洪 兢，譚 夢，張 雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 引言

當(dāng)今，發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)和低碳經(jīng)濟有利于社會的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)汽車工業(yè)逐步向電動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型勢在必行，純電驅(qū)動化是汽車的未來發(fā)展趨勢。作為電動汽車三大關(guān)鍵核心技術(shù)之一，驅(qū)動電機技術(shù)及其應(yīng)用水平的提升，將在電動汽車的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[1]。

相對于常見的中央布置式驅(qū)動電機，輪轂電機設(shè)計安裝在車輪的輪輞內(nèi)，輸出扭矩直接傳輸?shù)杰囕?，是一種全新的電動汽車驅(qū)動形式。與傳統(tǒng)電機相比，輪轂電機具有以下優(yōu)點[2]：

（1）輪轂電機安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動車輪，省略了傳統(tǒng)的變/減速器、差速器、傳動軸等機械傳動部件，提高了傳動效率，降低了機械噪聲；

（2）采用輪轂電機使得汽車整體結(jié)構(gòu)大為簡化，提高了車內(nèi)空間的利用率，在不影響乘員乘坐空間的情況下，釋放更多的空間用于布置動力電池，以增加電動汽車的續(xù)駛里程；

（3）安裝輪轂電機的各驅(qū)動輪的驅(qū)動力獨立可控，使得整車的動力學(xué)控制更為靈活，方便地實現(xiàn)底盤系統(tǒng)的電子化和智能化，如差速、防滑、電制動及輔助轉(zhuǎn)向等功能；

（4）安裝輪轂電機只需對懸架安裝部分稍作改動，而不需對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改，甚至不需改變原車的動力總成系統(tǒng)，即可方便地實現(xiàn)原車的電動化。

可見，輪轂電機的應(yīng)用改變了汽車傳統(tǒng)的驅(qū)動方式，具有不可替代的特點與優(yōu)勢，必將在電動汽車上得到廣泛應(yīng)用。

1 輪轂電機在電動汽車上的應(yīng)用研究

2010年12月廣州車展上，廣汽集團首次展出了輪轂電機驅(qū)動的純電動傳祺轎車。該車為后輪驅(qū)動，采用了世界領(lǐng)先水平的新型輪轂電機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、重量輕、扭矩大等特點。整車動力強勁，實現(xiàn)零排放，續(xù)駛里程長，并保持了傳祺轎車寬敞的駕乘空間與行李箱容積。2012 年6 月，筆者所在單位在原有展車的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，開展了第二代純電傳祺轎車的開發(fā)工作。

本文結(jié)合單位開展的采用新型輪轂電機的純電動轎車的開發(fā)和試驗工作，對輪轂電機在電動汽車上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1.1 輪轂電機的結(jié)構(gòu)

純電傳祺轎車所采用的輪轂電機的驅(qū)動方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動，電機定子、轉(zhuǎn)子以及逆變器集成為一體，由8 個邏輯上的子電機組成，使用共同的轉(zhuǎn)子，并通過算法實現(xiàn)各子電機的獨立、協(xié)同控制。這種“分布式”的結(jié)構(gòu)可降低對每個子電機的功率要求，因此可以采用小體積、低成本的功率電子器件，使得整個電機可以集成得非常緊湊；而通過對8 個子電機進(jìn)行合理的協(xié)同控制，可將各子電機輸出的功率、扭矩進(jìn)行疊加，實現(xiàn)整個電機強勁的驅(qū)動力；同時，若其中1 個子電機發(fā)生故障，其他的電機仍可以繼續(xù)正常工作，而不會導(dǎo)致汽車直接拋錨。

該輪轂電機的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由轉(zhuǎn)子、軸承、定子、功率與控制電子模塊以及密封背板等部分組成。

圖1 輪轂電機的結(jié)構(gòu)

（1）轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子內(nèi)圈鑲嵌有永磁體，共64極。

（2）軸承：軸承內(nèi)端與定子以及車輛懸架軸節(jié)連接，外端與轉(zhuǎn)子以及輪輞連接。軸承可直接采用與原車匹配的軸承，僅需對轉(zhuǎn)子及定子上與軸承配合的安裝孔的位置稍作修改即可，電機的主體結(jié)構(gòu)完全不變。這使得該輪轂電機可以方便地實現(xiàn)模塊化與通用化，降低生產(chǎn)成本。另一方面，由于采用了原車的軸承，懸掛軸節(jié)也幾乎不需做任何改動即可安裝，降低了汽車電動化的難度。

（3）定子：定子本體為環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，鑄造一次成型，線圈繞組安裝在定子本體的外圈；定子本體中空部分為電機的冷卻水道，為繞組以及功率電子模塊散熱。

（4）功率與控制電子模塊：此部分為整個輪轂電機的核心，負(fù)責(zé)各個子電機的逆變功能以及協(xié)同控制。得益于“分布式”子電機結(jié)構(gòu)，功率電子模塊可以做得非常緊湊，整個模塊封裝在一個環(huán)形盒中，安裝在定子本體內(nèi)側(cè)。

（5）密封后蓋：在外圈與轉(zhuǎn)子連接，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。后蓋內(nèi)圈裝有環(huán)形密封膠圈，防止外界的水和雜物進(jìn)入定子與轉(zhuǎn)子之間的縫隙。

該輪轂電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 輪轂電機的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 機械制動器的集成

