楚博士，王奎洋

輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)研究現(xiàn)狀

楚博士，王奎洋*

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

輪轂電機(jī)作為未來電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景，輪轂電機(jī)與摩擦制動集成設(shè)計和協(xié)同控制為電動汽車制動系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章探討了電動汽車輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)研究的必要性，分析了國內(nèi)外輪轂電機(jī)技術(shù)以及輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀。同時，總結(jié)了輪轂電機(jī)技術(shù)在電動汽車上的一些具體應(yīng)用、輪轂電機(jī)與摩擦制動的集成設(shè)計結(jié)構(gòu)、輪轂電機(jī)與摩擦制動的協(xié)同控制策略，提出了輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)所存在的一些問題及其發(fā)展趨勢。

輪轂電機(jī)；摩擦制動；復(fù)合制動；集成技術(shù)；協(xié)調(diào)控制

分布式驅(qū)動電動汽車擁有更高的驅(qū)動效率與制動能量回收潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)將動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)等集成于輪轂內(nèi)側(cè)，具有簡化整車結(jié)構(gòu)、減少機(jī)械損失、提高工作效率以及便于復(fù)雜控制等優(yōu)點[1]。分布式驅(qū)動電動汽車相比于集中驅(qū)動式電動汽車、輪邊電機(jī)式電動汽車更具優(yōu)勢，其應(yīng)用給整個電動汽車底盤技術(shù)帶來了革命性的變化，屬于電動汽車的終極解決方案之一。

目前，摩擦制動仍是汽車制動的主要形式，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動式電動汽車存在著簧載質(zhì)量增加影響行駛平順性能、輪轂內(nèi)溫度上升影響電機(jī)工作效能以及電機(jī)再生制動與機(jī)械摩擦制動互為干涉等問題，這些問題直接制約著輪轂電機(jī)直接驅(qū)動式電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[2]。摩擦制動以制動效能、制動穩(wěn)定性為評價指標(biāo)，而輪轂電機(jī)制動則以制動能量回收率、電機(jī)工作效率為目標(biāo)，在制動過程中輪轂電機(jī)與摩擦制動作為一個復(fù)雜的整體，在一定程度上存在著相互影響和制約。因此，有必要對電動汽車輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)和協(xié)同控制開展研究，以期達(dá)到減小輪轂電機(jī)直接驅(qū)動式電動汽車的簧載質(zhì)量、降低輪轂內(nèi)溫升、提高行駛平順性、增加續(xù)駛里程以及實現(xiàn)輪轂電機(jī)制動與機(jī)械摩擦制動協(xié)同工作，充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)點的目的。如何實現(xiàn)輪轂電機(jī)與摩擦制動的集成設(shè)計和協(xié)同工作，探究現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處并加以完善是相關(guān)領(lǐng)域科研人員的重要研究方向。

1 輪轂電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)展相對較早，美國、日本、歐洲等汽車發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，輪轂電機(jī)技術(shù)具有較為成熟的研究基礎(chǔ)，輪轂電機(jī)成功取代發(fā)動機(jī)的功能應(yīng)用于電動汽車上，其制動及能量再生效果符合預(yù)期[3]。

德國舍費勒公司在機(jī)電一體化、動力總成及系統(tǒng)集成方面有著豐富經(jīng)驗，在多年前便開展輪轂電機(jī)技術(shù)研發(fā)并取得了一定成果，從電機(jī)直驅(qū)技術(shù)到模塊化產(chǎn)品，可滿足不同客戶的需求[4]。舍費勒公司的輪轂電機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)在多款概念車上成功實車測試并已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

英國Protean Electrics公司的輪轂電機(jī)在功率和轉(zhuǎn)矩密度方面擁有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，其生產(chǎn)的輪轂電機(jī)已經(jīng)解決多個技術(shù)難題[5]。該輪轂電機(jī)與輪輞連接安裝方便，動力性能提升明顯，內(nèi)部采用了多個子電機(jī)增加工作可靠性，與其合作的汽車改裝廠商使用該輪轂電機(jī)產(chǎn)品在汽車的驅(qū)動性能方面具有不錯的表現(xiàn)。

