柴曉輝 連晉毅 王坤 戴選濤

摘 要：輪轂電機直接驅(qū)動技術(shù)是純電動汽車最具潛力的一個發(fā)展方向。文章介紹了輪轂電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的研究背景和特點，分析了這種分布式驅(qū)動技術(shù)在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況，提出了輪轂電機直接驅(qū)動技術(shù)存在的難點和解決對策，指出了分布驅(qū)動式純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;驅(qū)動系統(tǒng);輪轂電機;分布驅(qū)動

中圖分類號：U469.7? 文獻標(biāo)識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-05-06

Review on Drive System of Distributed Drive Pure Electric Vehicle*

Chai Xiaohui， Lian Jinyi*， Wang Kun， Dai Xuantao

（College of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Shanxi Taiyuan 030024）

Abstract： In-wheel motor direct driving technology is the most potential development direction of pure electric vehicles. This paper introduces the research background and characteristics of in-wheel motor direct driving technology， analyzes the research and application of the technology at home and abroad， points out the existing problems and corresponding solutions of the technology and puts forward the future development trend of drive system of distributed drive pure electric vehicle.

Keywords： Pure electric vehicle; Drive system; In-wheel motor; Distributed drive

CLC NO.： U469.7? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-05-06

引言

為了應(yīng)對化石能源消耗帶來的能源日趨枯竭和大氣環(huán)境持續(xù)惡化的嚴峻挑戰(zhàn)，加緊開發(fā)和利用新能源，推動新能源相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用，成為當(dāng)前我國經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的新課題和新機遇。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車靠化石燃料燃燒提供動力，排放的尾氣和產(chǎn)生的噪音，都會損害生態(tài)環(huán)境和人體健康。因此，研發(fā)和推廣環(huán)境友好的新能源汽車，尤其是采用清潔、可再生的電能作為動力源的純電動汽車，對我國節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)具有戰(zhàn)略性意義[1]。采用輪轂電機直接驅(qū)動的分布式純電動汽車，是純電動汽車的一個主要發(fā)展方向，有必要加快在該領(lǐng)域的研究，為我國汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展提供充分的技術(shù)儲備。本文將對分布驅(qū)動式純電動汽車及其驅(qū)動系統(tǒng)的特點、研究進展和未來發(fā)展趨勢進行介紹。

1 分布驅(qū)動式純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的特點

相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，電動汽車有其無可比擬的優(yōu)勢：實現(xiàn)了零排放;駕駛環(huán)境更加安靜，加速過程更加平順，司機操縱更加簡便。除此以外，采用輪轂電機直接驅(qū)動的分布式純電動汽車，還使得底盤動力系統(tǒng)更加簡化，車內(nèi)空間極大的釋放，留給汽車設(shè)計師更多的發(fā)揮余地;還可根據(jù)實際路況，進行前驅(qū)、后驅(qū)或者全時四驅(qū)等驅(qū)動模式之間的切換;分布驅(qū)動式純電動汽車的轉(zhuǎn)彎半徑大幅減小，特殊配置的車輛甚至可以實現(xiàn)橫向移動和原地轉(zhuǎn)向等驅(qū)動模式，滿足人們的便利化需求;同時，輪轂電機的應(yīng)用，還有利于車輪的精準控制，動力系統(tǒng)的能量回收和純電動汽車的智能化發(fā)展。

傳統(tǒng)汽車與分布驅(qū)動式純電動汽車的底盤布置對比，如圖1所示。

分布驅(qū)動式純電動汽車的驅(qū)動方式，根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，大致可分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動。減速驅(qū)動，多采用內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機，電機轉(zhuǎn)速高達10000r/min，電機和輪轂之間裝有固定傳動比的行星齒輪減速機構(gòu)（傳動比一般為10左右）。直接驅(qū)動，多采用外轉(zhuǎn)子輪轂電機，最高轉(zhuǎn)速介于1000～1500r/min，無減速機構(gòu)，電機的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂連接。

圖2和圖3分別展示了減速驅(qū)動型和直接驅(qū)動型驅(qū)動系統(tǒng)的零部件組成，兩類輪轂電機的特點對比見表1。

2 輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的國內(nèi)外研發(fā)動態(tài)

德國是輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的誕生地。Ferdinand Porsche于1896年獲得輪轂電機的發(fā)明專利，之后與Lohner共同設(shè)計了“Lohner-Porsche”（圖4），這款由輪轂電機驅(qū)動的雙座電動車在1900年巴黎博覽會上展出。跨越一個多世紀，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)再次受到德系汽車的青睞。2010年，大眾公司研制出了電動輪概念車R-zero，其驅(qū)動系統(tǒng)采用了輪邊電機，并配備了鋰電池蓄能器;2011年的廣州車展上，大眾旗下的奧迪公司推出了一款名為“e-tron”的輪轂驅(qū)動式概念車。2016年，寶馬旗下的勞斯萊斯發(fā)布的103EX 概念車（圖5），融合了自動駕駛、人工智能、純電動、輪轂驅(qū)動等眾多具有前瞻性的科技元素，刷新了人們對未來汽車的想象。

