乘用车轮毂电机应用技术综述

于长虹 张春才 李大鹏 刘赫 张尚明 刘昊齐

（1.中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：新能源汽车 一体化电动底盘 轮毂电机 分布式驱动

1 前言

轮毂电机技术已有百年历史，在国防军工、航天等特种装备方面已获得广泛应用。随着轮毂电机应用于电动自行车及商用车，轮毂电机技术正式进入民用领域并迅速普及。2020年11月，国务院办公厅发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，在技术创新部分正式提出电动汽车底盘一体化设计及集成攻关。轮毂电机技术使一体化电动底盘具有更高的集成度，更多的运动轨迹，以及更广的应用场景，同时，在降重及空间利用率上也具有一定优势。

本文对轮毂电机研究领域的文献进行综述，对轮毂电机在乘用车上应用的研究成果进行分析，阐明其发展历史、应用现状，揭示其应用的关键问题，并对轮毂电机技术的未来发展提出建议及展望。

2 轮毂电机发展历史与应用现状

2.1 轮毂电机发展史

20世纪50年代初，美国人Robert便发明了电动汽车轮毂电机，并申请了专利，其将电动机、传动系统和制动器浓缩到轮毂机构。日本也从1991年开始涉足轮毂电机研发领域，但从产业层面来看，欧美公司占据主导地位，如荷兰e-Traction、美国Protean、欧洲Elaphe，都先后有系列产品诞生。Protean electric早在2010年便推出了应用在普通乘用车上的轮毂电机技术。而国内则从2010年才开始研发轮毂电机技术，各大汽车零部件厂商开始通过并购方式引入国外先进技术，如泰特机电、万安科技、亚太股份分别投资了e-Traction、Protean、Elaphe。

2.2 轮毂电机应用现状

轮毂电机应用于汽车的历史悠久。早在1900，费迪南德·保时捷（Ferdinand Porsche）就尝试把电机装到车轮上，并首次制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车Lohner Porsche。近年来，国内外多家主机厂及机构对轮毂电机在汽车上的应用展开研究。日系厂商研究开展较早，目前处于领先地位。1998年起，丰田汽车对轮毂电机的应用技术进行了3个发展阶段的应用研究，见图1。此外，包括福特、通用在内的国际汽车巨头也都对该应用技术有所涉足。国内乘用车轮毂电机应用技术研究起步较晚，但近年来随着国家政策的指引，各高级院校加大了研究投入，汽车主机厂及零部件厂商也纷纷参与轮毂电机技术应用的研究。2011年上海车展，奇瑞新能源展示了搭载轮毂电机的瑞麒X1-EV电动汽车，中国一汽、东风、广汽等车企也在稳步推进轮毂电机应用技术。

图1 丰田轮毂电机开发历程[4]

2.3 一体化电动底盘

随着全球5G商业化时代来临，汽车行业正迎来新一轮的变革。在新的变革中，作为众多前沿技术的落地场景，汽车也被重新定义：它不仅仅是交通工具，更是承载人们多重需求的移动空间，是生活场景的一个个缩影，如医疗、休闲、娱乐、工作、物流、快递，等等，这些前沿技术将打破空间的束缚。中国一汽红旗开发了HEi 2.0智能化底盘概念平台（图2），通过PTC（动力总成与底盘集成）、CTC（动力电池与底盘集成）、CTI（动力与底盘域控制集成）集成技术，HEi 2.0智能化底盘可实现平台零部件大幅减少，空间利用率提升，质量降低，提高了通过性。随着线控转向及线控制动技术的应用，分布式驱动构型下的线控底盘可以实现车轮大角度转角，甚至360°转角成为可能，可轻易实现蟹行、斜行、原地旋转的运动模式。使用轮毂电机的分布式一体化电动底盘突破了传统的集中式驱动构型，可实现更高安全、更为清洁、更加快捷和全场景的便利使用。

图2 中国一汽红旗HEi 2.0智能化底盘平台

3 轮毂电机应用的关键问题

3.1 非簧载质量增大对平顺性的影响

簧载质量是评价车辆平顺性的一项重要参数。Riley研究表明，非簧载质量不应超过簧载质量的20%。大多数关于悬架系统的研究都是针对非轮毂电机直驱车辆进行的，没有对因为使用轮毂电机而增加的非簧载质量的车辆做过真正的研究。

