輪轂電機在電動汽車上的應用研究

洪 兢，譚 夢，張 雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 引言

當今，發展新能源產業和低碳經濟有利于社會的可持續發展，傳統汽車工業逐步向電動汽車產業轉型勢在必行，純電驅動化是汽車的未來發展趨勢。作為電動汽車三大關鍵核心技術之一，驅動電機技術及其應用水平的提升，將在電動汽車的發展過程中發揮重要作用[1]。

相對于常見的中央布置式驅動電機，輪轂電機設計安裝在車輪的輪輞內，輸出扭矩直接傳輸到車輪，是一種全新的電動汽車驅動形式。與傳統電機相比，輪轂電機具有以下優點[2]：

（1）輪轂電機安裝在車輪內部，直接驅動車輪，省略了傳統的變/減速器、差速器、傳動軸等機械傳動部件，提高了傳動效率，降低了機械噪聲；

（2）采用輪轂電機使得汽車整體結構大為簡化，提高了車內空間的利用率，在不影響乘員乘坐空間的情況下，釋放更多的空間用于布置動力電池，以增加電動汽車的續駛里程；

（3）安裝輪轂電機的各驅動輪的驅動力獨立可控，使得整車的動力學控制更為靈活，方便地實現底盤系統的電子化和智能化，如差速、防滑、電制動及輔助轉向等功能；

（4）安裝輪轂電機只需對懸架安裝部分稍作改動，而不需對整車結構進行大改，甚至不需改變原車的動力總成系統，即可方便地實現原車的電動化。

可見，輪轂電機的應用改變了汽車傳統的驅動方式，具有不可替代的特點與優勢，必將在電動汽車上得到廣泛應用。

1 輪轂電機在電動汽車上的應用研究

2010年12月廣州車展上，廣汽集團首次展出了輪轂電機驅動的純電動傳祺轎車。該車為后輪驅動，采用了世界領先水平的新型輪轂電機，具有結構緊湊、集成度高、重量輕、扭矩大等特點。整車動力強勁，實現零排放，續駛里程長，并保持了傳祺轎車寬敞的駕乘空間與行李箱容積。2012 年6 月，筆者所在單位在原有展車的基礎上進行了設計改進，開展了第二代純電傳祺轎車的開發工作。

本文結合單位開展的采用新型輪轂電機的純電動轎車的開發和試驗工作，對輪轂電機在電動汽車上的應用進行研究。

1.1 輪轂電機的結構

純電傳祺轎車所采用的輪轂電機的驅動方式為外轉子直接驅動，電機定子、轉子以及逆變器集成為一體，由8 個邏輯上的子電機組成，使用共同的轉子，并通過算法實現各子電機的獨立、協同控制。這種“分布式”的結構可降低對每個子電機的功率要求，因此可以采用小體積、低成本的功率電子器件，使得整個電機可以集成得非常緊湊；而通過對8 個子電機進行合理的協同控制，可將各子電機輸出的功率、扭矩進行疊加，實現整個電機強勁的驅動力；同時，若其中1 個子電機發生故障，其他的電機仍可以繼續正常工作，而不會導致汽車直接拋錨。

該輪轂電機的結構如圖1 所示，由轉子、軸承、定子、功率與控制電子模塊以及密封背板等部分組成。

圖1 輪轂電機的結構

（1）轉子：轉子內圈鑲嵌有永磁體，共64極。

（2）軸承：軸承內端與定子以及車輛懸架軸節連接，外端與轉子以及輪輞連接。軸承可直接采用與原車匹配的軸承，僅需對轉子及定子上與軸承配合的安裝孔的位置稍作修改即可，電機的主體結構完全不變。這使得該輪轂電機可以方便地實現模塊化與通用化，降低生產成本。另一方面，由于采用了原車的軸承，懸掛軸節也幾乎不需做任何改動即可安裝，降低了汽車電動化的難度。