美國自上世紀50年代初期就開始了輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究和應(yīng)用。1968年，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)首先在通用電氣公司的礦用運輸機械上得到應(yīng)用。2003年，通用汽車公司研制出雪弗蘭S-10皮卡車（圖6），采用了通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心自行研制的輪轂電機。

日本自20世紀90年代以來，憑借其雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和汽車技術(shù)研發(fā)實力，在輪轂電機驅(qū)動技術(shù)研究領(lǐng)域中異軍突起。以慶應(yīng)義熟大學(xué)環(huán)境信息系清水浩教授為代表的研究團隊，1991年至2001年間，相繼開發(fā)出IZA、ECO、KAZ三款輪轂電機驅(qū)動的純電動汽車;2004年，清水浩教授又設(shè)計出了八輪驅(qū)動的Eliica[2]電動汽車（圖7），安裝了八個外轉(zhuǎn)子式輪轂電機，強勁的動力性能，使其創(chuàng)造出370km/h的速度記錄;2011年，清水浩教授組建了“SIM-DRIVE”公司，相繼開發(fā)出了“SIM-LEI”、“SIM-WIL”、“SIM-CEL”和“SIM-HAL”四款輪轂電機驅(qū)動的電動汽車，均搭載了高效鋰電池，并配備了能源回收系統(tǒng)，2014年發(fā)布的“SIM- HAL”電動汽車，時速180km/h，一次充滿電后的行駛里程提升至404公里[3] 。

本田、三菱、豐田等日系車企在輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究領(lǐng)域也有涉足。2019年第46屆東京車展上，豐田集團旗下的雷克薩斯發(fā)布了一款純電動概念車LF-30（圖8），百公里加速3.8秒，最高時速200km/h，其獨立控制的前后驅(qū)動輪可根據(jù)行駛情況，自動切換為前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動模式。

中國對輪轂電機的研究起步較晚，初期的理論研究和實車試驗主要是在高校開展。2002年至2004年，同濟大學(xué)先后研制出了三款搭載輪轂電機的“春暉”系列燃料電池電動汽車。2013年上海車展，同濟汽車設(shè)計研究院有限公司展示了IEV、VOLARE兩款電動車，其中VOLARE是一款燃料電池增程式電動跑車，前輪采用輪轂電機，后輪采用輪邊電機。

2010年以后，我國的各大車企對輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究步伐明顯加快。2010年，首批比亞迪K9系列純電動大巴（圖9）下線，采用了輪邊電機驅(qū)動方式，以綠色環(huán)保可回收的鐵電池作為車載動力，并在車頂安裝了太陽能電池板，續(xù)駛里程超過300km。2011年的上海車展，奇瑞公司展出了一款名為“瑞麒X1-EV”的輪轂驅(qū)動式純電動汽車。2016年，廣汽集團發(fā)布了一款采用輪轂電機四輪獨立驅(qū)動的智聯(lián)電動概念車“EnLight”，融合了廣汽傳祺自主研發(fā)的“智能交通系統(tǒng)”、“無人駕駛技術(shù)”、“無線充電”三大前瞻科技。2017年，湖北泰特公司成功研制出了我國首輛輪轂電機直接驅(qū)動的純電動客車[4]。

2018年，中國汽車界的新面孔，綠馳汽車（成立于2016年）和華人運通（成立于2017年），也成功的設(shè)計出了自己的概念車。綠馳在2018年內(nèi)瓦車展上發(fā)布了全新超級轎跑車型——Venera（圖10），安裝了4個輪轂電機，其綜合最大功率達992馬力，百公里加速僅需3秒，最高時速為250千米/小時[5]。華人運通于2018年發(fā)布了輪轂電機工程車HOV-RE05（圖11），四個獨立的車輪可通過靈活改變行駛方向和車輪正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)14套不同模式的智能驅(qū)動邏輯，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜路況[6]。

