?shù)貙嶋H狀況，對膠東半島區(qū)域耕地資源利用保護提出以下建議：加強保護和監(jiān)管，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，加大農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設施建設力度，改良土壤的理化性質(zhì)，平衡施肥，選擇高品質(zhì)優(yōu)良種植品種發(fā)展多種經(jīng)營模式，提高經(jīng)濟效益。耕地地力受自然環(huán)境以及人類利用的影響尤為明顯。隨著時間的推移，耕地存在動態(tài)變化過程，因此，為及時掌握耕地地力變化，有必要建立起耕地地力的動態(tài)監(jiān)測體系，使評價結(jié)果更具現(xiàn)實性。

3.1 輪轂電機總體結(jié)構(gòu)

純電動汽車采用的輪轂電機技術(shù)，就是將動力、傳動和制動裝置都集成到輪轂內(nèi)，將電動車輛的機械部分大大簡化。輪轂電機的外觀如圖1所示。在車輛上，輪轂電機與懸掛系統(tǒng)相連，由定子、車輪軸承、微型逆變器、線圈和轉(zhuǎn)子等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)定子。升級為車輛的懸架橋殼。繞組、電力電子裝置以及散熱安裝在該金屬板上。

(2)車輪軸承。車輪軸承的背面連接至定子和懸架橋殼，正面連接至轉(zhuǎn)子和車輪。

(3)微型逆變器。微型逆變器模塊沿繞線銅線圈安裝與定子。

(4)線圈。線圈 (沿微型逆變器)直接安裝至散熱器。

(5)轉(zhuǎn)子。該組件安裝至車輪軸承及車輪，允許其旋轉(zhuǎn)。

車輛的輪緣穿過車輛軸承而非定子和轉(zhuǎn)子連接至懸架橋殼，以承載路面減震器及負荷。

3.2 分電機結(jié)構(gòu)

輪轂電機采用分電機結(jié)構(gòu)設計，每個輪轂電機由八組分電機組成，每組分電機帶獨立的逆變器，共享一個轉(zhuǎn)子，如果有一對電機組壞掉，其他電機組也能平衡地工作，如圖3所示。

3.3 輪轂電機的主要技術(shù)參數(shù)

輪轂電機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 輪轂電機主要技術(shù)參數(shù)

4 輪轂電機技術(shù)在新能源汽車中的應用

4.1 輪轂電機的布置

圖4為集中電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)布置比較圖。采用集中電機驅(qū)動方式的電動汽車，需要固定的電力電子裝置，變速器、傳動軸、差速器、車橋等，結(jié)構(gòu)布置復雜且昂貴，如圖4(a)所示。采用輪轂電機驅(qū)動方式的電動汽車，電機系統(tǒng)將電力電子裝置 電機控制器 與電機本體作為一個整體集成安裝在輪轂上，通過模塊化設計，集成化解決方案，省略了大量傳動部件，結(jié)構(gòu)更簡單，零部件更少，集成性價比更高。而且車輛可以獲得更好的空間利用率，傳動效率也高于其他形式的汽車，如圖4(b)所示。

4.2 輪轂電機驅(qū)動的特性分析

與集中電機驅(qū)動相比，輪轂電機驅(qū)動具備較大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為:

(1)采用輪轂電機驅(qū)動，動力傳動的硬件連接改為軟連接形式，省略了傳統(tǒng)汽車所需的離合器、變速器、機械操縱換擋裝置、傳動軸和機械差速器等，汽車結(jié)構(gòu)大為簡化，車輛空間利用率大大提高，整車總布置和車身造型設計的自由度大大增加。

(2)采用輪轂電機驅(qū)動，各電動輪的驅(qū)動力可以直接動力可控，其動力學控制更為方便和靈活，特別是兩側(cè)的驅(qū)動輪之間沒有剛性連接軸，不需要傳統(tǒng)汽車的機械差速器，在車輛轉(zhuǎn)彎時可通過分別調(diào)節(jié)兩側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)差速功能，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，對于特種車輛很有價值。

(3)容易實現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機電復合制動，各電動輪之間也容易實現(xiàn)靈活的協(xié)調(diào)配合，可減少傳動中的機械磨損和損耗，提高傳動效率。

(4)純電動、燃料電池、增程電動車等電力驅(qū)動的新能源汽車車型都可以采用輪轂電機驅(qū)動方式。另外制動能量回收(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)，功率密度比傳統(tǒng)解決方案優(yōu)越。

當然，輪轂電機驅(qū)動也存在著一些不盡人意的地方，如增大了避震彈簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，對密封有較高要求，同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱、防水等問題。另外，輪轂電機關(guān)鍵核心元器件 (如大功率集成模塊IGBT、IPM等)以及控制器全部需要從國外進口［2］，這對于我國電動汽車以后的技術(shù)擴展和產(chǎn)業(yè)化推廣將帶來一定的制約。

5 結(jié)論

在新能源汽車中，輪轂電機驅(qū)動是一種全新的驅(qū)動形式，與集中電機驅(qū)動方式相比，不需要復雜的機械傳動系統(tǒng)，控制更為靈活，布局更為自由，具備明顯的優(yōu)勢，已成為新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。隨著我國科學技術(shù)水平的不斷提高，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)在新能源車上的大規(guī)模應用前景廣闊。

【1】節(jié)能與新能源汽車年鑒［M］.北京:中國經(jīng)濟出版社，2011.

【2】康龍云.新能源汽車與電力電子技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.