王迪 尚秉旭 陳志新 代向升 王洪峰 奇楊

（中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：輪轂電機 電動車 新能源汽車

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染形勢日漸惡化，新能源汽車已成為世界各國的重點研發(fā)領域。電動車作為最主要的新能源汽車類型，電驅(qū)動技術(shù)是其核心技術(shù)之一。輪轂電機的雛形早在20世紀50年代就被美國人羅伯特發(fā)明，他將電動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(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、電機等電動車相關(guān)技術(shù)的日漸成熟，產(chǎn)品級電動車已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)化，輪轂電機以其突出優(yōu)勢，得到國內(nèi)外整車及零部件廠商持續(xù)的關(guān)注和研發(fā)投入。本文對輪轂電機進行概述，說明其技術(shù)優(yōu)勢和難點，對當前主流輪轂電機產(chǎn)品及其驅(qū)動的電動車進行綜述，總結(jié)由輪轂電機引發(fā)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2 輪轂電機概述

2.1 輪轂電機的分類

輪轂電機將2個或多個電機集成于輪轂內(nèi)部，驅(qū)動形式可分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動[2]。

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

直接驅(qū)動型多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)直接驅(qū)動，無需減速機構(gòu)，可實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)輕量化，但裝備直接驅(qū)動輪轂電機的電動車在起步時，轉(zhuǎn)矩從零開始上升，導致加速性較差[3]。

兩種驅(qū)動形式的優(yōu)缺點如表1所示。

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

表1 不同類型輪轂電機優(yōu)缺點對比

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

2.2 輪轂電機和輪轂電機電動車優(yōu)勢

輪轂電機作為電動車動力源，本身具有一系列優(yōu)勢，包括：響應速度快、轉(zhuǎn)矩控制精度高、可提供驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩、可獨立進行轉(zhuǎn)矩控制、使用壽命長等[6]。

輪轂電機直接安裝于驅(qū)動輪內(nèi)，無需設計變速器、萬向傳動裝置、差速器等傳統(tǒng)傳動部件，將給電動車底盤設計與控制帶來巨大變革和優(yōu)化，包括：

（1）系統(tǒng)效率提高,輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)比集中式電機驅(qū)動效率高出10%以上；

（2）轉(zhuǎn)矩響應精度高、響應速度快，可實現(xiàn)分布式驅(qū)動輪獨立控制；

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

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

2.3 輪轂電機技術(shù)難點

雖然輪轂電機具備一系列優(yōu)勢，但同時也存在一系列技術(shù)難點需要攻克，才能早日實現(xiàn)產(chǎn)品化應用。

在輪轂電機系統(tǒng)設計方面，由于輪轂電機安裝于車輪內(nèi)，與發(fā)動機艙相比，環(huán)境惡劣，振動噪聲大，需解決以下難點：

（1）軸承與密封設計方面，保證輪轂電機可在高低溫沖擊環(huán)境、大負荷沖擊下正常工作；

（2）減震降噪設計方面，當前大多數(shù)輪轂電機與車身和輪轂剛性連接，無法過濾轉(zhuǎn)矩波動；

（3）輪轂電機高效、高轉(zhuǎn)矩設計方面，保證輪轂電機全轉(zhuǎn)速范圍的高效、高轉(zhuǎn)矩輸出[8]。

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

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

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

（3）需要設計特定制動系，滿足制動性能和空間布置要求[9]。

在整車集成控制技術(shù)上，輪轂電機電動車與傳統(tǒng)電動車的運動控制差異明顯，輪轂電機電動車可實現(xiàn)更先進的運動控制，基于分布式轉(zhuǎn)矩控制，在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配、驅(qū)動/制動防滑控制、車輛穩(wěn)定性控制等方面仍有大量可研究科學問題。

輪轂電機電動車相對于傳統(tǒng)汽車，自由度更多，會導致車輛高速行駛或路面濕滑時，出現(xiàn)失穩(wěn)（甩尾、側(cè)滑等）危險工況。因而對輪轂電機電動車的運動控制要求更加苛刻，需要深入研究轉(zhuǎn)矩矢量控制、電機TCS控制、電機ABS控制、電機ESC控制等[10]。

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

由于輪轂電機分布式布置，對整車功能安全和故障診斷要求提高，必須建立完善的電機故障診斷分析策略和容錯機制[12]。

輪轂電機使整車簧下質(zhì)量大幅增加，會導致整車操縱穩(wěn)定性和平順性變差，需要克服輪轂電機造成的負效應。這就需要研究高智能懸架，懸架系統(tǒng)實時感知路況，支持各輪懸架阻尼自適應獨立控制，實現(xiàn)高精度、優(yōu)化性能的車身側(cè)傾、俯仰及橫擺控制。

由于輪轂電機驅(qū)動控制會對懸架系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要研究輪轂電機分布式轉(zhuǎn)矩控制與懸架系統(tǒng)自適應控制的協(xié)同機制，從而優(yōu)化整車操穩(wěn)和平順性[13]。

