纯电动汽车轮毂电机直驱技术的研究综述

尚乐，连晋毅，王俊峰，臧学辰，马旭

（太原科技大学机械工程学院，山西 太原 030024）

引言

纯电动汽车是以蓄电池为驱动能源，由电动机来驱动车轮行驶的车辆。直驱即直接驱动，是指除去机械传动系统，用电机直接来驱动机器的运转。采用轮毂电机直驱技术的电动汽车具有车身结构简单和传动效率高等优点。本文将对轮毂电机直驱技术的特点、发展现状与趋势做一个分析介绍。

1 轮毂电机直驱技术的概念和特点

轮毂电机是一种将电动机、传动装置及制动装置整合到车轮内的驱动系统，可用来驱动纯电动汽车行驶。轮毂电机驱动系统可省去传统的减速器和机械差速器，缩短驱动电机到车轮的传递路径，进而提高车辆传动效率。

轮毂电机驱动系统根据有无减速机构可分为减速驱动和直接驱动，其结构如图1所示，特点对比见表1。

图1 直接驱动型和减速驱动型轮毂电机结构Fig.1 Direct drive type and deceleration drive type inwheel motor structure

2 轮毂电机直驱技术的国内外发展现状

轮毂电机技术可追溯到1900年，当时保时捷公司研发出一款前轮装有轮毂电机的电动汽车，而这一技术在 20世纪70年代被运用到了矿山运输车等领域。日本最早将该技术应用到乘用车上，一些国际汽车巨头和国内外大学对该技术也有了一定的研究及应用。

日本庆应义熟大学在 2004年研发了一款由八个轮毂电机独立驱动的车辆“Ellica”[2]（图2）。

表1 直接驱动型与减速驱动型轮毂电机的特点Tab.1 Direct drive type and deceleration drive type inwheel motor characteristics

图2 八电动轮驱动车辆EllicaFig.2 Eight electric wheel drive vehicle Ellica

日本三菱公司在2005年研发了Colt EV电动汽车。该车采用两台峰值转矩为600N·m的永磁交流电机作为动力装置[3]。2006年，该公司通过将制动系统嵌入电机内部，开发出了Lancer Evolution MIEV概念车（图3）。该车在开发设计过程中进行了结构优化，提高了轮辋空间的使用效率。其采用的永磁同步电机峰值功率和峰值转矩分别为 50kw和518N·m[4]。

图3 三菱公司MIEV电动汽车及其轮毅电机Fig.3 Mitsubishi MIEV electric car and its in-wheel motor

标致公司在2004年的巴黎车展上推出了一款Quark概念车，采用了4个直流电动机进行独立驱动，其驱动轮单边驱动峰值转矩为 102.2N·m。英国贝姆勒公司开发的基于无刷直流电机的分布式驱动电动汽车 MINIQED，其最高车速可达225km/h。

通用汽车公司于 2005年研发出一款轮毂电机驱动的氢燃料电池电动汽车Sequel，其前后轴分别采用集中式驱动和轮毂电机驱动方式，驱动功率峰值可达 110kw，经过实车测试，其续驶里程可达500km[5]。

2013年，福特汽车公司与舍弗勒公司以福特嘉年华轿车作为基础联合研发出一款eWheelDrive汽车。该车采用了后轮驱动的轮毂电机驱动形式，双电机协同工作可以输出最大为80kw的功率，具有优异的加速性。

日本精工株式会社(NSK)于2017年初设计出一款新型轮毂电机，它是全球首个配有机械变速箱的轮毂电机（图4）。它是由一个机械变速箱和两个独立电机组成的，机械变速箱包含有一对行星齿轮机构，由它输出车轮的驱动转矩。变速箱的换挡操作可通过控制两个独立电机的转速和转矩而变得十分顺畅。此轮毂电机也可安装在16英寸的车轮内[6]。

图4 NSK的轮毂电机Fig4 NSK in-wheel motor

我国在轮毂电机直驱系统上的研发和制造方面起步较晚，随着国家“863”计划电动汽车重大课题的开展，各汽车厂商和高校对轮毂电机驱动系统的研究才有所加强。同济大学汽车学院与上海燃料电池汽车动力系统有限公司在 2002年研发了一款四轮电驱动燃料电池概念车——“春晖一号”，2003年又与建筑城规学院艺术设计系共同研发出“春晖二号”，这两个电动汽车均采用了低速直驱永磁直流无刷轮毂电动机和盘式制动器。2004年，同济大学自主研发了“春晖三号”（图 5），其动力系统采用了锂离子电池与燃料电池并联的驱动方式，构成了电—电混合动力系统。