Schalkwyk等在理论上研究了簧载质量向非簧载质量转移产生的影响，并对仿真结果进行了比较（图3）。由图3可见，簧上载荷的变化对传统车辆的固有频率的影响很小，而对轮毂电机驱动车辆的固有频率会发生显著的变化。这意味着由于簧上载荷的变化，轮毂电机驱动的车辆会比传统车辆有更大的行驶响应变化。然而，这2种车辆的固有频率保持在1~3 Hz的范围内，研究结果表明固有频率在0.5~1 Hz之间时，人患晕动病的几率很高。人的头部和颈部对18~20 Hz之间的振动频率特别敏感。身体的腹部区域对5~7 Hz之间的振动频率很敏感。设计中，固有频率高于3 Hz的振动系统是需要躲避的区域，而接近1.5 Hz时是人比较舒适的区域。使用轮毂电机驱动的车辆固有频率，应在驾驶员可接受的舒适性范围内。同时，在通过优化设计及质量分配后，可以进一步提高车辆的舒适性。

图3 2种驱动形式车辆固有频率对比

Martyn Anderson等人采用福特福克斯2007年度车型，通过主观评价方法对轮毂电机车辆和传统车辆进行对比。传统车辆上每个车轮均装载额外30 kg的质量，用于模拟簧下质量轮毂电机，30 kg质量分布方式在大体上反映了Protean的PD18产品，车辆未作任何其他变化。主观评价结果使用蜘蛛图表示（图4）。评价结果显示，簧下质量增加的车辆在整体平顺性上达到市场上常见的6～8分的一般舒适性水平，仅略低于传统车辆。通过弹性件的调校，整体舒适性还有进一步提升的可能。

图4 基础车和改装车平顺性主观评价结果[10]

3.2 应用于后非独立悬架（或半独立悬架）的问题

不同于乘用车前悬架多使用独立悬架，后轴采用非独立悬架（或半独立悬架）是中小型乘用车常用的悬架形式，具有布置简单，簧下质量低的优点。轮毂电机应用于后扭转梁悬架时，驱动时容易出现车身明显抬升现象。与传统车使用驱动半轴作用于轮心处不同，轮毂电机驱动力作用于轮胎与地面接触点（图5，图6）。电机驱动扭矩在接地点处产生绕纵臂铰链点的反力矩，由此产生对铰链处的抬升作用，使得在驱动时，后悬架有明显的抬升现象。后扭转梁悬架对车身抬升效果影响因子如表1所示

图5 传统车辆驱动力作用点

图6 轮毂电机车辆驱动力作用点

表1 后扭转梁悬架对车身抬升效果影响因子

3.3 非簧载质量增大对轮毂的影响

轮毂是用于承载车辆与轮胎之间硬性转动惯量的部件，是车辆自重及冲击载荷的主要承担者。其自身质量、结构强度及可靠性直接影响着车辆的安全性、制动性及操纵稳定性。使用轮毂电机驱动的车辆簧下质量增加导致车辆垂向载荷增加，需要对轮毂结构件进行额外的强化设计。Schalkwyk等人在对传统车辆及轮毂电机驱动车辆进行的跌落试验对比时发现（图7），由于轮毂电机车辆簧下质量增加，跌落时轮胎产生更大的变形，特别是低高宽比的轮胎，容成轮辋损坏。

图7 2种驱动形式车辆簧下质量阶跃响应[9]

4 轮毂电机应用的关键技术

4.1 轮毂电机与底盘集成技术

由于车轮内外空间有限，轮毂电机布置受悬架、转向运动件包络及制动性能限制。轮毂电机占用轮内空间较大，转向节与轮毂电机连接，导致底盘硬点设计空间减小，性能调校难度增大，需综合轮毂电机矢量控制特性进行操稳性能计算。制动方面，可将盘式或鼓式制动器与轮毂电机进行一体化设计。以满足对制动性能及布置方面的要求。

Protean与万安科技合作开发出应用于外转子轮毂电机的摩擦制动组件（图8），创新的采用了内卡钳式环形制动盘，并集成安装在电机壳体外，摩擦制动产生的热量与电机隔绝，通风效果好，避免因制动盘温度过高引起电机永磁体退磁。

图8 Protean外转子轮毂电机集成盘式制动器[10]

舍弗勒轮毂电机提出了包含轮毂轴承、内转子电机、行星减速机构、鼓式制动器和冷却系统在内的关键零部件的集成方案（图9）。

图9 舍弗勒内转子轮毂电机集成鼓式制动器[11]

4.2 分布式驱动控制技术

使用轮毂电机的分布式驱动车辆具有单个车轮独立可控的特性，在稳定性控制、主动安全性方面相对于集中式驱动构型具有显著的优势。通过轮毂电机驱动或制动扭矩控制，可实现TCS和DTC功能；根据前后轴扭矩分配和左右轮扭矩分配，可实现扭矩矢量控制功能，包括附着率优化、效率优化和横摆控制功能。

