乘用車輪轂電機應用技術綜述

于長虹 張春才 李大鵬 劉赫 張尚明 劉昊齊

（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：新能源汽車 一體化電動底盤 輪轂電機 分布式驅動

1 前言

輪轂電機技術已有百年歷史，在國防軍工、航天等特種裝備方面已獲得廣泛應用。隨著輪轂電機應用于電動自行車及商用車，輪轂電機技術正式進入民用領域并迅速普及。2020年11月，國務院辦公廳發布《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，在技術創新部分正式提出電動汽車底盤一體化設計及集成攻關。輪轂電機技術使一體化電動底盤具有更高的集成度，更多的運動軌跡，以及更廣的應用場景，同時，在降重及空間利用率上也具有一定優勢。

本文對輪轂電機研究領域的文獻進行綜述，對輪轂電機在乘用車上應用的研究成果進行分析，闡明其發展歷史、應用現狀，揭示其應用的關鍵問題，并對輪轂電機技術的未來發展提出建議及展望。

2 輪轂電機發展歷史與應用現狀

2.1 輪轂電機發展史

20世紀50年代初，美國人Robert便發明了電動汽車輪轂電機，并申請了專利，其將電動機、傳動系統和制動器濃縮到輪轂機構。日本也從1991年開始涉足輪轂電機研發領域，但從產業層面來看，歐美公司占據主導地位，如荷蘭e-Traction、美國Protean、歐洲Elaphe，都先后有系列產品誕生。Protean electric早在2010年便推出了應用在普通乘用車上的輪轂電機技術。而國內則從2010年才開始研發輪轂電機技術，各大汽車零部件廠商開始通過并購方式引入國外先進技術，如泰特機電、萬安科技、亞太股份分別投資了e-Traction、Protean、Elaphe。

2.2 輪轂電機應用現狀

輪轂電機應用于汽車的歷史悠久。早在1900，費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）就嘗試把電機裝到車輪上，并首次制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車Lohner Porsche。近年來，國內外多家主機廠及機構對輪轂電機在汽車上的應用展開研究。日系廠商研究開展較早，目前處于領先地位。1998年起，豐田汽車對輪轂電機的應用技術進行了3個發展階段的應用研究，見圖1。此外，包括福特、通用在內的國際汽車巨頭也都對該應用技術有所涉足。國內乘用車輪轂電機應用技術研究起步較晚，但近年來隨著國家政策的指引，各高級院校加大了研究投入，汽車主機廠及零部件廠商也紛紛參與輪轂電機技術應用的研究。2011年上海車展，奇瑞新能源展示了搭載輪轂電機的瑞麒X1-EV電動汽車，中國一汽、東風、廣汽等車企也在穩步推進輪轂電機應用技術。

圖1 豐田輪轂電機開發歷程[4]

2.3 一體化電動底盤

隨著全球5G商業化時代來臨，汽車行業正迎來新一輪的變革。在新的變革中，作為眾多前沿技術的落地場景，汽車也被重新定義：它不僅僅是交通工具，更是承載人們多重需求的移動空間，是生活場景的一個個縮影，如醫療、休閑、娛樂、工作、物流、快遞，等等，這些前沿技術將打破空間的束縛。中國一汽紅旗開發了HEi 2.0智能化底盤概念平臺（圖2），通過PTC（動力總成與底盤集成）、CTC（動力電池與底盤集成）、CTI（動力與底盤域控制集成）集成技術，HEi 2.0智能化底盤可實現平臺零部件大幅減少，空間利用率提升，質量降低，提高了通過性。隨著線控轉向及線控制動技術的應用，分布式驅動構型下的線控底盤可以實現車輪大角度轉角，甚至360°轉角成為可能，可輕易實現蟹行、斜行、原地旋轉的運動模式。使用輪轂電機的分布式一體化電動底盤突破了傳統的集中式驅動構型，可實現更高安全、更為清潔、更加快捷和全場景的便利使用。

圖2 中國一汽紅旗HEi 2.0智能化底盤平臺

3 輪轂電機應用的關鍵問題

3.1 非簧載質量增大對平順性的影響

簧載質量是評價車輛平順性的一項重要參數。Riley研究表明，非簧載質量不應超過簧載質量的20%。大多數關于懸架系統的研究都是針對非輪轂電機直驅車輛進行的，沒有對因為使用輪轂電機而增加的非簧載質量的車輛做過真正的研究。

