不管是燃料電池還是什麼其他的方式,最終轉換為電力來驅動是未來汽車的發展方向。
可是,現在以特斯拉為代表的純電動汽車,都只是將引擎替換為電機,依然使用齒輪變速箱進行動力傳遞。
那為何不採用四個同步或步進電機直接驅動4個車輪?這樣直接省略掉齒輪箱和離合器。然後由車載電腦精確控制四個輪子的轉速和轉矩,比什麼適時四驅,雙離合什麼的不是強太多了?我們現在來看看。
「為何不採用四個同步或步進電機直接驅動4個車輪?」把複雜的問題拆開來看,這個問題中有直接驅動車輪,用4個電機驅動車輪,用同步或者步進電機驅動三個關鍵點,我們一個一個分析,就明白為什麼了。
直接用電機驅動車輪,請看:
二輪電動車
也就是說直接用電機驅動車輪早就普及了,現在大街小巷到處都是電動二輪車,用的就是電機直接驅動車輪的方式,這個叫做輪轂電機,電機就在下圖中輪子軸上,用的電機早期用直流有刷電機,因為需要維護,壽命不夠長,現在以永磁同步電機為主。
二輪車帶輪轂電機的車輪
既然已經引出了第三個部分,那麼就說到哪說哪吧,先說用同步電機或者步進電機的問題,步進電機轉矩脈動大,效率低基本不會用在車上,在車上以永磁同步電機為主,需要大扭矩的地方,比如四輪的電動汽車,用凸極永磁同步電機,磁鋼布置如下圖的為主流,這個最早是大家拆解豐田的車後學習來的,現在電動汽車主流的電機,特點就是可以提供比較大的峰值轉矩。因為有凸極效應。但是這種電機不好自動化生產,主要是定子繞線的自動化難度高。
凸極電機轉子衝片
所以在二輪車領域,選擇的是容易自動化生產的方式,比如繞線方式選用分布式繞組,磁鋼安裝選擇表貼式,因為反正也不需要太大的扭矩,就一個輪子,直接驅動。成本需求更明顯。
再回來看第二個問題,同時驅動四個輪子,輪轂電機工作的問題是當功率大,轉速高的時候,電機的散熱變得越來越難,同時轉速高的時候,震動對電機軸產生的微小形變對電機的壽命影響也將變得非常大。而高速大功率恰恰是4輪電動汽車不可或缺的兩個要求。如果把電機中置,通過一個差速器把速度降下來,轉矩提上去是很容易的,但是如果直接把電機放在輪子裡,要麼需要特別高的扭矩,電機卻長期工作在低轉速區間,要麼還需要在輪轂裡面加一級差速器,這兩個方向都是很難攻克的技術難題。
再看四個,當用4套動力系統控制車的時候,這時候對整車的控制策略要求就非常高了,因為車不是一直走直線,最基本的轉彎,倒車,剎車必須考慮協同差別控制,各種不同的路況,比如一個輪子在草地上,一個輪子在柏油路上呢?車傾斜的時候呢。當然這些問題都沒有上面那麼難,因為已經有一些廠家可以把這些控制的比較好了。我見過的控制得不好,車穩定性不好,容易翻車,控制的一般的,車吃輪胎很厲害,3000公裡,就得換輪胎。也有控制得非常好的。
當然這是一個很好的方向,現在已經有不少成果了,相信不久的將來會有輪轂電機驅動車四輪電動車面世,不過可能先出來的是兩個輪子帶驅動,兩個被動輪的,畢竟控制兩個比四個容易些,成本也低些。
下面是一個汽車輪轂電機的基本結構,當然最終面世的產品會比這個複雜的多。
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