輪轂電機(jī)及其電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展綜述

王迪 尚秉旭 陳志新 代向升 王洪峰 奇楊

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：輪轂電機(jī) 電動(dòng)車 新能源汽車

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染形勢(shì)日漸惡化，新能源汽車已成為世界各國(guó)的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。電動(dòng)車作為最主要的新能源汽車類型，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是其核心技術(shù)之一。輪轂電機(jī)的雛形早在20世紀(jì)50年代就被美國(guó)人羅伯特發(fā)明，他將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)集成于一體置于輪轂中，此裝置于1968年被通用公司用于大型礦用自卸車上[1]。

隨著電池、電機(jī)等電動(dòng)車相關(guān)技術(shù)的日漸成熟，產(chǎn)品級(jí)電動(dòng)車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，輪轂電機(jī)以其突出優(yōu)勢(shì)，得到國(guó)內(nèi)外整車及零部件廠商持續(xù)的關(guān)注和研發(fā)投入。本文對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行概述，說(shuō)明其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前主流輪轂電機(jī)產(chǎn)品及其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車進(jìn)行綜述，總結(jié)由輪轂電機(jī)引發(fā)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2 輪轂電機(jī)概述

2.1 輪轂電機(jī)的分類

輪轂電機(jī)將2個(gè)或多個(gè)電機(jī)集成于輪轂內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)形式可分為減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)[2]。

減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)多采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減速驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，需要配置減速器降低輸出轉(zhuǎn)速并增加轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車輪的輸出需求。

直接驅(qū)動(dòng)型多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輕量化，但裝備直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)車在起步時(shí)，轉(zhuǎn)矩從零開始上升，導(dǎo)致加速性較差[3]。

兩種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

直流電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等均可用于研發(fā)輪轂電機(jī)。目前先進(jìn)輪轂電機(jī)多采用效率高、功率密度大、可靠性好的永磁同步電機(jī)[4]。

表1 不同類型輪轂電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

減速驅(qū)動(dòng)類型的輪轂電機(jī)按照減速機(jī)構(gòu)類型，又可分為同軸擺線減速器式輪轂電機(jī)、同軸行星齒輪減速器式輪轂電機(jī)和偏軸式輪轂電機(jī)[5]。

2.2 輪轂電機(jī)和輪轂電機(jī)電動(dòng)車優(yōu)勢(shì)

輪轂電機(jī)作為電動(dòng)車動(dòng)力源，本身具有一系列優(yōu)勢(shì)，包括：響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩控制精度高、可提供驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、可獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制、使用壽命長(zhǎng)等[6]。

輪轂電機(jī)直接安裝于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)，無(wú)需設(shè)計(jì)變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置、差速器等傳統(tǒng)傳動(dòng)部件，將給電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)與控制帶來(lái)巨大變革和優(yōu)化，包括：

（1）系統(tǒng)效率提高,輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率高出10%以上；

（2）轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精度高、響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立控制；

（3）底盤布置自由度高，整車輕量化程度大幅提高；是混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車的優(yōu)選動(dòng)力源；

（4）有利于實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的分布式驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制，更便于自動(dòng)駕駛上層控制策略的實(shí)現(xiàn)[7]。

2.3 輪轂電機(jī)技術(shù)難點(diǎn)

雖然輪轂電機(jī)具備一系列優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一系列技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，才能早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。

在輪轂電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，由于輪轂電機(jī)安裝于車輪內(nèi)，與發(fā)動(dòng)機(jī)艙相比，環(huán)境惡劣，振動(dòng)噪聲大，需解決以下難點(diǎn)：

（1）軸承與密封設(shè)計(jì)方面，保證輪轂電機(jī)可在高低溫沖擊環(huán)境、大負(fù)荷沖擊下正常工作；

（2）減震降噪設(shè)計(jì)方面，當(dāng)前大多數(shù)輪轂電機(jī)與車身和輪轂剛性連接，無(wú)法過(guò)濾轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；