Schalkwyk等在理論上研究了簧載質量向非簧載質量轉移產生的影響，并對仿真結果進行了比較（圖3）。由圖3可見，簧上載荷的變化對傳統車輛的固有頻率的影響很小，而對輪轂電機驅動車輛的固有頻率會發生顯著的變化。這意味著由于簧上載荷的變化，輪轂電機驅動的車輛會比傳統車輛有更大的行駛響應變化。然而，這2種車輛的固有頻率保持在1~3 Hz的范圍內，研究結果表明固有頻率在0.5~1 Hz之間時，人患暈動病的幾率很高。人的頭部和頸部對18~20 Hz之間的振動頻率特別敏感。身體的腹部區域對5~7 Hz之間的振動頻率很敏感。設計中，固有頻率高于3 Hz的振動系統是需要躲避的區域，而接近1.5 Hz時是人比較舒適的區域。使用輪轂電機驅動的車輛固有頻率，應在駕駛員可接受的舒適性范圍內。同時，在通過優化設計及質量分配后，可以進一步提高車輛的舒適性。

圖3 2種驅動形式車輛固有頻率對比

Martyn Anderson等人采用福特福克斯2007年度車型，通過主觀評價方法對輪轂電機車輛和傳統車輛進行對比。傳統車輛上每個車輪均裝載額外30 kg的質量，用于模擬簧下質量輪轂電機，30 kg質量分布方式在大體上反映了Protean的PD18產品，車輛未作任何其他變化。主觀評價結果使用蜘蛛圖表示（圖4）。評價結果顯示，簧下質量增加的車輛在整體平順性上達到市場上常見的6～8分的一般舒適性水平，僅略低于傳統車輛。通過彈性件的調校，整體舒適性還有進一步提升的可能。

圖4 基礎車和改裝車平順性主觀評價結果[10]

3.2 應用于后非獨立懸架（或半獨立懸架）的問題

不同于乘用車前懸架多使用獨立懸架，后軸采用非獨立懸架（或半獨立懸架）是中小型乘用車常用的懸架形式，具有布置簡單，簧下質量低的優點。輪轂電機應用于后扭轉梁懸架時，驅動時容易出現車身明顯抬升現象。與傳統車使用驅動半軸作用于輪心處不同，輪轂電機驅動力作用于輪胎與地面接觸點（圖5，圖6）。電機驅動扭矩在接地點處產生繞縱臂鉸鏈點的反力矩，由此產生對鉸鏈處的抬升作用，使得在驅動時，后懸架有明顯的抬升現象。后扭轉梁懸架對車身抬升效果影響因子如表1所示

圖5 傳統車輛驅動力作用點

圖6 輪轂電機車輛驅動力作用點

表1 后扭轉梁懸架對車身抬升效果影響因子

3.3 非簧載質量增大對輪轂的影響

輪轂是用于承載車輛與輪胎之間硬性轉動慣量的部件，是車輛自重及沖擊載荷的主要承擔者。其自身質量、結構強度及可靠性直接影響著車輛的安全性、制動性及操縱穩定性。使用輪轂電機驅動的車輛簧下質量增加導致車輛垂向載荷增加，需要對輪轂結構件進行額外的強化設計。Schalkwyk等人在對傳統車輛及輪轂電機驅動車輛進行的跌落試驗對比時發現（圖7），由于輪轂電機車輛簧下質量增加，跌落時輪胎產生更大的變形，特別是低高寬比的輪胎，容成輪輞損壞。

圖7 2種驅動形式車輛簧下質量階躍響應[9]

4 輪轂電機應用的關鍵技術

4.1 輪轂電機與底盤集成技術

由于車輪內外空間有限，輪轂電機布置受懸架、轉向運動件包絡及制動性能限制。輪轂電機占用輪內空間較大，轉向節與輪轂電機連接，導致底盤硬點設計空間減小，性能調校難度增大，需綜合輪轂電機矢量控制特性進行操穩性能計算。制動方面，可將盤式或鼓式制動器與輪轂電機進行一體化設計。以滿足對制動性能及布置方面的要求。

Protean與萬安科技合作開發出應用于外轉子輪轂電機的摩擦制動組件（圖8），創新的采用了內卡鉗式環形制動盤，并集成安裝在電機殼體外，摩擦制動產生的熱量與電機隔絕，通風效果好，避免因制動盤溫度過高引起電機永磁體退磁。

圖8 Protean外轉子輪轂電機集成盤式制動器[10]

舍弗勒輪轂電機提出了包含輪轂軸承、內轉子電機、行星減速機構、鼓式制動器和冷卻系統在內的關鍵零部件的集成方案（圖9）。

圖9 舍弗勒內轉子輪轂電機集成鼓式制動器[11]

4.2 分布式驅動控制技術

使用輪轂電機的分布式驅動車輛具有單個車輪獨立可控的特性，在穩定性控制、主動安全性方面相對于集中式驅動構型具有顯著的優勢。通過輪轂電機驅動或制動扭矩控制，可實現TCS和DTC功能；根據前后軸扭矩分配和左右輪扭矩分配，可實現扭矩矢量控制功能，包括附著率優化、效率優化和橫擺控制功能。

