轮毂电机及其电动车技术发展

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1 前言

随着能源短缺和环境污染形势日渐恶化，新能源汽车已成为世界各国的重点研发领域。

电动车作为最主要的新能源汽车类型，电驱动技术是其核心技术之一。

随着电池、电机等电动车相关技术的日渐成熟，产品级电动车已经实现量产化，轮毂电机以其突出优势，得到国内外整车及零部件厂商持续的关注和研发投入。

本文对轮毂电机进行概述，说明其技术优势和难点，对当前主流轮毂电机产品及其驱动的电动车进行综述，总结由轮毂电机引发的技术发展趋势。

轮毂电机将2个或多个电机集成于轮毂内部，驱动形式可分为减速驱动和直接驱动。

减速驱动型轮毂电机多采用内转子结构实现减速驱动，由于电机转速高，需要配置减速器降低输出转速并增加转矩，以适应车轮的输出需求。

直接驱动型多采用外转子结构实现直接驱动，无需减速机构，可实现驱动系统轻量化，但装备直接驱动轮毂电机的电动车在起步时，转矩从零开始上升，导致加速性较差。

两种驱动形式的优缺点如表1所示。

直流电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机、异步电机、永磁同步电机等均可用于研发轮毂电机。

目前先进轮毂电机多采用效率高、功率密度大、可靠性好的永磁同步电机。

表1 不同类型轮毂电机优缺点对比

减速驱动类型的轮毂电机按照减速机构类型，又可分为同轴摆线减速器式轮毂电机、同轴行星齿轮减速器式轮毂电机和偏轴式轮毂电机。

2.2 轮毂电机和轮毂电机电动车优势

轮毂电机作为电动车动力源，本身具有一系列优势，包括：响应速度快、转矩控制精度高、可提供驱动和制动转矩、可独立进行转矩控制、使用寿命长等。

轮毂电机直接安装于驱动轮内，无需设计变速器、万向传动装置、差速器等传统传动部件，将给电动车底盘设计与控制带来巨大变革和优化，包括：

（1）系统效率提高,轮毂电机驱动系统比集中式电机驱动效率高出10%以上；

（2）转矩响应精度高、响应速度快，可实现分布式驱动轮独立控制；

（3）底盘布置自由度高，整车轻量化程度大幅提高；是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的优选动力源；

（4）有利于实现更加优化的分布式驱动、制动控制，更便于自动驾驶上层控制策略的实现。

虽然轮毂电机具备一系列优势，但同时也存在一系列技术难点需要攻克，才能早日实现产品化应用。

在轮毂电机系统设计方面，由于轮毂电机安装于车轮内，与发动机舱相比，环境恶劣，振动噪声大，需解决以下难点：

（1）轴承与密封设计方面，保证轮毂电机可在高低温冲击环境、大负荷冲击下正常工作；

（2）减震降噪设计方面，当前大多数轮毂电机与车身和轮毂刚性连接，无法过滤转矩波动；

（3）轮毂电机高效、高转矩设计方面，保证轮毂电机全转速范围的高效、高转矩输出。

在轮毂电机与底盘集成设计方面，由于车轮内外空间有限，轮毂电机的布置需要满足整车悬架、转向、制动性能要求，由于轮毂电机安装位置的特殊性，可实现车轮横摆、旋转多自由度控制，更增加了集成设计难度，主要包括：

（1）为集成轮毂电机，底盘零部件需二次开发，且轮毂电机使非簧载质量大幅增加，悬架设计难度加大。

（2）由于轮毂电机占用底盘空间较大，导致底盘各硬点校空间减小，底盘性能调校难度增大。

（3）需要设计特定制动系，满足制动性能和空间布置要求。

在整车集成控制技术上，轮毂电机电动车与传统电动车的运动控制差异明显，轮毂电机电动车可实现更先进的运动控制，基于分布式转矩控制，在驱动转矩分配、驱动/制动防滑控制、车辆稳定性控制等方面仍有大量可研究科学问题。

轮毂电机电动车相对于传统汽车，自由度更多，会导致车辆高速行驶或路面湿滑时，出现失稳（甩尾、侧滑等）危险工况。因而对轮毂电机电动车的运动控制要求更加苛刻，需要深入研究转矩矢量控制、电机TCS控制、电机ABS控制、电机ESC控制等。

由于电机分布于各车轮位置，为整车的能量管理带来诸多难题。需要建立适用于分布式驱动系统的能量分配模型，提出分布式电驱动能量分配和制动能量回收最优化控制策略，研究分布式电驱动系统轮间和轴间功率耦合回归，分析电功率与机械功率的相互转换规律，提出相应的功率循环能量损耗控制策略。

由于轮毂电机分布式布置，对整车功能安全和故障诊断要求提高，必须建立完善的电机故障诊断分析策略和容错机制。

轮毂电机使整车簧下质量大幅增加，会导致整车操纵稳定性和平顺性变差，需要克服轮毂电机造成的负效应。

这就需要研究高智能悬架，悬架系统实时感知路况，支持各轮悬架阻尼自适应独立控制，实现高精度、优化性能的车身侧倾、俯仰及横摆控制。

由于轮毂电机驱动控制会对悬架系统产生影响，需要研究轮毂电机分布式转矩控制与悬架系统自适应控制的协同机制，从而优化整车操稳和平顺性。

由于电机分布于各车轮位置，为整车的能量管理带来诸多难题。需要建立适用于分布式驱动系统的能量分配模型，提出分布式电驱动能量分配和制动能量回收最优化控制策略，研究分布式电驱动系统轮间和轴间功率耦合回归，分析电功率与机械功率的相互转换规律，提出相应的功率循环能量损耗控制策略。

由于轮毂电机分布式布置，对整车功能安全和故障诊断要求提高，必须建立完善的电机故障诊断分析策略和容错机制。

轮毂电机使整车簧下质量大幅增加，会导致整车操纵稳定性和平顺性变差，需要克服轮毂电机造成的负效应。

这就需要研究高智能悬架，悬架系统实时感知路况，支持各轮悬架阻尼自适应独立控制，实现高精度、优化性能的车身侧倾、俯仰及横摆控制。

由于轮毂电机驱动控制会对悬架系统产生影响，需要研究轮毂电机分布式转矩控制与悬架系统自适应控制的协同机制，从而优化整车操稳和平顺性。

3 轮毂电机研发现状

由于轮毂电机应用于电动车的突出优势和巨大的市场潜力，国内外已有众多厂商开始着力进行轮毂电机的研发。

在国外，舍弗勒、Protean、丰田等公司均研发出了轮毂电机样机甚至产品，国外公司研发情况如表2所示。