英國Saietta公司是著名電機(jī)設(shè)計和制造商，在輪轂電機(jī)方面取得了一系列創(chuàng)新技術(shù)。該公司采用的軸向磁通技術(shù)相比于徑向磁通電機(jī)可以節(jié)省更多的空間。軸向磁通電機(jī)在材料、尺寸、質(zhì)量等方面相比于徑向磁通電機(jī)使用更少、更小、更輕，同時可以提供更強的輸出功率。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在輪轂電機(jī)研發(fā)方面起步相對較晚，在電機(jī)設(shè)計、制造工藝、系統(tǒng)控制及技術(shù)創(chuàng)新等方面與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在較大差距。近些年，我國輪轂電機(jī)技術(shù)在研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面不斷補齊短板，提升輪轂電機(jī)整體技術(shù)水平，縮短了與國外的差距[6]。

亞太依拉菲公司通過投資控股方式實現(xiàn)與依拉菲合作而成立[7]。在獲得依拉菲技術(shù)支持之后，亞太依拉菲在國內(nèi)輪轂電機(jī)行業(yè)處于領(lǐng)先地位并積極推動輪轂電機(jī)技術(shù)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用。亞太依拉菲通過對傳統(tǒng)燃油車的改裝推出新款輪轂電機(jī)電動汽車。

東風(fēng)汽車公司在輪轂電機(jī)總成集成技術(shù)以及輪轂電機(jī)電、磁、熱等多領(lǐng)域均有研究和突破。東風(fēng)汽車商用車輪轂電機(jī)，其傳動效率比高達(dá)96%，在成本降低、質(zhì)量減輕、峰值扭矩等方面均比國外同類產(chǎn)品有所提高。

趙成提出了一種新型輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。該輪轂電機(jī)在滿足電動汽車驅(qū)動時所需高轉(zhuǎn)矩密度、強散熱性能的基礎(chǔ)上，通過指標(biāo)參數(shù)確定總體設(shè)計方案，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、模擬仿真及臺架試驗，所得試驗結(jié)果符合研究預(yù)期[8]。

圖1 一種新型輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

此外，上汽、廣汽、奇瑞、比亞迪、宇通等國內(nèi)眾多企業(yè)也對輪轂電機(jī)技術(shù)開展了廣泛而深入的研究。

綜上所述，國外輪轂電機(jī)技術(shù)起步較早，在設(shè)計、制造等很多方面處于領(lǐng)先地位。近年來，隨著我國新能源汽車行業(yè)的發(fā)展以及國家政策的支持，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和高校在輪轂電機(jī)技術(shù)上有所突破，水平也在不斷提升。

2 輪轂電機(jī)與摩擦制動集成結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

LE SOLLIEC G等提出了在傳統(tǒng)車輛后輪使用輪轂電機(jī)，前橋依然采用熱動力總成的方案[9]。該方案可以滿足減少廢氣排放的需求，輪轂電機(jī)控制的后輪可以單獨控制轉(zhuǎn)矩，具有快速響應(yīng)的優(yōu)點。同時，該方案通過協(xié)調(diào)輪轂電機(jī)與液壓制動系統(tǒng)，提高了車輛的制動安全性。

沃爾沃汽車公司在探索如何實現(xiàn)低成本、緊湊型新能源電動汽車方面取得很多研究進(jìn)展，同時致力于輪轂電機(jī)研究，并考慮如何實現(xiàn)再生制動與摩擦制動的集成[10]。其通過采用線控摩擦制動與輪轂電機(jī)再生制動集成方式實現(xiàn)了復(fù)合制動結(jié)構(gòu)。該集成結(jié)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)，改善了汽車舒適性、制動安全性，降低了輪胎磨損。

圖2 TM4公司輪轂電機(jī)電動輪

加拿大TM4公司提出了一種輪轂電機(jī)電動輪結(jié)構(gòu)，如圖2所示[11]。該輪轂電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子形式，外轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞連接，摩擦制動采用鼓式制動器結(jié)構(gòu)，制動蹄片與外轉(zhuǎn)子集成在一起，從而將輪轂電機(jī)、輪輞及摩擦制動器集成為一個整體，集成后的電動輪具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量減輕、機(jī)動性強、響應(yīng)快速等特點。