近些年來，隨著輪轂電機的研究熱度持續(xù)增加，以及汽車市場對高性能、高可靠性的輪轂電機的需求增多，一批專業(yè)的汽車輪胎和電機供應(yīng)商也開始著手輪轂電機的研發(fā)，如法國的Michelin，荷蘭的e-Traction，英國的Protean，日本的普利司通等。國內(nèi)企業(yè)也通過技術(shù)引進和投資、收購國外品牌，實現(xiàn)快速發(fā)展。2016年，浙江亞太對依拉菲進行股權(quán)投資，并成立了由亞太股份控股的合資公司“亞太依拉菲”;2019年3月，恒大集團收購湖北泰特機電70%的股權(quán)，實現(xiàn)對荷蘭e-Traction公司的完全控股，同年5月，又全資收購了Protean公司。國內(nèi)外主要的輪轂電機生產(chǎn)企業(yè)及其應(yīng)用車型見表2。

3 輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著輪轂電機的重要應(yīng)用價值和廣闊發(fā)展前景逐漸顯現(xiàn)，國內(nèi)外越來越的高校參與到輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究上來。表3列舉了近年來部分高校發(fā)表的相關(guān)論文及內(nèi)容概述。

由表3可知，各高校對輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究，主要集中在輪轂電機控制策略、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的綜合性分析和優(yōu)化設(shè)計，以及“人-車-路”閉環(huán)系統(tǒng)的控制策略研究分析，目的在于改善汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性，增加電動汽車的續(xù)駛里程，提高輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

4 輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的主要技術(shù)難點和解決對策

輪轂電機驅(qū)動技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)過各科研院所和相關(guān)企業(yè)的技術(shù)攻關(guān)，輪轂電機的性能不斷提高，而將輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的獨特優(yōu)勢和純電動汽車完美融合，并實現(xiàn)在量產(chǎn)車型上的成熟應(yīng)用，還有一些技術(shù)難題亟待解決，大致可歸結(jié)為兩類：簧下質(zhì)量增加帶來的負效應(yīng);輪轂電機的散熱和冷卻。

4.1 簧下質(zhì)量增加帶來的負效應(yīng)

輪轂電機的使用，增加了汽車的簧下質(zhì)量和車輪轉(zhuǎn)動慣量，惡化了汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，導(dǎo)致整車性能大打折扣。

基于此問題，馬旭[16]，介紹一種優(yōu)化輪轂電機質(zhì)量的方法，并用該方法對輪轂電機中定子支承結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的定子支架，可優(yōu)化區(qū)域的體積減少了45%，整體重量減小了24.7%，通過輪轂電機的輕量化來改善簧下質(zhì)量增加帶來的負效應(yīng)。孟令盛[17]，介紹了一種包含撓性傳動機構(gòu)和彈簧-阻尼減振機構(gòu)的新型電動輪，可使車輛在全頻段中具有更小的車輪相對動載荷、電機垂向加速度、車身垂向加速度和車輛懸架動撓度，體現(xiàn)出更好的車輛行駛平順性。Shida Nie等[18]，提出了一種消除非簧載不良影響的組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由車輛懸架和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器組成，由滑模控制器控制，可使彈簧質(zhì)量加速度和輪胎撓度的平方分別降低31.2%和2.2%，有效提高了汽車的平順性和乘坐舒適性。

綜上所述，解決簧下質(zhì)量增加帶來的負效應(yīng)的方法主要有：優(yōu)化輪轂電機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化，在輪轂中增加阻尼減震裝置，以此來消除簧下質(zhì)量增加帶來的負效應(yīng)，提高車輛的平順性。

4.2 輪轂電機的散熱和冷卻

輪轂電機長時間在高溫環(huán)境下運行，會出現(xiàn)永磁體的熱退磁，甚至導(dǎo)致不可逆退磁，嚴重影響電機性能。車輪是汽車中工作環(huán)境最為惡劣的部位，將電機集成到輪轂中，必然要考慮輪轂電機的防水、防塵和防腐蝕，而采取一定的屏蔽措施，增加了散熱的難度。由于輪轂內(nèi)部空間有限，將輪轂、電機、懸架等元器件高度集成后，內(nèi)部間隙極其狹小，所以電機的冷卻成為一大難題。

對此，Peixin Liang等[19]分析了定子槽內(nèi)熱流傳遞規(guī)律，提出了一種新的分層繞組模型，用以準確計算繞組溫度，實驗表明該模型不僅適用于穩(wěn)態(tài)溫度場，而且適用于瞬態(tài)溫度場。Myeong Hyeon Park等[20]，研究了在輪轂電機的空心軸冷卻通道中進行油霧冷卻的效果，并設(shè)計了一種冷卻通道，可使線圈的絕對溫度下降16%，隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，線圈表面形成厚而均勻的油膜，冷卻效果得到改善。顧可等[21]，通過自然風(fēng)冷三維穩(wěn)態(tài)分析和水冷結(jié)構(gòu)的三維瞬態(tài)分析，確定了以“周向 C 型冷卻水道結(jié)構(gòu)和 0.5m/s 的冷卻水流速”，作為外轉(zhuǎn)子永磁同步輪轂電機的最佳散熱設(shè)計方案。