图5 春晖三号Fig.5 Chunhui No.3

2011年，奇瑞公司推出了一款增程式纯电动车——瑞麒X1-EV（图 6）。其采用了轮毂电机四轮驱动，可分别独立调节四个车轮的驱动力[7]。

图6 瑞麒X1-EVFig.6 Ruiqi X1-EV

2017年5月24日，湖北泰特机电有限公司推出了其最新产品：轮毂电机和首辆运用轮毂电机直驱技术的客车(图7)。电机采用外转子形式，其效率比轮边直驱系统高 10%，比中央直驱系统高13-16%。这款轮毂电机客车满足大通道和低地板的设计，对乘客的上下车非常方便。

图7 湖北泰特客车及轮毂电机Fig.7 Hubei Tate bus and in-wheel motor

此外，轮毂电机还广泛的应用于其他类型的车辆或工具上。比如常见的电动摩托车、矿山自卸车、高尔夫场地车、军工车辆、轮椅和滑板等，可谓前景广阔。

3 轮毂电机直驱技术的研究近态

近年来，国内外对轮毂电机直驱技术的研究日益增多，部分成果如下所示：

文献[8]，吉林大学的姚荣子等人基于永磁同步轮毂电机设计了一种改进型非线性控制系统，可快速准确地实现转矩跟踪控制，但还需在轮毂电机试验台架上进行试验，来验证该系统转矩跟踪控制的有效性和实时性。

文献[9]，重庆大学的金胡辛等人运用模糊控制和逻辑门限值控制的方法对轮毂电机汽车模型的驱动防滑控制策略进行了对比分析，结果证明两种方法都可根据车辆的实时状态进行准确有效的控制，而模糊控制的总体效果更好。

文献[10]，郑迎等人对轮毂电机电动汽车制定了制动能量回收和防抱死控制策略，通过建模仿真验证了该策略的有效性及合理性；只对典型制动工况下的能量回收和防抱死性能进行了验证，还需对其它工况进行验证，以便优化该策略。

文献[11]，王发继等人提出了基于轮毂电机多轮独立驱动的驱动力分配策略，采用横摆力矩补偿控制的方法有效抑制了因驱动电机输出不均衡发生侧向跑偏的现象; 还需增加更多的测试试验来丰富完善控制策略和功能。

文献[12]，浙江大学的邢晓春等人设计了两种适用于不同循环工况的容错轮毂电机，通过优化参数设计出一款适应两种工况的异型混合容错电机，并进行仿真分析，验证了其良好的容错性能。

文献[13]，Zhifu Wang等人提出了一种基于指数逼近法的滑模变结构控制算法，并将其应用于四轮独立驱动轮毂电机ASR系统，通过建立一个七自由度车辆动力学模型，测试ASR控制策略在良好路面和湿滑路面上的控制效果。通过定量计算，在两个加速期的车辆加速性能分别提高了 43.5%和58.5%。结果表明滑模变结构控制算法适用于ASR系统，对良好路面和湿滑路面具有良好的适应性。该算法可以大大提高四轮独立驱动电动汽车的加速性能。

文献[14]，Angelos Kampanakis等人提出了一种将轮毂电机电动汽车的速度，侧滑角和偏航率调节与电动机温度调节结合起来的控制结构。线性控制器通过将四轮车辆模型与电动机退化模型相结合，整合了车辆动力学和电动机动力学，发现所得到的控制器不仅提高了车辆的稳定性，而且可通过调节其温度来延长电动机的使用寿命。

4 轮毂电机直驱技术现存的问题及解决对策

虽然由前所述，轮毂电机直驱技术的研究与应用已经取得了非常不错的成果，但到目前为止，这项技术依然存在着许多亟待解决的问题。

4.1 簧下质量增大问题

轮毂电机直接增加了车轮转动惯量及簧下质量，进而影响车辆的平顺性和操控性，使车辆舒适度下降。

Johansen P R等[15]对轮毂电机进行了特殊平面设计，这样可将定子质量转化为簧上质量，并验证了其有效性；李勇等[16]提出对轮毂电机进行结构和尺寸优化，进一步减小簧下质量；浙江亚太机电公司也指出：为降低对车辆操控性能的影响，可重新设计悬挂系统，调整簧上簧下质量比。

可解决这一问题的措施有：（1）对轮毂电机进行结构尺寸优化；（2）选择新型材料做轻量化设计；（3）转移簧下质量；（4）设计针对性的悬挂系统等。

4.2 永磁体退磁问题

轮毂电机永磁体的热退磁问题一直是技术研发过程中的热点和难点。

Hwang Kyu-Yun等[17]提出通过对永磁电动机转子结构进行优化的方法来预防退磁；Kim Ki-Chan等[18]对“一”字型、“V”字型、双层永磁体三种不同布置方案的永磁体退磁现象进行了比较，结果表明采用双层永磁体布置结构的永磁电动机最不易退磁；Qingbo Guo等[19]针对永磁同步电动机直接驱动系统提出了一种优化控制策略，该方法通过识别最佳的弱磁电流来调整铜损和铁损，使永磁同步电机在整个工作范围内损耗降低。

