纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展

0 引言

近年来，在方方面面的支持与关注下，新能源汽车尤其是纯电动汽车得到迅猛发展， 而电动汽车今后将会是人们重要的交通工具。轮毂电机作为电动汽车最核心的部件之一， 其最大的特点就是将驱动、传动和制动等装置整合到轮毂内，省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传统的传动部件。轮毂电机技术的发展将带来一场车辆驱动方式的变革。

1 轮毂电机系统的概念及特点

轮毂电机系统将电机、 传动和制动机构都整合到轮毂中，称为轮毂电机电动轮，也有人称其为轮式电机、车轮电机等，英文名称为“in-wheel motor”［1］。轮毂电机驱动系统通常由驱动电机、减速机构、减震系统、制动器与散热系统等组成，有的没有减速机构。由此轮毂电机驱动系统可分为减速驱动和直接驱动两大类， 结构分别如图 1 和图2 所示，两者的特点对比如表 1 所示。

2 轮毂电机系统在电动汽车上的应用进展

1900 年德国保时 捷公司就研 制出一款两 个前轮为轮毂电机的 Lohner Porsche 双座电动车［2］。汽车诞生至今一百多年来，发展速度惊人。汽车的发展经历了从内燃机、柴油机、混合动力汽车到目前处于大力研发阶段的纯电动汽车， 体现了社会的发展和人类智慧的伟大。随着社会的需要和现代科学技术的发展， 轮毂电机驱动电动汽车又一次成为研究的热点。

1968 年，美国通用电气公司在自己生产的矿用自卸车上用了一种轮毂电机。日本在轮毂电机电动汽车方面的研究起步比较早，早在 1991 年日本人在美国申请了有关电动汽车电动轮的专利，电动轮驱动系统被应用到电动汽车上。其他国家的汽车制造商从 20 世纪 90 年代开始对轮毂电机系统进行研究并应用在电动车上，如表 2 所示。

近几年，对轮毂电机驱动电动车的研发更加注重汽车的整体性能。2011 年，在广州车展上，奥迪e-tron 轮毂驱动式概念车首次在中国亮相 （图 3）。两个轮毂电机的总输出功率达到 150 kW、 总扭矩达到 2 650 N·m，该车百公里加速时间只需 5.9 s。并且只需 5.1 s，就可以从 60 km/h 加速到 120 km/h［3］。2013 年，Protean Electric 和 巴 博 斯 对 梅 赛 德斯-奔驰 E 级车进行混合动力技术改装。通过后轮驱动的 Protean Drive TM 轮毂电机系统提供充足的动力，车辆的加速性能有了很大的提升，具有百公里加速只需 7.4 s 的优越性能。

图 3 E-tron 轮毂驱动式概念车

Fig.3 E-tron wheel drive concept car

2016 年，劳斯莱斯首次推出了 号称“终极概念”的无人驾驶概念车 103ex（图 4）。这是一款无人驾驶概念车，该车不仅抛弃了传统的发动机，而且在轮毂中安装电机来驱动车轮， 使驾乘区域摆脱了侵入式传动系技术的限制。

图 4 无人驾驶概念车 103 ex

Fig.4 Unmanned concept car 103 ex

随着新能源汽车市场的推广， 电动车已逐渐涵盖了轿车、SUV 和公交巴士等车型。梅赛德斯-奔驰发布了“Urban eTruck”纯电动卡车，主要在人口密集的中心城区作业， 从而减少噪音及废气污染。目前，该纯电动卡车还处于概念车阶段，该车将搭载三组电池，两套轮毂电动机。

我国的轮毂电机技术起步较晚， 但随着国家电动汽车政策指引， 近年来各高级院校加大了在此技术上的研发投入， 各汽车厂商也试图通过外延并购的方式引入国外先进技术。目前国内对轮毂电机的研究和应用的企业很多， 如广州汽车集团和奇瑞汽车股份有限公司。

2010 年广州车展，广汽集团展出了基于阿尔法罗密欧 166 底盘打造的传祺纯电动汽车， 该车两个后轮采用轮毂电机驱动。2016 第 14 届中国（广州）国际汽车展览会，广汽集团展出了全球首发的 EnLight 智联电动概念车，是一款由广汽研究院自主研发的具有先导意义的概念跑车 （图 5）。它是轮毂电机四轮独立驱动， 拥有无人驾驶与手动驾驶双重操控模式， 兼备智能出行的舒适与跑车的激情。此概念车还具有智能互联移动终端特性，全方位打造人、车、生活的智能互联新体验。