3 輪轂電機研發(fā)現(xiàn)狀

由于輪轂電機應用于電動車的突出優(yōu)勢和巨大的市場潛力，國內(nèi)外已有眾多廠商開始著力進行輪轂電機的研發(fā)。

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

表2 國外主要輪轂電機產(chǎn)品情況[14]

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

圖1 Protean PD18輪轂電機[15]

目前，Protean PD18電機已經(jīng)啟動量產(chǎn)，并已經(jīng)搭載眾多車型進行實車測試，PD16已經(jīng)形成平臺樣機，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的代表企業(yè)，其研發(fā)的輪轂電機（如圖2所示）的減速器徑向尺寸小，更易于整車搭載，無需改制制動系，且減速器減速比大，可增大轉(zhuǎn)矩。但是這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸過大，在實車搭載上與減震器、車身縱梁干涉較大，對車身結(jié)構(gòu)的要求高[16]。

圖2 NTN同軸擺線減速器式輪轂電機[16]

舍弗勒公司重點研發(fā)同軸行星齒輪減速器式輪轂電機（如圖3所示），實現(xiàn)了電機與減速器的高度集中，大大減小了電機尺寸，但由于必須為其設計鼓式制動器，故此電機不適于安裝于前輪。其第二代產(chǎn)品電機尺寸為16英寸，并已經(jīng)在福特嘉年華E-Wheel Drive概念車上進行了搭載試驗。第四代產(chǎn)品針對A0級小型車研發(fā)，將電機集成于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[17]

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

圖4 偏軸式輪轂電機[18]

綜上所述，國外對輪轂電機技術(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)過多次研發(fā)集成試驗迭代，更接近量產(chǎn)化。為滿足輪轂電機小型化、輕量化的集成要求，偏軸式輪轂電機得到越來越多的關(guān)注和研發(fā)。

國內(nèi)研發(fā)輪轂電機的企業(yè)較少，比較有代表性的是浙江亞太，其輪轂電機產(chǎn)品如圖5所示。目前，浙江亞太也正在為輪轂電機設計開發(fā)專門的底盤模塊[19]。

4 輪轂電機電動車研發(fā)現(xiàn)狀

輪轂電機電動車由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢和市場潛力，早已成為國內(nèi)外各大整車OEM企業(yè)、科研機構(gòu)的重點研制對象。由于采用分布式驅(qū)動，圍繞輪轂電機的眾多技術(shù)可供研究，包括底盤結(jié)構(gòu)設計、懸架系統(tǒng)設計、底盤控制系統(tǒng)等。

圖5 浙江亞太輪轂電機產(chǎn)品[19]

英國Protean公司以其PD18電機為核心設計了360度角模塊，實現(xiàn)各個車輪獨立控制，支持車輪繞軸向和垂向的旋轉(zhuǎn)運動，并基于此定義了下一代城市交通工具的新型運動模式。其設計的輪轂電機電動小巴及其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)的輪轂電機搭載于其第2代電動車Q mo II中，可通過調(diào)節(jié)各個車輪角度實現(xiàn)車輛自轉(zhuǎn)和橫向移動，如圖7所示。

圖7 NTN第2代輪轂電機電動車及其運動示意[21]

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

圖8 浙江亞太輪轂電機電動車及其運動示意[22]

國內(nèi)各大OEM也對輪轂電機及其電動車技術(shù)開展研究。2004年，比亞迪推出四輪分布式驅(qū)動樣車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，百公里加速時間為8.5 s。

圖9 比亞迪ET輪轂電機四驅(qū)樣車[23]

一汽基于擺線式輪轂電機，研制了輪轂電機底盤系統(tǒng)，如圖10所示，實現(xiàn)四輪電驅(qū)動和四輪獨立控制，百公里加速時間低于6 s，搭載了解耦式制動系統(tǒng)以實現(xiàn)制動能量回收，并在此基礎上通過電機實現(xiàn)了ETCS電動牽引力控制，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 一汽輪轂電機底盤系統(tǒng)[24]

5 結(jié)論及啟示

隨著未來交通系統(tǒng)智慧化程度、運營效率要求越來越高，輪轂電機分布式驅(qū)動將得到長足發(fā)展，具有巨大市場空間，將輪轂電機及其電動車技術(shù)發(fā)展趨勢歸納如下：

（1）輪轂電機將成為電動車主要動力源。解決輪轂電機電動車的簧下質(zhì)量過大、冷卻散熱、電機壽命等問題，輪轂電機作為動力源的一系列優(yōu)勢必將使其成為電動汽車的首選動力源，同時對電動汽車底盤系統(tǒng)設計、底盤總布置設計將帶來顛覆性革新。

（2）輪轂電機技術(shù)會催生全新的底盤控制技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的輪邊差速控制，輪轂電機的使用將實現(xiàn)高精度的差扭控制，且動力源位于車輪，運動的自由度更復雜，可實現(xiàn)輪轂電機電動車原地自轉(zhuǎn)、繞軸公轉(zhuǎn)、橫向移動等新式運動，傳統(tǒng)的ABS、ESP、TCS控制算法也需要針對輪轂電機電動車進行優(yōu)化甚至重新設計。

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