此问题的解决方法有：（1）对永磁电动机转子结构做进一步优化；（2）尽量采用双层永磁体布置结构的永磁电动机；（3）研发高性能的新型永磁体材料等。

4.3 电机冷却和散热问题

由于电动汽车运行工况复杂多变，轮毂电机极易出现冷却和散热不足以致温度过高，从而影响整车性能。

S.C.Kim等[20]采用在空气冷却结构壳体表面开设冷却槽的方法，使轮毂电机传热面积变大，冷却效果有所提升；梁培鑫等[21]比较了永磁轮毂电机中轴向“Z”字型和周向螺旋型水路的散热能力，结果表明轴向“Z”字型水路的散热能力更强；Elaphe公司通过对冷却水道进行优化设计，电机总成采用90%水冷和10%风冷的方案，冷却散热效果大大提升。

综上所述，解决冷却和散热问题的方法主要有：（1）在设计轮毂电机时要留有一定的通气空间，增加空气的流动；（2）设计轮毂电机时可设置一些冷却水道，用流体热交换进行冷却；（3）开发新型的轮毂电机冷却系统等。

4.4 在整车上的集成应用问题

轮毂电机直驱技术还是一个相对较新的技术，所以整车企业对该技术的应用还持谨慎态度。要采用轮毂电机，就必须要考虑它和整车的集成配套问题。运用轮毂电机直驱技术必须保证车辆控制的一致性和安全性。也就是说，轮毂电机直驱技术不能脱离整车，必须和企业从整车研发环节开展合作，产生协同效应，才能解决相关的集成应用问题。

除上述之外，对于轮毂电机直驱技术还有在保证电机性能的情况下如何降低制造成本、如何开发出功率密度更高的轮毂电机、轮毂电机的密封性及抗振等问题。

5 轮毂电机直驱技术的发展趋势

轮毂电机直驱技术可将动力系统、传动系统和制动系统集成到车轮上，适用于各类新能源汽车。该技术还可用来生产高度模块化的底盘系统，真正实现小转弯半径，这有利于电动汽车应用智能网联技术，实现无人驾驶。因此轮毂电机直驱技术必将成为纯电动汽车的最终发展趋势。

未来，轮毂电机直驱技术的研究重点主要包括以下几个方面：

（1）研制集成度高、体积小、可靠性高的轮毂电机驱动系统

电动汽车运行工况比较复杂，轮毂电机又安装在轮毂里，这对可靠性提出了很高要求。车轮内部空间比较狭小，要保证各部件不发生干涉，合理布置相对较难，这就要求研制集成度高、体积小的轮毂电机驱动系统。

（2）制动能量回收

再生制动能量回收关键在于如何在行车安全的前提下回收更多的能量以及回收策略的制定。对此可提出了一种模块化的观测器来估计车辆的纵向速度，然后基于估计的速度，设计一种反馈分级控制器来跟踪期望的速度，并将制动力矩分配给四个车轮以提高能量回收。

（3）驱动电机控制技术

目前驱动电机的控制方法有失量控制、直接转矩控制和模糊逻辑控制，此外还可采用神经网络控制或遗传控制等人工智能控制。基于人工智能控制的特点，它们可以有效地解决永磁电机驱动中的非线性问题和参数变化敏感问题。

（4）电子差速控制技术

电动汽车取消了传统的机械差速器，当车速过快时会出现失稳，因此要采用电子差速控制技术对汽车进行差速控制。轮毂电机是成对应用的，这就要求对称电机的性能相同，输出转矩能同步协调控制，以保证汽车在复杂工况下安全行驶。

（5）底盘的集成控制

随着电动汽车的发展，其底盘电控系统结构和功能更加复杂。传统控制系统采用了分散式控制结构，各子系统只能实现单一的控制功能，且控制器之间存在冲突影响控制效果。而底盘集成控制能消除子系统间的冲突，可实现全局最优控制。

虽然轮毂电机直驱技术在部分研究领域已取得了一定的成果，但总体来说仍处于探索阶段，尤其在制动能量回收和电机控制技术领域还不够成熟，这两个方面也是近几年的研究热点。

6 结语

无论从轮毂电机的结构特点，还是从其发展趋势来看，轮毂电机直驱技术都具有很多的优势。虽然仍有较多技术难点等待攻克，但随着科学技术的发展和研究力度的加大，相信轮毂电机直驱技术目前所存在的问题会早日突破。轮毂电机直驱技术将成为未来纯电动汽车发展的核心关键。

[1] Katsuhiko Kamiya,Junichi Okuse Kazufumi Ooishi etc.Developme nt of In-wheel Motor System for Micro EV[C].EVS 18 Berlin,2001.