图 5 EnLight 电动概念车

Fig.5 EnLight electric concept car

2011 年上海车展， 奇瑞汽车展示了瑞麒 XIEV 纯电动汽车，该电动汽车采用四轮轮毂电机驱动， 每个轮子的驱动力可以单独调节， 减轻了重量，节省了空间，保证了宽大舒适的乘坐空间。

我国高校是研究轮毂电机技术的主力军，同济大学汽车学院在 2002 年以后的 3 年里推出了采用轮毂电机驱动系统的电动汽车动力平台“春晖一号”和“春晖二号”，两个电动汽车都是采用低速直驱永磁直流无刷轮毂电动机和盘式制动器。

哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制开发了一款 EV96-1 型电动汽车，这款电动汽车采用的是外转子型轮毂电机驱动系统。在该电动轮内选用的是一种被称之为“多态电动机”的永磁式电动机，该电动机同时有同步电动机与异步电动机的双重特性，选用的是盘式制动器，采用风冷散热。

3 轮毂电机驱动系统的研究近态

2010 年，Mraz 等［4］撰写文章，深刻分析了轮毂电机的优缺点以及未来的前景，并提出了研究者们可以尝试减少簧下质量来改善操纵和转向性能。

近两年来， 国内外对轮毂电机系统技术的研究日益增多，如国内的吉林大学、同济大学、长安大学等高校近两年对轮毂电机系统的研究有很大的突破，如表 3 所示。

通过表 3 可知， 对轮毂电机驱动系统的研究还是要主要集中在减少非簧载质量方面， 更加注重实际应用，以得到轮内制动、悬架和传动等功能系统的综合最优匹配集成。并且要与传统车辆对比各种性能差异， 以得到轮毂电机驱动技术的电动轮优化数据和性能参数， 使得尽早实现轮毂电机技术的大规模应用。

4 轮毂电机系统研究的关键技术问题

目前， 轮毂电机设计已经达到比较成熟的地步。国际上比较著名的轮毂电机生产厂家主要有英国的 Protean Electric 公司、 加拿大的 TM4 公司和法国的 Michelin 公司，其中 Protean Electric 公司在轮毂电驱动系统的开发和产业化方面处于领先。

Protean Electric 研发生产了一体化集成的轮毂电机驱动系统 Protean Drive，该系统质量 34 kg左右，能够提供 75 kW 的最大功率和 995 N·m 最大扭矩的动力输出，同时，还可回收约 85%的制动动能，可在 18~24 inch 的轮圈上使用。该公司已与多家整车厂商合作研发了多款装置轮毂电机的样车和改装车型，其中包括广汽传祺 Trumpchi EV、沃尔沃等。

在轮毂电机系统的研究中一直有两个比较重要的问题：一是电机与车轮集成导致非簧载质量较大，隔离振动性能下降，影响行驶条件下的车辆平顺性和安全性；另外一个是由于轮毂空间有限，汽车在不良工况下行驶时容易出现冷却不足导致的电机过热烧毁问题，即电机的散热问题。

4.1 非簧载质量增大问题

对 于 集 成 造 成 的 非 簧 载 质 量 增 大 问 题，JohansenP R 等［11］提出了通过特殊平面电机设计，将电 机 的 定 子 质 量 转 化 到 簧 载 质 量 中 的 方 法 ；Liqiang Jin 等［12］提出了通过将弹簧和阻尼器用于电机而将电机附接在车轮中的方法， 并且证实了振动有所下降；Luo Yutao 等［13］提出了对于电机采用尺寸优化和拓扑优化的混合轻量化设计的方法，并且经过分析， 此方法适用于轮毂电机的轻量化设计；汪志强［14］提出了通过优化悬架刚度阻尼匹配的方法来协调车辆的平顺性和接地性， 并且可以通过改变车辆的其他参数来减少非簧载质量增加所带来的影响。

2012 年，罗玉涛等［15］设计了一款内置悬置集成式轮毂电机驱动电动轮，并且申请了专利。与现有的技术相比，该电动轮的结构紧凑、易于布置、功率密度大，并且车辆的动力性有明显的提高，同时有效地改善了电动轮驱动系统的动力学特性，对车辆的安全性能有所提升；2014 年，管西强等［16］申请了“带有电磁减振装置的轮毂电机驱动电动轮”的中国发明专利。该发明通过线圈电流调节电磁阻尼力实现减振的主动控制， 以解决轮毂电机驱动电动汽车的平顺性、 舒适性较差及轮毂电机工作环境恶劣的问题。

综上所述，根据现有的技术发展和研究，减少非簧载质量的方法有：（1） 非簧载质量引起的振动，可以通过轮毂中的减振系统减弱；（2）通过对轮毂电机的合理布置来减少非簧载质量；（3）在条件允许的情况下， 尽量选用直驱型轮毂电机驱动电动轮等。

