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[其他] 轮毂驱动,车轮上的争论

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发表于 2016-2-21 18:56:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
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在过去的10年中,轮毂电机已被追捧为未来汽车动力系统的选择。但是目前纯电动汽车崭露头角,而氢燃料电池汽车似乎正在经历重生,我们需要检验轮毂电机这一技术能否脱颖而出,占领市场。
        作为未来混合动力汽车和纯电动汽车的驱动系统之一,轮毂电机这项技术提供了太多的应用前景,大家对此毫无异议,但是真正在汽车行业引起争议的是轮毂电机将会对量产车市场带来多大的影响。
        目前已有很多厂商投入精力研发轮毂电机技术,比如TM4、舍弗勒、Protean Electric、西门子和米其林,此外还有一些日本的供应商,包括三菱和Sim-Drive等,他们在过去的10年中都在研发轮毂电机。加拿大的TM4甚至已经投入了超过20年的时间优化轮毂电机技术,他们在1991年就开始研发四轮轮毂电机和控制软件,2004年为标致Quark电动车提供了轮毂电机。
        几乎每个机构都在赞扬轮毂电机的优点,尤其是与内燃机相比,它的功率密度得到了大幅提升,环保高效,而且提供了多样化的组装选择。比如本田Air概念车(见图1),这辆车在洛杉矶车展亮相,备受关注,它展示了如何使用轮毂电机技术令车辆更具未来感。
       

轮毂驱动,车轮上的争论

轮毂驱动,车轮上的争论

        “永磁电动机可以安装在车辆的任何位置,并且如果设计得当,其效率可以达到97%甚至98%,而内燃机的效率仅有30%左右。”TM4的高级产品经理Christian Pronovost说,“现在市场上的中央驱动电动机产品,例如日产聆风(LEAF)使用的电动机,需要经过减速器、差速器,然后才能驱动车轮。当动力经过这些部件的时候,高达8%的能量会被损失掉。而轮毂电机直接安装在车轮上,没有传动系统的能量损失,车轮直接能够获得电动机98%的效率,因此,从效率上来说,没有比这更好的选择了。”
        量产装车依然艰难前行
        尽管这些信息听起来振奋人心,但是轮毂电机目前只装在了一些示范车和概念车上,而且只在一些特定的应用上得到了量产,例如电动自行车和电动公交车。随后,这项技术迟迟不能推向市场招来了越来越多的质疑,轮毂电机的可靠性、安全性和耐用性都遭到了怀疑,簧下质量的增加对车辆动力学特性的不利影响也备受关注。那么究竟是什么阻碍了这项技术进入市场?我们何时能见到能够量产的轮毂电机?
        里卡多混合动力和纯电动汽车系统工程咨询主管Dave Greenwood认为这些牵绊源于技术不够成熟。他说:“电动汽车的普及程度仍然相当低,而装配轮毂电机的电动汽车并不是最容易制造的。通常情况下,已经进入到市场的电动车公司更倾向于中央驱动电动机的方案,因为他们趋向于更低的成本和风险。轮毂电机面临的挑战很多,在车轮中安装电动机之后如何安装一套优良的制动系统?如何匹配一套优质的悬架系统?以及如何保证车辆具有良好的驾乘舒适性等,这都是需要解决的问题。”
        对于专门制造高性能汽车的汽车厂商,例如McLaren,高功率密度环境下缺乏测试数据以及高昂的成本意味着他们近期不会冒然在新产品中安装轮毂电机。“从轮毂电机能够为车身结构带来的改变来看,这项技术绝对是一项未来科技,然而对现在的McLaren来说还不太适合。”McLaren新车型项目总监Mark Vinnels说,“对于我们的产品,价格是一个重要因素,所以虽然从技术的角度来看轮毂电机适合我们的汽车,而我们也可能会推动一些部件的商业运作,但是目前总体的成本还比较高。此外,一些我们提到的技术问题,特别是关于轴承和电刷的耐用性,在轮毂电机成为我们研发项目的主体之前,我们需要更多的信心。”
        基于这些顾虑,人们现在广泛接受的观点是轮毂电机技术应用在电动车的衍生品上似乎会更加容易些,例如电动自行车或者电动公交车,因为这两种应用能够发挥更好的规模经济效应。电动自行车的轮毂电机技术含量低,功率低,安全隐患少,研发起来更符合成本效益。公交车的产量同轿车相比还是小得多,而且行驶在运营商规定的固定线路上。”
       

