轮毂式电动汽车驱动系统的研究与开发

1、设计研究轮毂式电动汽车驱动系统的研究与开发王玲珑，黄妙华（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉）摘要：介绍轮毂式电动汽车的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，并对其动力性能进行了仿真。仿真研究表明，轮毂式电动汽车各项性能指标均优于传统电动汽车。关键词：轮毂电机；差速控制；电动汽车中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：；轮毂式电动汽车发展现状轮毂式电动汽车是新兴的一种电动汽车驱动形源，采用个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车。该车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统，安装了个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度可以达到惊人的。的电动轮系统中

2、采用高转速的高性能内转子型电动机，其峰值功率可达，提高了轿车的极限加速能力，使其加速时间达到。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，的电动轮系统匹配行星齿轮减速机构。的前后轮没有采用相同的制动形式，而是前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。经典的结构与卓越的性能使其至今仍是电动轮驱动型电动汽车开发的典范。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也采用了电动轮驱动技术。美国通用汽车公司年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车同样也采用电动轮驱动形式，电动轮驱动系统灵活的控制与布置方式，使得该车能更好地实现线控技术。同济大学研制的“春晖”系列燃料电池概念车就采用了个直流无刷轮毂电机

3、独立驱动的电动轮模块。比亚迪于年在北京车展上展出的概念车也采用了电动汽车这种最新驱动方式：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，又称电式。它直接将电动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，大大简化了整车结构，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。因而电动轮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，主要应用在一些概念车上，上市销售的汽车还没有涉及该技术。日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毂电机电动汽车为理

4、想的研发目标，至今已试制了种不同形式的样车。年与东京电力公司共同开发的座电动汽车，采用电池为动力源，以个额定功率为、峰值功率达到的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速度可达。年，该小组联合日本国家环境研究所研制了采用电动轮驱动系统的后轮驱动电动汽车，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，峰值功率为，并匹配行星齿轮减速机构；该电动轮采用机械制动与电机再生制动相结合的方式，机械制动力矩由鼓式制动器提供。年，该小组又推出了以锂电池为动力修改稿收稿日期：作者简介：王玲珑（），男，武汉理工大学研究生，研究方向：汽车动力学；黄妙华（），女，武汉理工大学教授，研究方向：汽车动力学及仿真。汽

5、车电器年第期设计研究动车轮。单个电动车轮功率为，电压，双后轮直接驱动。中船总公司研究所的四轮电动汽车，其电动机性能指标为：额定功率，额定转速，额定电压为。轮毂式电动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种基本形式。直接驱动式电动汽车的电动轮与车轮组成一个完整部件总成，采用电子差速方式，电动机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点就是系统传动效率高，结构紧凑，既利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种电动轮多采用外转子电动机，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

6、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。由于电动机工作产生一定的冲击和振动，还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，电动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能适应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之间，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，因此可以采用普通的内转子高速电动机。减速

7、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。电动机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电动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，充分发挥驱动电动机的调速特性，克服了电动机输出转矩和功率受到车轮尺寸影响的问题。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，对电动机及系统内部的结构方案设计要求更高。图为轮边减速器型电动轮示意图。图轮边减速器型电动轮示意图轮毂式电动汽车转向差速控制轮边驱动系统没有传统的减速机构和机

8、械式差速器，因而在转向时需考虑对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。电子差速控制模型分析在车辆低速转弯时，通常采用图所示的模型来分析车辆的转向差速控制。该模型有如下几个假设条件：车体刚性；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；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。图低速行驶汽车转向模型；（）（）（）（）（）式中：转弯半径；汽车轴矩；两侧主销轴线与地面相交点之间的转向角；分别为内、外侧车轮轨迹圆的圆距离；、周长；、分别为内、外侧车轮的旋

9、转线速度，；后轮平均旋转线速度，；对应于轨迹一圈所需要的时间。根据该模型，提出的电子差速控制系统如图所示。该系统将车体速度和转角作为输入参数，通过经样车训练的基于神经网络的差速控制器确定每个驱动轮的目标速度，对每个驱动轮进行速度闭环控制。但该模型有很大的局限性，它是在汽车低速转弯这样一个假设的基础上建立的，没有考虑汽车转弯时的离心力以及转弯时汽车载荷的变化对汽车轮胎的影响，与实际情况误差较大。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汽车电器年第期专为个体设计的小小型、壁挂式蓄电池用水设备详见插广告设计研究图转矩控制框图电动机相电阻；转矩系数；电图基于神经网络的电子差速系统