2019年，蔣付強等[22]，申請了“一種具有強化散熱性能的輪轂電機”，針對繞組是電機溫度最高部位的特點，在定子支撐上設(shè)計了端面散熱水道，配合定子支撐內(nèi)部的軸向散熱水道進行散熱，使輪轂電機的散熱性能得到強化，并提高了輪轂電機的轉(zhuǎn)矩密度。金良寬等[23]，申請了“一種外轉(zhuǎn)子輪轂電機定子冷卻結(jié)構(gòu)”，通過在定子內(nèi)水套的外表面設(shè)計定子冷卻水道，有效降低定子和軸承溫度。王曉紅等[24]，申請了“一種便于散熱的輪轂電機”，通過在機殼外部設(shè)置導(dǎo)熱性能較好的散熱缸體，增加機殼散熱的面積，同時在散熱缸體內(nèi)部設(shè)有通風(fēng)腔，在散熱缸體外部設(shè)有通風(fēng)扇葉和通風(fēng)口，加強空氣流通，從而加快機殼熱量散發(fā)。

綜上所述，輪轂電機主要采取風(fēng)冷、水冷和油冷三種方式進行散熱冷卻，通過在輪轂電機外部增加風(fēng)腔、風(fēng)道，改進電機內(nèi)部的冷卻油路或水路，控制冷卻液流速，改變冷卻液物理狀態(tài)等方案，實現(xiàn)輪轂電機的散熱和冷卻的最優(yōu)設(shè)計。

5 分布式驅(qū)動技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

近十多年來，隨著國家政策的推動和電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是受特斯拉、比亞迪等一批電動汽車領(lǐng)軍企業(yè)的引領(lǐng)，電池、電機和電控等電動汽車核心技術(shù)難題被一項項突破，為輪轂電機驅(qū)動技術(shù)提供了可靠的應(yīng)用平臺和廣闊的發(fā)展空間。未來，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個方向：

5.1 輪轂電機本體設(shè)計和電動輪集成化技術(shù)

出于散熱和輕量化的設(shè)計要求，輪轂電機本體的各組成構(gòu)件、冷卻液流動回路、定子齒槽結(jié)構(gòu)等還存在進一步優(yōu)化的空間。未來汽車制造業(yè)的分工更加高效合理，電動輪部件將進行模塊化設(shè)計和生產(chǎn)，電機、懸架、阻尼減震器、制動器等與輪轂高度集成，因此電動輪集成化設(shè)計將成為一大研究熱點。

5.2 防滑控制和再生制動

一般的道路行駛車輛都會加裝制動防抱死系統(tǒng)（即ABS），在緊急剎車時進行防滑控制，避免汽車失控導(dǎo)致事故發(fā)生。分布驅(qū)動式純電動汽車整車質(zhì)量輕，運動慣性小，且輪轂電機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，在防滑控制上較傳統(tǒng)汽車優(yōu)勢顯著，但制動會消耗電能，影響電動車的續(xù)駛里程，而再生制動能有效回收制動能量，可節(jié)省或增加電池的電能，并可減輕液壓制動的負擔(dān)，改善汽車制動舒適性，因此有必要開展再生制動的研究。

5.3 轉(zhuǎn)矩分配控制和電子差速

分布驅(qū)動式純電動汽車各個車輪可以進行獨立且精確的控制，在不同的路況下，哪個車輪轉(zhuǎn)動？分配多大的轉(zhuǎn)矩？需要進行轉(zhuǎn)矩分配控制。另外，分布驅(qū)動式純電動汽車取消了差速器等傳統(tǒng)汽車構(gòu)件，汽車轉(zhuǎn)彎由控制系統(tǒng)和輪轂電機來完成，因此需要深入研究以轉(zhuǎn)矩為控制量的電子差速控制策略。

5.4 機電耦合

分布驅(qū)動式純電動汽車的電動輪將多個構(gòu)件、多種功能集于一體，輪轂電機具有高功率密度、高電流的特點，且常常會受到路面激勵的作用，機械特性和電磁特性之間存在不可避免的相互影響，因此需要探究輪轂電機的機電耦合特性。

6 結(jié)語

輪轂電機誕生至今，已走過百年的發(fā)展歷程，其性能和集成化程度已有了大幅的提升，相信在不遠的將來，會在純電動汽車上得到成熟的應(yīng)用，并與無人駕駛、人工智能等新興技術(shù)完美的融合，更好的服務(wù)于我們的生活。

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