轮毂驱动,车轮上的争论

轮毂驱动,车轮上的争论

        信心的推动力
        Protean Electric似乎能够改变人们对轮毂电机的看法。在2013年上海车展上,该公司推出了最新的量产版轮毂电机驱动系统。该产品是奔驰公司Brabus轿车的混合动力系统的组成部分(见图2),安装在两个后轮的内部,与传统内燃机协同工作。每个轮毂电机能够提供74kW(101马力)的峰值功率和1000Nm的峰值转矩,与上一代车型相比,相当于增加了25%的总转矩。2008 Protean Electric 福特F-150电动皮卡车使用了4个轮毂电机(见图3),加起来能产生334kW(454马力)。Protean Electric称每个轮毂电机的质量为31kg,应用在混合动力汽车中能够比传统汽车提高30%的燃油经济性,当然这还与电池相关。该公司还称这套带有制动盘的动力系统(见图4)具有很强的制动能量回收的能力,在制动过程中,最多能够回收85%的动能。“我们现在已经处于概念验证阶段的尾声,即将进入设计验证阶段。”Protean Electric的战略联盟总监Andrew Whitehead透露,“我们已经进行了大量的试验,从零部件到子系统,从电动机单元到台架试验,我们还在Millbrook和Idiada的试验场做了整车测试,另外我们还针对不同的路面状况和负载状况进行了车辆的加速寿命试验。2013年年底,我们已经开始生产。”
        在轮毂电机的市场准备方面紧随Protean Electric的是舍弗勒,他们主推的是E-WheelDrive系统(见图5)。该系统现在还处于开发测试阶段,不过2013年已经在福特嘉年华概念车(见图6)上展示过。据说这辆概念车已经在Scandinavia经历了严格的冬季测试。这辆紧凑型车由后轮驱动,轮子里面不仅装入了轮毂电机,还装入了电力电子设备、电动机控制器、制动系统以及冷却系统。每个电动机能够输出82kW(111hp)的峰值功率和67kW(91hp)的持续功率以及700Nm的最大转矩。据舍弗勒电驱动部轮毂电机产品总监Raphael Fischer博士介绍,每个驱动轮的质量是53kg,它高度集成了很多部件,同时省去了复杂的线束,使得整车质量得以减轻。
        当然,要量化轮毂电机到底给整车带来的多少轻量化效果并不能一刀切,必须从整车的角度考虑。Lotus Engineering的混合动力和电驱动首席工程师Phil Barker说:“如果你在车上安装了轮毂电机,那将意味着车上必须有某种形式的储电系统,例如蓄电池,而蓄电池是相当沉重的,所以如果将传统的大约200kg的动力总成替换为一对每个才30kg的轮毂电机,你可能会说你成功地减轻了几十公斤的质量,但是如果把新加入的电池也算在内,重量可能不降反增。”
       