[2] Kei Oda, Hiroichi Yoshida, Hiroshi Shimizu. Marketing Strategy of Eliica, the 370km/h Max Speed Electric Vehicle[C]. The 21th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Sympo-sium&Exposition. Monaco, 2005.

[3] Peng He, Yoichi Hori, Makoto Kamachi, et al. Future Motion Control to be Realized by In-wheel Motored Electric Vehicle[C]. Industrial Electronics Society,2005. IECON 2005. 31S` Annual Conference of IEEE, 2005:2632-2637.

[4] Makoto Kamachi, Kevin Waiters. A research of direct yaw-moment control on slippery road for in-wheel motor vehicle[C]. The 22st International Battery Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium&Exposition, Yokohama,2006:2122-2133.

[5] Rahman K.M., Patel N.R. etc. Application of Direct-Drive Wheel Motor for Fuel Cell Electric and Hybrid Electric Vehicle Propulsion System[C]. IEEE Transactions on Industry Applications. 2006, 42:1185—1192.

[6] 日本精工研发出全球首款带变速箱的轮毂电机[J]. 农业装备与车辆工程,2017,55(04):77.

[7] 马旭,张喜清,连晋毅,王俊峰,臧学辰. 纯电动汽车轮毂电机直驱系统的研究进展[J]. 农业装备与车辆工程,2017,55(06):43-48.

[8] 姚荣子. 电动汽车用永磁同步轮毂电机转矩跟踪控制[D].吉林大学,2015.

[9] 金胡辛.电动车驱动防滑控制策略的研究[D].重庆大学,2016.

[10] 郑迎.电动轮汽车高效制动能量回收及制动防抱死控制研究[D].吉林大学,2016.

[11] 王发继.基于轮毂电机驱动的多轮独立驱动驱动力控制研究[D].吉林大学,2017.

[12] 邢晓春.多冗余直驱轮毂电机设计及其控制系统研究[D].浙江大学,2017.

[13] Zhifu Wang,Yang Zhou,Guangzhao Lee. The Sliding Mode Control about ASR of Vehicle with Four Independently Driven In-Wheel Motors Based on the Exponent Approach Law[J]. Energy Procedia,2016,88.

[14] Angelos Kampanakis,Efstathios Siampis,Efstathios Velenis,Stefano Longo. A Torque Vectoring Optimal Control Strategy for Combin-ed Vehicle Dynamics Performance Enhancement and Electric Mot-or Ageing Minimisation ** The authors would like to acknowled-ge the financial support from EPSRC via the'FUTURE Vehicle'project (grant number EP/I038586/1) and the Impact Acceleration Account (grant number EP/K503927/1).[J]. IFAC PapersOnLine,2016,49(11).

[15] Johansen P R,Pattersib D,O'keefe C.The use of an axial flux perman-ent magnet in-wheel direct drive in an electric bicycle[J].Renew-able Energy,2001,22(1 /2 /3):pp.151-157.

[16] 李勇,徐兴,孙晓东,江浩斌,曲亚萍. 轮毂电机驱动技术研究概况及发展综述[J].电机与控制应用,2017,44(06):1-7+18.

[17] Hwang Kyu-Yun,Rhee Sang-Bong, Lee Jae-Sung, et al. Shape optimization of rotor pole in spoke type permanent magnet motor for reducing partial demagnetization effect and cogging Torque[C]//Proceeding of lnternational Conference on L;lectrical Machin-es and Systems. Seoul, Korea,2007: 8—11.

[18] Kim Ki-Chan, Kim Kwangsoo, Kim Hee Jun, et al. Demagne tization analysis of permanent magnets according to rotor types of interior permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Trans. on Magnetics,2009,45( 6):2799一2802.

[19] Qingbo Guo,Chengming Zhang,Liyi Li,David Gerada,Jiangpeng Zhang,Mingyi Wang. Design and implementation of a loss optim ization control for electric vehicle in-wheel permanent-magnet synchronous motor direct drive system[J]. Applied Energy,2017.

[20] S. C. Kim,W. Kim,M. S. Kim.4.Cooling performance of 25 kW in-wheel motor for electric vehicles[J].International Journal of Automotive Technology,2013,Vol.14 (4):pp.559-567.

[21] 梁培鑫,程树康.永磁同步轮毂电机发热及散热问题的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学.2013.