（3）輪轂電機(jī)高效、高轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方面，保證輪轂電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍的高效、高轉(zhuǎn)矩輸出[8]。

在輪轂電機(jī)與底盤集成設(shè)計(jì)方面，由于車輪內(nèi)外空間有限，輪轂電機(jī)的布置需要滿足整車懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)性能要求，由于輪轂電機(jī)安裝位置的特殊性，可實(shí)現(xiàn)車輪橫擺、旋轉(zhuǎn)多自由度控制，更增加了集成設(shè)計(jì)難度，主要包括：

（1）為集成輪轂電機(jī)，底盤零部件需二次開發(fā)，且輪轂電機(jī)使非簧載質(zhì)量大幅增加，懸架設(shè)計(jì)難度加大。

（2）由于輪轂電機(jī)占用底盤空間較大，導(dǎo)致底盤各硬點(diǎn)?？臻g減小，底盤性能調(diào)校難度增大。

（3）需要設(shè)計(jì)特定制動(dòng)系，滿足制動(dòng)性能和空間布置要求[9]。

在整車集成控制技術(shù)上，輪轂電機(jī)電動(dòng)車與傳統(tǒng)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)控制差異明顯，輪轂電機(jī)電動(dòng)車可實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制，基于分布式轉(zhuǎn)矩控制，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配、驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)防滑控制、車輛穩(wěn)定性控制等方面仍有大量可研究科學(xué)問(wèn)題。

輪轂電機(jī)電動(dòng)車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，自由度更多，會(huì)導(dǎo)致車輛高速行駛或路面濕滑時(shí)，出現(xiàn)失穩(wěn)（甩尾、側(cè)滑等）危險(xiǎn)工況。因而對(duì)輪轂電機(jī)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)控制要求更加苛刻，需要深入研究轉(zhuǎn)矩矢量控制、電機(jī)TCS控制、電機(jī)ABS控制、電機(jī)ESC控制等[10]。

由于電機(jī)分布于各車輪位置，為整車的能量管理帶來(lái)諸多難題。需要建立適用于分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量分配模型，提出分布式電驅(qū)動(dòng)能量分配和制動(dòng)能量回收最優(yōu)化控制策略，研究分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輪間和軸間功率耦合回歸，分析電功率與機(jī)械功率的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，提出相應(yīng)的功率循環(huán)能量損耗控制策略[11]。

由于輪轂電機(jī)分布式布置，對(duì)整車功能安全和故障診斷要求提高，必須建立完善的電機(jī)故障診斷分析策略和容錯(cuò)機(jī)制[12]。

輪轂電機(jī)使整車簧下質(zhì)量大幅增加，會(huì)導(dǎo)致整車操縱穩(wěn)定性和平順性變差，需要克服輪轂電機(jī)造成的負(fù)效應(yīng)。這就需要研究高智能懸架，懸架系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知路況，支持各輪懸架阻尼自適應(yīng)獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)高精度、優(yōu)化性能的車身側(cè)傾、俯仰及橫擺控制。

由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制會(huì)對(duì)懸架系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要研究輪轂電機(jī)分布式轉(zhuǎn)矩控制與懸架系統(tǒng)自適應(yīng)控制的協(xié)同機(jī)制，從而優(yōu)化整車操穩(wěn)和平順性[13]。

3 輪轂電機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀

由于輪轂電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車的突出優(yōu)勢(shì)和巨大的市場(chǎng)潛力，國(guó)內(nèi)外已有眾多廠商開始著力進(jìn)行輪轂電機(jī)的研發(fā)。

在國(guó)外，舍弗勒、Protean、豐田等公司均研發(fā)出了輪轂電機(jī)樣機(jī)甚至產(chǎn)品，國(guó)外公司研發(fā)情況如表2所示[14]。

表2 國(guó)外主要輪轂電機(jī)產(chǎn)品情況[14]

其中，英國(guó)Protean公司是研制直驅(qū)式輪轂電機(jī)的代表。Protean輪轂電機(jī)內(nèi)部集成逆變器、控制器、制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)解剖圖如圖1所示[15]。