MATSUGAURA S等基于一款后輪驅(qū)動式電動汽車，提出了一種驅(qū)動輪內(nèi)輪轂電機(jī)與摩擦制動器集成設(shè)計方案[12]。輪轂電機(jī)為永磁無刷直流電機(jī)，摩擦制動采用鼓式摩擦制動器，并對輪轂電機(jī)再生制動和摩擦制動的復(fù)合制動方式進(jìn)行了研究，在保證制動效能的前提下，提高了電動汽車的續(xù)航里程。

GRANDONE M等針對一款混合動力電動汽車，通過將輪轂電機(jī)安裝于后輪輪轂內(nèi)改裝成輪轂電機(jī)電動輪，添加了光伏板和鋰離子電池，前輪仍采用摩擦制動方式，實現(xiàn)輕度并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)[13]。該結(jié)構(gòu)將輪轂電機(jī)與電池管理控制器集成到一起，與摩擦制動協(xié)調(diào)工作，提高了能量利用效率，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

王強等提出了一種新型的集成式輪轂電機(jī)設(shè)計方案，如圖3所示[14]。其與傳統(tǒng)的電機(jī)與輪輞集成結(jié)構(gòu)相比，該方案將輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子外殼和摩擦制動盤集成于一體，輪轂電機(jī)的定子通過阻尼組件與車軸相連接，簡化了輪轂電機(jī)與摩擦制動結(jié)構(gòu)，克服了簧載質(zhì)量過大而引起的垂直振動負(fù)面影響。

1—輪胎；2—輪轂；3—定子；4—制動盤；5—阻尼組件；6—控制單元；7—轉(zhuǎn)子。

陳齊平等提出了一種外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)電動汽車驅(qū)動制動一體化裝置[15]。外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)制動時，利用電磁原理和機(jī)械摩擦結(jié)合的方式實現(xiàn)。當(dāng)對車輛實施制動時，輪轂電機(jī)制動產(chǎn)生電磁力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動力，使得車輛減速或停車。集成結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更為簡單，能耗損失減少，提高了能源利用率。

張瑞軍基于摩擦制動和電磁制動的集成思想，提出了一種內(nèi)置于輪轂電機(jī)的電磁與摩擦復(fù)合制動結(jié)構(gòu)方案，如圖4所示[16]。該結(jié)構(gòu)采用三相永磁同步電機(jī)為輪轂電機(jī)，其內(nèi)部包含冷卻系統(tǒng)、摩擦制動、電磁制動等裝置，實現(xiàn)了輪轂電機(jī)、電磁制動與摩擦制動三者的集成設(shè)計，可以發(fā)揮三種制動方式的各自優(yōu)點。

圖4 三種制動形式集成設(shè)計方案

ZHANG L等基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與行星齒輪、離合器的結(jié)構(gòu)匹配，提出了一種雙轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)，如圖5所示[17]。該輪轂電機(jī)可以實現(xiàn)多種驅(qū)動及制動工況，解決了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)雙輸出口不能直接用作輪轂電機(jī)的問題，實現(xiàn)了電機(jī)再生制動和液壓摩擦制動的協(xié)調(diào)控制和防抱死制動功能。

圖5 雙轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)與液壓制動集成模型

注：電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）；電機(jī)（Motor,M）。

雷雨龍等提出了一種具有雙電機(jī)的輪轂驅(qū)動與制動集成系統(tǒng)及其控制方法[18]。該系統(tǒng)采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動車輪，相比于傳統(tǒng)中央驅(qū)動，傳遞效率高。集成系統(tǒng)可以進(jìn)行電機(jī)制動和液壓復(fù)合制動，根據(jù)車輪制動力需求切換不同的制動模式。同時，雙電機(jī)模式可以降低單個電機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，提高制動效率。

綜上所述，國外多家輪轂電機(jī)企業(yè)已經(jīng)可以量產(chǎn)輪轂電機(jī)與摩擦制動集成的電動輪，模塊化的產(chǎn)品可以滿足不同客戶需求。同時，國外高校也在不斷探索如何實現(xiàn)輪轂電機(jī)與摩擦制動的集成設(shè)計方案，并在此過程中取得不錯的試驗結(jié)果。而國內(nèi)的研究主要集中在高校，且目前更多存在于理論研究方面。

