【汽车与环境】上海大学罗建教授:轮毂电机与分布式驱动

盖世汽车综合 2017-12-9 23:45:40

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上海大学教授、国家“千人计划”特聘专家教授

罗建:大家下午好!纯电动汽车是关键问题,是从昨天到今天都在讨论的一个问题。续航里程是很关键的,纯电动汽车一般来说并不需要很长的电池在上面,只是需要一个方便性。这个方便性的解决未必是摆很多电池上去,你摆了几十个电池,你的能耗就上升了很多,比如说特斯拉,按现在的能耗其实比一般车辆的百公里能耗排放还多一点。我们并不再满足于主机厂提供你一个千人一面的东西,我们需要一个定制化的东西,没解决的是里程焦虑。怎么办呢?我们需要一个充电宝,这个充电宝装在车上,正常的使用可能用不到,但是有它没它是不一样的,首先要解决里程焦虑问题。

第二个问题是解决功率问题。你的空调,冬天加热,有一个充电宝上面是可以的。另外一个概念,我们充电宝并不需要提供整车的增程器,哪怕上汽荣威950,大概消耗的能量是30KW左右,但是发动机功率是150KW,我们让电驱动系统把所有峰值系统调节,有些观点跟段总讲的混合动力是一样的,我们强调的是纯电驱动,电机完成了所有驱动的工作,剩下的发动机都可以到能源系统。对燃料电池来讲,这个问题就不严重,说到底还是一个效率问题,我们一般的汽油发动机在高效区,大概是33%。如果我能够做出一个50%的发动机,一个单功耗,这个做到50%是可以的,这样下来,发电机的效率是97%,你整个系统的效率是44%。如果做得好一点,我的热效应是44%。电驱动系统大家都在用,宝马i3的电驱动操作系统,效率是一个特别要考虑的问题,我的整体效率提高到46%。

轮毂电机不是新鲜的概念,也跟电动汽车一样。后来因为燃油车的崛起,这个车没有发展起来。比较一下,集中驱动的底盘和独立驱动的底盘,首先是机械传动系统的问题,结构复杂的问题,传动系统造成效率损失,机械系统惯量大,控制响应迟缓,制造复杂,成本高。在北京,我看到了要做低地板的公交,是为了将来社会的老龄化。现在的轮毂轮面面积直径很大,其实它的空间并不节省。你完全可以加装去解决。轮毂电机的技术在世界上发展了很多年,从昨天到今天,包括国内的很多公司,我个人并不看好轮毂电机在今后几年之内能够很好发展,但是很多公司很多大学在这方面做很多的研究,过程还需要努力。

其实电机是一个电驱动系统,这是分布式驱动系统的优点,我就不一一念了。取消传动系统,整车质量大大减轻,去掉了机械传动部分,传动效率得到提高,占用空间很少了,整车布置设计非常灵活,但是面临很多问题:第一,轮毂电机这个总成包含驱动、制动、承载多种功能,我们现在是一个发电机,一个动力系统;第二个是空间非常有限,对电机的功率转矩密度有非常高的要求;再一个是影响了悬架隔振性能,电极抗振要求苛刻,冷却系统怎么解决,污染物怎么处理?这些问题都是轮毂电机要面临的问题。

解决方案其实两个技术路线。一个技术路线针对功率密度,转矩乘以转速,一个是提高转速,一个是提高转矩。轮子一定,车速一定,可以解决。通用做了轮毂电机可以用轮子的办法,排十对轮子来解决它所需要的载矩率。很多零供应商看到了机会,可以把手伸到动力系统里面去。弄了两个行星齿轮,把整个电机做得比较松比较高。减速箱是变速箱,可以变速的,把整个动力系统全部装在了一个轮子里面,但问题是,寿命不高。另外一条路把任务交到电机身上,增加转矩。这是国际上最主流的两个公司分别为中国不同的公司买了股份。他们在这方面做得不错,以直驱的方法,整个连接更加紧凑。轮毂电机怎么去做呢?我们看一下,就不介绍了。我们国内数据上,过分地重视电机的功率,要求电机比较轻,对于效率来讲也要提得高,这样就不能兼顾。这是宝马i3的效率图,第一高效区比较宽泛。效率增加一个点,你去推销产品的时候,可能让你去跑一下就出现问题了。为了解决功率密度问题要提高转矩密度。我们研究各种电机,首先是传统的径向磁场,然后是轴向磁场。从径向磁场电机的潜力来看,我们能想到的就是这几个,提高它的直气隙磁,就不细细讲了。轴向磁场电机是采用新颖结构提高转矩密度,同时你也看到它的问题,这个电机是要做到一起来的,机械结构上有很多困难。另外是横向磁场电机,横向电机的结构很复杂,目前除了在大型的风力发电机上用,其他的场合用它是很少的,它的体积太小了。传统的径向磁场电机仍然具有结构简单可靠的优点。我们要找到一个比较优化的方案,通过一种Halbach永磁体的结构,效率可以提高,再采用特殊的极槽配合,这样在电机方面就有很大的进步。

另外一个问题就是刹车的问题,其实电机系统是很可靠的,一般的大型的客车上面都是有涡轮刹车的。因为时间关系,就过了。剩下两个问题稍微强调一下,一个是电机驱动器与轮毂电机集成。另外一个是簧下质量问题。采取什么样的悬挂能够改善簧下质量的问题?另外一个问题,你既然轮子是在簧下,电线时间长了,是不是有问题?丰田提出一个无线充电,这也是技术上的一种探索。还有就是电机的控制,牵引力的控制系统。

从我的了解来看,轮毂电机主要有两个发展方向。一个是小型、低层、简单的,把动力系统拿掉,放到轮子上去。另外一个是因为轮毂电机的各个轮子可以独立操控,轮毂电机车的操控性更好,我们可以开发轮毂电机产品。所以是两头的概念,一个是低成本低速,一个是高性能的车。这是目前能看到的两个发展方向。

谢谢!

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