輪轂電機安裝在驅(qū)動輪的輪轂內(nèi)，占據(jù)了原來布置機械制動卡鉗與制動盤的空間，導(dǎo)致無法沿用原有的機械制動器。若僅靠輪轂電機的電回饋制動，存在制動力不足、電池SOC 高時無法實現(xiàn)電回饋制動、制動可靠性較低等問題。汽車的制動能力是關(guān)系到人車安全的重要問題，因此必須在輪轂電機上集成比較成熟的機械制動器。

輪轂電機集成機械制動器的解決方案如圖2所示。與傳統(tǒng)制動器內(nèi)制動盤外卡鉗式的結(jié)構(gòu)不同，外轉(zhuǎn)子式輪轂電機中間的定子部分不隨車輪轉(zhuǎn)動，無法安裝傳統(tǒng)的制動盤，因此采用了內(nèi)卡鉗外環(huán)式制動盤的結(jié)構(gòu)。機械制動器主要由連接環(huán)、環(huán)形制動盤、制動卡鉗及支架等幾部分組成。環(huán)形制動盤通過連接環(huán)與電機轉(zhuǎn)子固定，連接環(huán)除了起連接作用外，還對環(huán)形制動盤起到隔熱的作用，避免所產(chǎn)生的制動熱量過多地影響電機本體。制動卡鉗分為行車制動卡鉗與駐車卡鉗兩個，通過支架固定在電機定子上，所用的制動油管和駐車?yán)鹘Y(jié)構(gòu)與原車完全一致，只需根據(jù)情況對長度稍作修改。

通過仿真及試驗，表明該制動器可提供達(dá)1 000 N·m的機械制動力矩，同時環(huán)形制動盤的溫升保持在合理的范圍內(nèi)。

圖2 輪轂電機集成機械制動

1.3 輪轂電機在車上的安裝

由于輪轂電機直接采用了原車所用的第三代輪轂軸承，因此輪轂電機可以與原車懸架軸節(jié)直接配合安裝而不需要對原車的懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動，只需將軸節(jié)上原來用于安裝傳統(tǒng)機械制動器的羊角通過機加工切除即可。軸節(jié)與輪轂電機的固定如圖3 所示，安裝完成的輪轂電機與原車懸架的關(guān)系如圖4所示。

圖3 軸節(jié)與輪轂電機的連接固定

1.4 純電動傳祺整車的開發(fā)

采用輪轂電機驅(qū)動的純電動傳祺轎車在廣汽自主品牌“傳祺”轎車平臺上進(jìn)行開發(fā)，拆除了發(fā)動機、變速箱、燃油箱、排氣管等傳統(tǒng)動力系統(tǒng)零部件，安裝了動力電池、輪轂電機、DC/DC、車載充電機以及小三電（電動空調(diào)、電動轉(zhuǎn)向、電動真空泵）等電動化零部件。整車動力系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系如圖5所示。

圖4 輪轂電機安裝完成的懸架狀態(tài)

圖5 整車動力系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D

得益于輪轂電機不需占用發(fā)動機艙的優(yōu)勢，純電傳祺在發(fā)動機艙布置了動力電池包，加上原車燃油箱位置的電池包以及后備箱電池包，三個電池包總能量達(dá)31 kWh，保證了單次充電的續(xù)航里程。三箱電池的布置情況如圖6所示。

圖6 三箱動力電池的布置情況

純電傳祺的整車主要參數(shù)如表2 所示?？梢钥闯?，裝載輪轂電機的純電傳祺轎車的動力性能十分優(yōu)越，0～100 km/h 的加速時間少于10 s；單次充電最大續(xù)駛里程超過200 km，優(yōu)于絕大多數(shù)同類電動車型，完全可以滿足日常用車的要求。

2 輪轂電機的應(yīng)用仍存在的問題

與傳統(tǒng)的中央布置式驅(qū)動電機相比，輪轂電機有其不可比擬的優(yōu)勢。然而，現(xiàn)階段輪轂電機在電動汽車上的應(yīng)用仍存在一些技術(shù)問題。

表2 純電傳祺轎車整車主要參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。輪轂電機具有結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高的優(yōu)點，但同時卻帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、維修難度大等問題，使用的維保成本較高。

（2）工作環(huán)境惡劣。輪轂電機安裝在汽車輪輞內(nèi)部，在汽車行駛過程中，將直接受到地面的振動沖擊，以及路面的泥水砂石的飛濺，工作環(huán)境十分惡劣，如何提高電機的抗沖擊能力以及密封性能，需要經(jīng)過長期的試驗驗證以及不斷的技術(shù)改進(jìn)。

（3）機械制動的集成。目前輪轂電機已有了機械制動的集成方案，但該方案并不成熟，所采用的環(huán)形制動盤制制動力臂大，摩擦片制動面積小，存在易變形、抖動大、發(fā)熱量大等問題，其制動能力及可靠性仍有待驗證。

（4）簧下質(zhì)量的增加。輪轂電機安裝在汽車輪轂內(nèi)部，導(dǎo)致了汽車簧下質(zhì)量的大幅增加，這將影響整車的平順性以及操穩(wěn)性，需要對汽車的懸掛系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行針對性的改動。

3 總結(jié)

與傳統(tǒng)電機相比，輪轂電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、性能優(yōu)異等優(yōu)點，在電動汽車上的應(yīng)用是一種全新驅(qū)動方式的應(yīng)用，使得整車性能更為優(yōu)異，空間更為充裕、布置更為自由、控制更為自由。但其應(yīng)用仍存在若干亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，若能取得突破，將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］韋萍.輪轂電機技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用分析［J］.汽車零部件，2012（6）：105-107.

［2］李周清.外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機的設(shè)計研究［J］.機電工程技術(shù)，2012，41（3）：1-6.