中国一汽基于红旗某集中式纯电动四驱车型（图10），对悬架、转向、制动、冷却系统进行适应性更改，完成轮毂电机四驱电动样车改制，进行分布式扭矩分配控制技术研究。其测试结果表明，在驱动防滑控制及横摆控制方面，使用轮毂电机的分布式驱动构型相对集中式驱动构型有更好的表现。

图10 红旗某轮毂电机改制车型

通过低速全油门起步加速、对开和对接工况全油门加速实车测试（图11），测试结果显示中国一汽开发的驱动防滑控制功能可显著提升车辆在湿滑路面的行驶稳定性，满足驱动防滑控制指标要求。此外，分布式驱动防滑控制功能试验结果优于改制前的集中式构型车辆。

图11 中国一汽红旗某轮毂电机改制车型驱动防滑测试[13]

在实车横摆控制测试中，分布式四驱横摆控制功能可提升车辆横摆率响应时间0.02 s，谐振峰频率提升0.1 Hz，改善车辆过多/不足转向特性，在实车双移线工况测试中可提高通过车速10%，蛇行测试（图12）中可提高车速15%，因此，中国一汽开发的横摆功能显著提升车辆横摆响应性和稳定性能。

图12 中国一汽红旗某轮毂电机改制车型横摆控制测试[14]

4.3 车轮大转角技术

车辆最小转弯半径反映了汽车通过最小曲率半径弯曲道路的能力和在狭窄路面上调头行驶的能力，最小转弯半径越小，表明汽车的机动性能越好。轮毂电机的使用取消了传动系统，避免了驱动半轴对车轮转角的约束，车辆可轻易实现大角度转弯。同时，通过各车轮独立转角控制，可以完成横向行驶、斜向行驶、原地旋转、绕单轮旋转的多种特殊转向工况，增加汽车灵活性，如图13所示。

图13 多种转向功能

创新的线控动力转向执行机构使用四轮独立转向电机及减速机构，颠覆了传统转向梯形结构，使车轮可以进行独立的大角度转角。

Protean在其PD18轮毂电机技术的基础之上，开发了可进行360°转向的Protean360+轮边角模块（图14），该模块集成了悬架系统、转向系统、制动系统以和轮毂电机。独立的转向电机和减速机构使该轮边模块可进行360°转角，能够使车辆在相对狭窄的空间里，顺利完成转弯、停车入位的动作。

图14 Protean 360+轮边角模块[10]

舍弗勒的e-Corner智能转向驱动模块（图15）可为四个车轮提供驱动力，采用四轮独立转向机构。使用e-Corner模块的Schaeffler Mover，在正常行驶模式下，车轮模块的最大转向角限定为45°，在停车模式下可调整为90°。此时，车辆可实现横向行驶。通过集成轮毂电机，Mover还将获得更多可用的车身空间。

图15 舍弗勒e-Corner模块[11]

5 轮毂电机未来发展趋势

5.1 小型化

电驱动系统小型化最前沿的技术就是直驱轮毂电机，但将电机及逆变器布置于轮辋中，尺寸仍然受到很大限制。SiC（碳化硅）功率器件与现有车载逆变器中使用的Si功率器件相比，逆变器的功率损耗可以显著降低50%以下，进而发热量减少，由此可以减小逆变器尺寸。SiC功率器件的应用有利于提升轮毂电机与逆变器集成度，减小结构尺寸。

5.2 轻量化

与集中式驱动构型相比，分布式驱动的轮毂电机增加了簧下质量，在崎岖路面上平顺性降低是不可避免的。英国Alvant公司正在研发AMC材料作为转子的轮毂电机，转子质量将减小40%，以便减小簧下质量，轮毂电机轻量化设计势在必行。

5.3 低转速和高功率密度

车辆起动和爬坡时需直驱轮毂电机具有低转速、大扭矩特性，然而，由于轮毂电机系统布置于轮辋内，其轴向及径向尺寸受限，容易导致其输出功率有限，无法保证性能需求。提高轮毂电机功率密度有利于其在小型乘用车上的应用。

6 结束语

使用轮毂电机的分布式驱动构型，有利于底盘电动化、轻量化，提高车辆驱动效率，行驶灵活性，稳定性及可控性。此外，由于轮毂电机布置于车轮内，工作的环境恶劣，面临水和异物多方面影响，耐久性不好保证，同时，还存在高速振动和噪声方面问题需要解决，在密封方面也有极高的要求。总之，轮毂电机驱动具有很多优势，随着电机系统和应用技术研究的不断深入，分布式轮毂电机驱动将成为新能源汽车发展的一个重要趋势。