10、结构框图动势系数；电流调节系数；电流反馈系数。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，）（，）（）（）基础上，以车轮的滑移率为控制目标，以驱动轮的转矩为控制变量，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的转速和转矩，使两驱动轮的滑移率最低，确保行驶安全性。转向时的离心力对载荷的影响，轮毂式电动汽车动力性能仿真在汽车转向时，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。如式（）（）目前没有专门针对轮毂式电动汽车的仿真软件，不过可以采用进行仿真。虽然没有电动轮

11、模型，但只要对参数作相应修改，仍可以对电动轮仿真。笔者对两款整车质量和电池组完全相同的电动汽车分别采用传统驱动系统和轮边电机驱动系统，来对比分析轮毂式电动汽车的动力性能。中仿真参数设置（表）表参数名称汽车质量（除去驱动系统）仿真车型参数参数名称滚动阻力系数质心高度轴距电动轮质量数值数值式中：汽车垂直载荷；质心到后汽车质量；重力加速度。轮的距离；转弯时离心力产生的侧翻力矩为离心力。转弯时后轮的载荷为又；（）式中：汽车质心到地面的高度；空气阻力系数（）（）迎风面积，本仿真采用纯电动汽车模型，但需将变速器和主减速器的质量设为零。若带有轮边减速器，需将模型中的速比改为轮边减速器的速比；若是轮边电机直接

12、驱动，则将速比改为，同时将轮边电机质量记为车轮质量。选择比较符合我国标准的驾驶循环。仿真界面见图。仿真结果分析对于采用传统驱动系统的电动汽车，其加速时间为，加速时间为，时的最大爬坡度为。对于采用轮边电机驱动系统的电动汽车，其加速时间为，加速时间为，时的最大爬坡度为。从上面的仿真结果可以看出，轮毂式电动汽车的加速性能、最大爬坡度、等效油耗等各项指标均好于传统电动汽车，因而开发高性能的轮毂式电动汽车具有非常重要的现实意义。汽车电器年第期式中：汽车速度；转向中心到前轴中点的距离。°的转弯状况，对轮距轴距的车体和代替，且误差小于。由此可得驱可以用动轮内外侧的载荷比（，）（）对驱动电机的转矩控

13、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，从图的控制框图得出输出特性如式（）所示。（）式中：电动机转矩；电动机内阻；能够延长蓄电池使用寿命的制水设备详见插广告设计研究图仿真结果分析，葛英辉，倪光正新的轮式驱动电动车电子差速控制算法的研究汽车工程，（）：葛英辉，倪光正新型电动车电子差速控制策略研究浙江大学学报（工学版），（）：宋佑川，金国栋电动轮的类型与特点城市公共交通，（）：葛英辉，等新的轮毂电机驱动电动车电子差速控制系统研究中小型电机，（）：宋佑川新一代电动汽车中电动轮设计方法的研究硕士学位论文武汉：华中科技大学，结论与传统电动汽车相比，轮毂式电动汽车的整车结构、传动效

14、率、动力性能、续驶里程等都具有非常明显的优势，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、制动时对电动机转矩与转速的控制是未来研究的重点和难点。参考文献：，：，（责任编辑文珍）$%!"$%汽车电器杂志社全体编审老师及工作刊中信箱人员：你们好！作为贵刊多年来的一位老读者、老作者，我怀着非常感激的心情，在传统的新春佳节到来之际，向你们致最美好的祝愿，祝愿你们健康、快乐！祝汽车电器杂志发行量与日俱增，蓬勃发展！你们没有忘记我这个汽车电器的“老”字号人物，我也时刻想念你们。期盼着能有像年月日汽车电器创刊周年那样的盛典重逢的日子！我的最大愿望就是和你们相聚在风景秀丽的岳麓山及著名的岳麓书院前有一张合影留念的照片！我相信在我的有生之年，我的这个愿望一定会实现！我也欢迎你们来德州作客！（山东德州王