圖1 Protean PD18輪轂電機(jī)[15]

目前，Protean PD18電機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)量產(chǎn)，并已經(jīng)搭載眾多車型進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，PD16已經(jīng)形成平臺(tái)樣機(jī)，PD14已經(jīng)完成產(chǎn)品概念開發(fā)。

NTN公司是研發(fā)的同軸擺線減速器式輪轂電機(jī)的代表企業(yè)，其研發(fā)的輪轂電機(jī)（如圖2所示）的減速器徑向尺寸小，更易于整車搭載，無(wú)需改制制動(dòng)系，且減速器減速比大，可增大轉(zhuǎn)矩。但是這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸過(guò)大，在實(shí)車搭載上與減震器、車身縱梁干涉較大，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的要求高[16]。

圖2 NTN同軸擺線減速器式輪轂電機(jī)[16]

舍弗勒公司重點(diǎn)研發(fā)同軸行星齒輪減速器式輪轂電機(jī)（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與減速器的高度集中，大大減小了電機(jī)尺寸，但由于必須為其設(shè)計(jì)鼓式制動(dòng)器，故此電機(jī)不適于安裝于前輪。其第二代產(chǎn)品電機(jī)尺寸為16英寸，并已經(jīng)在福特嘉年華E-Wheel Drive概念車上進(jìn)行了搭載試驗(yàn)。第四代產(chǎn)品針對(duì)A0級(jí)小型車研發(fā)，將電機(jī)集成于14英寸輪輞內(nèi)[17]。

圖3 舍弗勒同軸行星齒輪減速器式輪轂電機(jī)[17]

豐田自20世紀(jì)90年代起，就開始研發(fā)輪轂電機(jī)，其代表產(chǎn)品為偏軸式輪轂電機(jī)，其輪轂電機(jī)研發(fā)大致分為3個(gè)階段，第1階段研發(fā)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式輪轂電機(jī)，第2階段研發(fā)行星齒輪式輪轂電機(jī)，第3階段研發(fā)偏軸式輪轂電機(jī)，如圖4所示。偏軸式輪轂電機(jī)通過(guò)平行軸齒輪使電機(jī)與減速器不同軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪內(nèi)空間的充分利用和懸架小改動(dòng)下的整車集成[18]。

圖4 偏軸式輪轂電機(jī)[18]

綜上所述，國(guó)外對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入較大，特別是豐田、NTN等日本企業(yè)，其產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多次研發(fā)集成試驗(yàn)迭代，更接近量產(chǎn)化。為滿足輪轂電機(jī)小型化、輕量化的集成要求，偏軸式輪轂電機(jī)得到越來(lái)越多的關(guān)注和研發(fā)。

國(guó)內(nèi)研發(fā)輪轂電機(jī)的企業(yè)較少，比較有代表性的是浙江亞太，其輪轂電機(jī)產(chǎn)品如圖5所示。目前，浙江亞太也正在為輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)專門的底盤模塊[19]。

4 輪轂電機(jī)電動(dòng)車研發(fā)現(xiàn)狀

輪轂電機(jī)電動(dòng)車由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)潛力，早已成為國(guó)內(nèi)外各大整車OEM企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研制對(duì)象。由于采用分布式驅(qū)動(dòng)，圍繞輪轂電機(jī)的眾多技術(shù)可供研究，包括底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、底盤控制系統(tǒng)等。

圖5 浙江亞太輪轂電機(jī)產(chǎn)品[19]

英國(guó)Protean公司以其PD18電機(jī)為核心設(shè)計(jì)了360度角模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)車輪獨(dú)立控制，支持車輪繞軸向和垂向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并基于此定義了下一代城市交通工具的新型運(yùn)動(dòng)模式。其設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)電動(dòng)小巴及其360度角度模塊如圖6所示。

圖6 Protean小巴及其360度角模塊[20]