4.2 散热和冷却问题

轮毂电机驱动电动车在大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足的现象。S. C. Kim 等［17］提 出，在轮毂电机的空气冷却结构中，壳体外表面设置一个冷却槽，以增加传热面积，并且在冷却槽的方向和空气流动的方向相同时， 冷却效果最好；Qiping Chen 等［18］计算并 分析了轮毂电机的热损失和温度场，为轮毂电机的优化提供了理论依据；梁培鑫等［19］通过对永磁轮毂电机中比较常用的轴向“Z”字型和周向螺旋型水路的散热能力做了比较，发现轴向“Z”字型水路散热能力较强，比较适合用在轮毂电机系统中。

2015 年，黄缙青等［20］申请了一个实用新型专利，公开了一种新型的汽车轮毂电机系统。该系统增加了轮毂电机转子和定子的散热效果， 即使轮毂电机系统处于大负载工作时， 仍能满足其散热需求；陈玉 等［21］申请了“一 种水冷式 轮 毂 电 机 结构”的中国发明专利，该轮毂电机的散热结构采用的是双螺旋循环水流道，该结构在同等体积下，可以增强电机散热的能力；2016 年，冯辉 恒等［22］发明了一种油冷轮毂电机，并申请了专利，该专利将冷却油通道完全环绕在电机的发热部件周围，不仅可以有效地降低温度， 同时还有一定的润滑作用，散热效果极佳。

综上所述， 轮毂电机的冷却方法主要有：（1）在电动轮的设计中留出必要的空间， 利用气体的循环流动来散热；（2）在轮毂电机结构的设计中可以设置一些流水通道， 利用液体的流动来进行散热；（3） 同样也可以设置一些散热油的流通管道，利用油液的流动来交换热量， 并且还能起到一定的润滑作用等。

轮毂电机系统在汽车领域中的应用尚处于研究和试验阶段，除了上述两大关键技术问题之外，还有其它一些尚待解决的问题：如轮毂内部空间毕竟是有限的，对电机功率密度性能要求高，设计难度比较大；轮毂电机系统集驱动、制动、承载等多种功能于一体，优化设计难度比较大；车轮内部水和污物等容易集存，导致电机的腐蚀破坏，影响其寿命可靠性；轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、 悬架以及转向系统的振动和噪声等等。

5 研究展望与总结

轮毂电机驱动技术将电动汽车推动进入了一个高速发展的时期。相应的，轮毂电驱动系统非簧载质量的增加和散热冷却问题一直是学者们研究的重点。

轮毂电机作为电动汽车驱动的核心部件，本身有很高的可靠性要求， 再加上电机是安装在轮毂里，距离地面比较近，如果长期工作在不良路况的振动和恶劣环境下，其可靠性就显得尤为重要。因此轮毂电机驱动系统的可靠性是要解决的关键问题之一。

由于轮子内部的空间有限， 各个机构的合理布置相对比较困难， 既要保证簧下质量轻量化和散热，又要保证不会引起相邻部件的振动，设计难度较大， 必然要进行轮毂电机电动轮内部的集成优化。

由于轮毂电机驱动的电动汽车与传统汽车相比取消了机械传动部分， 所以要用电子差速器对轮毂电机电动汽车进行差速控制。但是车速过快的情况下， 车辆会出现明显的方向失稳现象。此 外， 制动系统的研究一直是困扰国内外学者的一个难题， 需加大对轮毂电机的驱动与制动控制的研究［23］。并且要与传统汽车进行性能的仿真与对比， 从而得到轮毂电机电动轮的优化数据与性能参数。

轮毂电机直驱电动轮与集中驱动电机驱动方式不同，集中电机驱动电机在运转过程中，各个轮子通过机械传动系统连接，各轮的运动是一致的。但是轮毂电机直驱的电动汽车， 其各个电动轮之间的转速和扭矩是独立受控， 虽然提高了整车的灵活性，但其一致性就很难保证。所以要对轮毂电机与整车性能的匹配与耦合进行重点研究。

总之， 在熟悉了有关轮毂电机驱动系统的国内外的研究和应用现状及其关键技术问题之后，应该在下述几个着力点方面加强研究：（1）轮毂电机驱动系统即电动轮的结构设计与优化；（2）轮毂电机驱动系统与整车性能匹配与耦合控制；（3）轮毂电机、 减震和制动等功能机构在电动轮内的集成与优化；（4）轮毂电机直驱电动轮各项性能的仿真分析；（5）轮毂电机直驱系统即电动轮的综合性能试验台架研发等。

参考文献

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