轮毂驱动,车轮上的争论

轮毂驱动,车轮上的争论

        关于重量问题
        里卡多的Dave Greenwood也同意这种观点:“电动机的重量不是问题,真正的问题在于蓄电池的重量。电动车面临的挑战是如何能够装入足够的电池,使得电动车的续驶里程让人满意。四个轮毂电机可能稍稍重于一个中央驱动电动机,但差别不是很大,而且在动辄几百公斤的车载电池面前,这些差异无关紧要。”
        簧下重量的增加是另外一个轮毂电机制造商亟待解决的问题。如果在车轮里面装上电动机,那么车轮的重量将会增加,这是毫无争议的,但是这么做的后果则众说纷纭。“如果车轮的质量增加过多,那么轮胎的上下跳动将会迟滞,不像原来那样贴合路面,因此会丧失一部分牵引力。”TM4的Christian Pronovost解释道,“在加速和转弯的时候也会失去一部分抓地力。如果在颠簸的路面上转弯,车辆就越倾向于向外侧滑动。总之它最主要的缺点就是无法很好地贴合地面。”
        针对簧下安装的动力系统的动态影响,Lotus Engineering、Protean Electric 和 Dunamos在2010年共同实施过一个为期6个月的测试,测试结果已经挑战了上述观点。他们首先评估了一台2007款1.6L福特福克斯的在弯道和颠簸路面的驾乘舒适性、操控性和动力性,然后在车辆前后增加了静态质量和转动质量用来模拟装入轮毂电机的情况,再做一遍相同的测试。测试的结果是确实存在一定的差别,但却很小,而且可以使用传统的底盘技术来弥补。
        “关于簧下质量的问题纯粹是一个误解。”Phil Barker说,“轮毂电机的确对车辆动力学有一些不利影响,但是如果你不是这方面的专家,根本感觉不到其中的差异。”
        事实上,Andrew Whitehead甚至将这辆簧下质量增加的福克斯比作“研发过程中的车辆”而不是“无法驾驶的车辆”或者“需要重新设计悬挂系统的车辆”。他认为从驾乘舒适性和操控性的角度考虑,使用轮毂电机可能会带来更多益处,例如可以引进转矩矢量控制等先进控制技术从而使得驾驶更为便捷舒适。
        福特在这个领域还对正在研发中的装有E-Wheel Drive的嘉年华概念车进行了测试。福特欧洲先进工程技术研究的项目经理Roger Graaf说:“测试明确显示,尽管测试车辆比同型内燃机动力车辆增加大了簧下质量,但是从舒适性和安全性的角度,测试车辆几乎保持了内燃机车辆相同的水准。”
        装不装机械制动?
        轮毂电机赋予了汽车能够独立控制每个车轮转矩的能力,有助于提升车辆的操纵性、动力学特性和主动安全性能。尽管如此,机械摩擦制动的缺席仍然在行业内笼罩了一片疑云。Flybrid Automotive的合伙人和创办董事Jon Hilton是轮毂电机技术的批评者。他认为:“我知道有厂商提供封装好的轮毂电机,但似乎没有机械摩擦制动,因此我都不知道这些厂商是怎么通过DFMEA测试的。制动系统本身是非常热的,而电动机里面的永磁体承受不了非常高的温度,180℃就会使这些永磁体失效,因此最好使用薄饼式的电动机,安装在靠近差速器的驱动轴的内侧,或者如果不使用差速器的话,可以背靠背安装两个薄饼式的电动机。”
        同样,Phil Barker认为,这项技术的支持者最终将在法规和技术基础上功亏一篑。“当前的法规不允许完全不安装机械制动的系统,而且法规相对于技术进步总是有一定的滞后。”他说,“改变现有的法规可能至少需要3年的时间。客户对于汽车的制动能力有心理预期,而制动能量回收的制动方式不能足够快地进行汽车的动能转化。一台普通汽车在160km/h的速度和1g的加速度下制动需要消耗1.8MJ的能量,由于制动过程中的重心转移,75%的能量都被前轮的制动系统吸收,所以有可能后桥不需要安装机械摩擦制动系统,但是根据现在的技术水平,前轮的机械制动还是必不可少的。”
        对环境的益处
        尽管存在这些缺点,但电动机技术的应用,包括轮毂电机等变型产品,对环境保护都有巨大的益处,不过这个话题其实也在讨论之中。运行在欧盟的电动汽车和混合动力汽车相对于传统内燃机汽车减少了大约20%~30%的CO2排放。但是电能的来源才能最终决定了电动汽车有多环保。“如果我们使用的电能能够实现零碳排放,那么电动汽车这种交通方式才真正是‘零’排放。” Dave Greenwood说。他强调加拿大90%以上的电力来源于环保的水力发电,但在英国,Phil Barker说“电动车的等效CO2排放量为每公里70~80g,因为电力是由不环保的方式生产的。在法国则少得多,因为他们国家的电力大部分来自核能,所以不能武断地说电动汽车比内燃机汽车排放量少,你得从宏观角度考虑。”
        轮毂电机技术似乎还有许多问题等待澄清,不仅仅向有可能使用它的汽车制造商,也要向研发该技术的供应商。可以确定的是,总有一天轮毂电机将会成为小型乘用车辆的合法动力系统,但这一天什么时候到来还是未知数。
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