NTN公司將其研發(fā)的輪轂電機(jī)搭載于其第2代電動(dòng)車Q mo II中，可通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)車輪角度實(shí)現(xiàn)車輛自轉(zhuǎn)和橫向移動(dòng)，如圖7所示。

圖7 NTN第2代輪轂電機(jī)電動(dòng)車及其運(yùn)動(dòng)示意[21]

浙江亞太境外參股子公司斯洛文尼亞依拉菲推進(jìn)技術(shù)有限公司,基于寶馬X6成功改制完成輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)樣車，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最具性能的輪內(nèi)動(dòng)力汽車，如圖8所示。該車搭載依拉菲L型輪轂電機(jī)，可提供超過(guò)6 000 N·m的直驅(qū)輪邊轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生超過(guò)440 kW的功率，百公里加速時(shí)間低于4.9 s。

圖8 浙江亞太輪轂電機(jī)電動(dòng)車及其運(yùn)動(dòng)示意[22]

國(guó)內(nèi)各大OEM也對(duì)輪轂電機(jī)及其電動(dòng)車技術(shù)開展研究。2004年，比亞迪推出四輪分布式驅(qū)動(dòng)樣車ET，如圖9所示。該樣車采用峰值功率25 kW、峰值轉(zhuǎn)矩440 N·m的輪轂電機(jī)，百公里加速時(shí)間為8.5 s。

圖9 比亞迪ET輪轂電機(jī)四驅(qū)樣車[23]

一汽基于擺線式輪轂電機(jī)，研制了輪轂電機(jī)底盤系統(tǒng)，如圖10所示，實(shí)現(xiàn)四輪電驅(qū)動(dòng)和四輪獨(dú)立控制，百公里加速時(shí)間低于6 s，搭載了解耦式制動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了ETCS電動(dòng)牽引力控制，優(yōu)化了車輪附著率以提高車輛加速、轉(zhuǎn)向、爬坡性能。

圖10 一汽輪轂電機(jī)底盤系統(tǒng)[24]

5 結(jié)論及啟示

隨著未來(lái)交通系統(tǒng)智慧化程度、運(yùn)營(yíng)效率要求越來(lái)越高，輪轂電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)將得到長(zhǎng)足發(fā)展，具有巨大市場(chǎng)空間，將輪轂電機(jī)及其電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)歸納如下：

（1）輪轂電機(jī)將成為電動(dòng)車主要?jiǎng)恿υ础＝鉀Q輪轂電機(jī)電動(dòng)車的簧下質(zhì)量過(guò)大、冷卻散熱、電機(jī)壽命等問(wèn)題，輪轂電機(jī)作為動(dòng)力源的一系列優(yōu)勢(shì)必將使其成為電動(dòng)汽車的首選動(dòng)力源，同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)、底盤總布置設(shè)計(jì)將帶來(lái)顛覆性革新。

（2）輪轂電機(jī)技術(shù)會(huì)催生全新的底盤控制技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪邊差速控制，輪轂電機(jī)的使用將實(shí)現(xiàn)高精度的差扭控制，且動(dòng)力源位于車輪，運(yùn)動(dòng)的自由度更復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)電動(dòng)車原地自轉(zhuǎn)、繞軸公轉(zhuǎn)、橫向移動(dòng)等新式運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的ABS、ESP、TCS控制算法也需要針對(duì)輪轂電機(jī)電動(dòng)車進(jìn)行優(yōu)化甚至重新設(shè)計(jì)。

（3）輪轂電機(jī)電動(dòng)車將成為自動(dòng)駕駛技術(shù)的測(cè)試及應(yīng)用平臺(tái)。傳統(tǒng)燃油車和集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，傳動(dòng)效率損耗大，大大增大了自動(dòng)駕駛控制決策算法的復(fù)雜度，而輪轂電機(jī)電動(dòng)車可實(shí)現(xiàn)輪邊直接驅(qū)動(dòng)，大大降低了執(zhí)行層控制難度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上層控制決策的高度執(zhí)行，是自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試應(yīng)用的首選車輛平臺(tái)[25]。