中國一汽基于紅旗某集中式純電動四驅車型（圖10），對懸架、轉向、制動、冷卻系統進行適應性更改，完成輪轂電機四驅電動樣車改制，進行分布式扭矩分配控制技術研究。其測試結果表明，在驅動防滑控制及橫擺控制方面，使用輪轂電機的分布式驅動構型相對集中式驅動構型有更好的表現。

圖10 紅旗某輪轂電機改制車型

通過低速全油門起步加速、對開和對接工況全油門加速實車測試（圖11），測試結果顯示中國一汽開發的驅動防滑控制功能可顯著提升車輛在濕滑路面的行駛穩定性，滿足驅動防滑控制指標要求。此外，分布式驅動防滑控制功能試驗結果優于改制前的集中式構型車輛。

圖11 中國一汽紅旗某輪轂電機改制車型驅動防滑測試[13]

在實車橫擺控制測試中，分布式四驅橫擺控制功能可提升車輛橫擺率響應時間0.02 s，諧振峰頻率提升0.1 Hz，改善車輛過多/不足轉向特性，在實車雙移線工況測試中可提高通過車速10%，蛇行測試（圖12）中可提高車速15%，因此，中國一汽開發的橫擺功能顯著提升車輛橫擺響應性和穩定性能。

圖12 中國一汽紅旗某輪轂電機改制車型橫擺控制測試[14]

4.3 車輪大轉角技術

車輛最小轉彎半徑反映了汽車通過最小曲率半徑彎曲道路的能力和在狹窄路面上調頭行駛的能力，最小轉彎半徑越小，表明汽車的機動性能越好。輪轂電機的使用取消了傳動系統，避免了驅動半軸對車輪轉角的約束，車輛可輕易實現大角度轉彎。同時，通過各車輪獨立轉角控制，可以完成橫向行駛、斜向行駛、原地旋轉、繞單輪旋轉的多種特殊轉向工況，增加汽車靈活性，如圖13所示。

圖13 多種轉向功能

創新的線控動力轉向執行機構使用四輪獨立轉向電機及減速機構，顛覆了傳統轉向梯形結構，使車輪可以進行獨立的大角度轉角。

Protean在其PD18輪轂電機技術的基礎之上，開發了可進行360°轉向的Protean360+輪邊角模塊（圖14），該模塊集成了懸架系統、轉向系統、制動系統以和輪轂電機。獨立的轉向電機和減速機構使該輪邊模塊可進行360°轉角，能夠使車輛在相對狹窄的空間里，順利完成轉彎、停車入位的動作。

圖14 Protean 360+輪邊角模塊[10]

舍弗勒的e-Corner智能轉向驅動模塊（圖15）可為四個車輪提供驅動力，采用四輪獨立轉向機構。使用e-Corner模塊的Schaeffler Mover，在正常行駛模式下，車輪模塊的最大轉向角限定為45°，在停車模式下可調整為90°。此時，車輛可實現橫向行駛。通過集成輪轂電機，Mover還將獲得更多可用的車身空間。

圖15 舍弗勒e-Corner模塊[11]

5 輪轂電機未來發展趨勢

5.1 小型化

電驅動系統小型化最前沿的技術就是直驅輪轂電機，但將電機及逆變器布置于輪輞中，尺寸仍然受到很大限制。SiC（碳化硅）功率器件與現有車載逆變器中使用的Si功率器件相比，逆變器的功率損耗可以顯著降低50%以下，進而發熱量減少，由此可以減小逆變器尺寸。SiC功率器件的應用有利于提升輪轂電機與逆變器集成度，減小結構尺寸。

5.2 輕量化

與集中式驅動構型相比，分布式驅動的輪轂電機增加了簧下質量，在崎嶇路面上平順性降低是不可避免的。英國Alvant公司正在研發AMC材料作為轉子的輪轂電機，轉子質量將減小40%，以便減小簧下質量，輪轂電機輕量化設計勢在必行。

5.3 低轉速和高功率密度

車輛起動和爬坡時需直驅輪轂電機具有低轉速、大扭矩特性，然而，由于輪轂電機系統布置于輪輞內，其軸向及徑向尺寸受限，容易導致其輸出功率有限，無法保證性能需求。提高輪轂電機功率密度有利于其在小型乘用車上的應用。

6 結束語

使用輪轂電機的分布式驅動構型，有利于底盤電動化、輕量化，提高車輛驅動效率，行駛靈活性，穩定性及可控性。此外，由于輪轂電機布置于車輪內，工作的環境惡劣，面臨水和異物多方面影響，耐久性不好保證，同時，還存在高速振動和噪聲方面問題需要解決，在密封方面也有極高的要求。總之，輪轂電機驅動具有很多優勢，隨著電機系統和應用技術研究的不斷深入，分布式輪轂電機驅動將成為新能源汽車發展的一個重要趨勢。