3 輪轂電機(jī)與摩擦制動協(xié)同控制策略研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

GODFREY A J等依據(jù)停車時間和再生能量，提出了一種基于制動踏板特性的制動策略[19]。該策略采用無刷直流電機(jī)作為輪轂電機(jī)，針對多種性能指標(biāo)、運行條件，結(jié)合單開關(guān)、雙開關(guān)、三開關(guān)拓?fù)涞确椒▽崿F(xiàn)制動策略。利用制動踏板踩踏度的回饋切換驗證了所提策略的可行性和優(yōu)越性。

GRANDONE M等[13]針對混合動力電動汽車，后輪采用輪轂電機(jī)電動輪，提出了一種能夠在機(jī)械摩擦制動和電機(jī)再生制動之間進(jìn)行最佳權(quán)衡的再生制動控制策略。該策略考慮了前后軸制動力分配策略及車輪滑移率，通過實時控制模型研究制動策略的可行性，從而最大限度提升再生制動的作用。

VIGNATI M等提出了一種分布式電動機(jī)的控制策略，如圖6所示[20]。在保證制動安全的情況下，通過控制器實現(xiàn)輪轂電機(jī)和液壓制動之間的協(xié)同制動，利用液壓制動彌補電機(jī)制動力不足的問題，綜合考慮了駕駛員所要求的制動力矩、所需的橫擺力矩、電機(jī)效率以及車輪法向載荷對轉(zhuǎn)矩分配的影響等多種因素，相對于常規(guī)分配策略，再生制動力可達(dá)到最大值。

圖6 分布式四輪轂電機(jī)控制策略

注：動力電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）。

AKSJONOV A等為了提高電動汽車在制動操作過程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性，提出了一種再生防抱死制動模糊控制方法[21]。該方法利用縱向減速來估計路面附著系數(shù)，產(chǎn)生適當(dāng)制動力矩，以保持最優(yōu)滑移率，實現(xiàn)電機(jī)最大再生制動能量。機(jī)械摩擦制動只在輪轂電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩不足時參與工作。在干路面、濕路面和結(jié)冰路面等不同路面上進(jìn)行模擬試驗，驗證所提方法的有效性。

GONZáLEZ HERNáNDEZ M I等基于輪轂電機(jī)再生制動與摩擦制動協(xié)調(diào)共存，達(dá)到高效電機(jī)制動的目的，研究了最大再生制動功率策略、最優(yōu)制動力分配策略、雙線再生摩擦制動策略等三種協(xié)調(diào)控制策略[22]。以四輪轂電機(jī)電動汽車為研究對象，對制動力進(jìn)行計算分析，研究不同制動策略下的再生功率，以滿足車軸之間再生制動與摩擦制動的最優(yōu)制動力分布，同時實現(xiàn)最大比例的制動能量回收。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

PEI X等提出了一種分布式電動汽車電機(jī)再生制動與機(jī)械摩擦制動的協(xié)調(diào)控制策略[23]。為了實現(xiàn)再生制動和液壓制動穩(wěn)定性及協(xié)調(diào)性的最佳目標(biāo)，其結(jié)合遺傳算法和制動意圖對所提策略進(jìn)行試驗分析，驗證了該控制策略的有效性和可行性。

燕玉林等基于某車型機(jī)電聯(lián)合制動系統(tǒng)，考慮多輪轂電機(jī)驅(qū)動車輪的能量利用率、制動力分配及制動能量回收效率等因素，提出了一種可有效分配制動力矩，提高制動效能并回收能量的模糊控制策略，如圖7所示[24]。

圖7 機(jī)電聯(lián)合制動模糊控制策略

XU W等提出了一種四輪轂電機(jī)電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩分配策略[25]。該策略通過協(xié)調(diào)輪轂電機(jī)再生制動和液壓摩擦制動，考慮安全性和再生效率來解決多重目標(biāo)約束等問題，優(yōu)化前后輪的制動轉(zhuǎn)矩，在保證四個車輪總制動轉(zhuǎn)矩滿足制動要求的前提下，最大限度地提高再生制動效率。

劉晉霞等提出了一種基于輪轂電機(jī)與模糊邏輯的再生制動控制策略，如圖8所示[26]。其中，max為最大制動力；F為整車總制動力與電機(jī)提供的最大制動力之差；為電機(jī)制動力與整車總制動力之比。該策略考慮了輪轂電機(jī)、電池SOC、制動強度對再生制動系統(tǒng)的影響以及理想制動力曲線、歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（Economic Commission for Europe, ECE）制動法規(guī)的約束，實現(xiàn)了輪轂電機(jī)制動力和摩擦制動器制動力的合理分配。

圖8 基于模糊邏輯的再生制動控制策略

顧鈺等根據(jù)輪轂電機(jī)在制動過程中的制動控制效果，基于輪轂電機(jī)再生制動，提出一種適用于再生制動與液壓摩擦制動的協(xié)調(diào)控制策略[27]。所提策略充分考慮了制動意圖、路面條件及典型工況等情況，利用電機(jī)制動精度高、響應(yīng)快等優(yōu)勢，以保證輪轂電機(jī)制動效果。

綜上所述，國外對輪轂電機(jī)與摩擦制動協(xié)同控制策略的研究相對較少，主要集中在制動力分配和制動能量回收效率等方面。國內(nèi)的研究則相對較多，主要是在國外研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和精度。

4 輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)發(fā)展展望

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對輪轂電機(jī)技術(shù)的研究，推動了分布式驅(qū)動電動汽車的發(fā)展，輪轂電機(jī)與摩擦制動從單一形式朝著高度集成化、一體化、輕量化的方向發(fā)展。目前，對輪轂電機(jī)與摩擦制動的集成方面研究還相對較少，如何協(xié)調(diào)兩者共存并發(fā)揮各自的最大優(yōu)勢，還有很多問題亟待解決。

輪轂電機(jī)與摩擦制動集成技術(shù)的發(fā)展趨勢及需要解決的問題可總結(jié)為以下幾個方面：

（1）輪轂電機(jī)電動汽車具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于智能控制等優(yōu)點。因此，如何讓輪轂電機(jī)更好地與電動汽車整體融合在一起，提高空間利用率，降低車輛重心及車輪的簧載質(zhì)量，需要更加深入的研究。

（2）現(xiàn)有輪轂電機(jī)冷卻系統(tǒng)受輪內(nèi)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等因素的影響，冷卻效果有待進(jìn)一步提高。未來需要對新的冷卻方式、工藝等進(jìn)行更多的探索和試驗，力求尋找新的方法來解決這一難題，研發(fā)出更加可靠的輪轂電機(jī)冷卻系統(tǒng)。

（3）輪轂電機(jī)再生制動與機(jī)械摩擦制動互為干涉，輪轂電機(jī)制動時會施加一定程度的回饋制動力矩于車輪之上，因此，需要對輪轂電機(jī)再生制動與機(jī)械摩擦制動在控制邏輯上進(jìn)行重新設(shè)計。

（4）輪轂電機(jī)與摩擦制動的集成結(jié)構(gòu)使汽車底盤變得更加簡潔、緊湊，將有更多的空間來布置其他機(jī)構(gòu)或裝置。

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Research Status of Hub Motor and Friction Braking Integration Technology

CHU Boshi, WANG Kuiyang*

( School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China )

As the development direction of the drive system of electric vehicle in the future, the hub motor has a broad application prospect. The integrated design and cooperative control of the hub motor and the friction braking system is one of the key technologies to be solved urgently in the electric vehicle brake system. In this paper, the necessity of research on the integration technology of hub motor and friction brake was discussed in the electric vehicle, the research status of hub motor technology at home and abroad and the integration technology and friction brake were analyzed.Meanwhile, some specific applications of hub motor technology in electric vehicles, the integrated design structure of hub motor and friction brake, and the cooperative control strategy of hub motor and friction brake were summarized, and some problems and development trends of the integration technology of hub motor and friction brake were put forward.

Hub motor; Friction braking;Regenerative brake;Integrated technology; Coordination control

U463.53

A

1671-7988(2023)03-204-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.038

楚博士（1994—），男，碩士研究生，研究方向為新能源汽車控制與運用，E-mail:chuboshi@163.com。

王奎洋（1979—），男，博士，副教授，研究方向為汽車機(jī)電一體化技術(shù)，E-mail:wkuiy@126.com。

江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目（BY2019062）；江蘇省研究生實踐創(chuàng)新計劃項目（SJCX22_1486）。