（3）定子：定子本體為環形中空結構，鑄造一次成型，線圈繞組安裝在定子本體的外圈；定子本體中空部分為電機的冷卻水道，為繞組以及功率電子模塊散熱。

（4）功率與控制電子模塊：此部分為整個輪轂電機的核心，負責各個子電機的逆變功能以及協同控制。得益于“分布式”子電機結構，功率電子模塊可以做得非常緊湊，整個模塊封裝在一個環形盒中，安裝在定子本體內側。

（5）密封后蓋：在外圈與轉子連接，隨轉子一起旋轉。后蓋內圈裝有環形密封膠圈，防止外界的水和雜物進入定子與轉子之間的縫隙。

該輪轂電機的主要技術參數如表1所示。

表1 輪轂電機的主要技術參數

1.2 機械制動器的集成

輪轂電機安裝在驅動輪的輪轂內，占據了原來布置機械制動卡鉗與制動盤的空間，導致無法沿用原有的機械制動器。若僅靠輪轂電機的電回饋制動，存在制動力不足、電池SOC 高時無法實現電回饋制動、制動可靠性較低等問題。汽車的制動能力是關系到人車安全的重要問題，因此必須在輪轂電機上集成比較成熟的機械制動器。

輪轂電機集成機械制動器的解決方案如圖2所示。與傳統制動器內制動盤外卡鉗式的結構不同，外轉子式輪轂電機中間的定子部分不隨車輪轉動，無法安裝傳統的制動盤，因此采用了內卡鉗外環式制動盤的結構。機械制動器主要由連接環、環形制動盤、制動卡鉗及支架等幾部分組成。環形制動盤通過連接環與電機轉子固定，連接環除了起連接作用外，還對環形制動盤起到隔熱的作用，避免所產生的制動熱量過多地影響電機本體。制動卡鉗分為行車制動卡鉗與駐車卡鉗兩個，通過支架固定在電機定子上，所用的制動油管和駐車拉索結構與原車完全一致，只需根據情況對長度稍作修改。

通過仿真及試驗，表明該制動器可提供達1 000 N·m的機械制動力矩，同時環形制動盤的溫升保持在合理的范圍內。

圖2 輪轂電機集成機械制動

1.3 輪轂電機在車上的安裝

由于輪轂電機直接采用了原車所用的第三代輪轂軸承，因此輪轂電機可以與原車懸架軸節直接配合安裝而不需要對原車的懸架結構進行改動，只需將軸節上原來用于安裝傳統機械制動器的羊角通過機加工切除即可。軸節與輪轂電機的固定如圖3 所示，安裝完成的輪轂電機與原車懸架的關系如圖4所示。

圖3 軸節與輪轂電機的連接固定

1.4 純電動傳祺整車的開發

采用輪轂電機驅動的純電動傳祺轎車在廣汽自主品牌“傳祺”轎車平臺上進行開發，拆除了發動機、變速箱、燃油箱、排氣管等傳統動力系統零部件，安裝了動力電池、輪轂電機、DC/DC、車載充電機以及小三電（電動空調、電動轉向、電動真空泵）等電動化零部件。整車動力系統架構拓撲關系如圖5所示。

圖4 輪轂電機安裝完成的懸架狀態

圖5 整車動力系統架構拓撲圖

得益于輪轂電機不需占用發動機艙的優勢，純電傳祺在發動機艙布置了動力電池包，加上原車燃油箱位置的電池包以及后備箱電池包，三個電池包總能量達31 kWh，保證了單次充電的續航里程。三箱電池的布置情況如圖6所示。

圖6 三箱動力電池的布置情況

純電傳祺的整車主要參數如表2 所示?？梢钥闯觯b載輪轂電機的純電傳祺轎車的動力性能十分優越，0～100 km/h 的加速時間少于10 s；單次充電最大續駛里程超過200 km，優于絕大多數同類電動車型，完全可以滿足日常用車的要求。

2 輪轂電機的應用仍存在的問題

與傳統的中央布置式驅動電機相比，輪轂電機有其不可比擬的優勢。然而，現階段輪轂電機在電動汽車上的應用仍存在一些技術問題。

表2 純電傳祺轎車整車主要參數

（1）結構復雜。輪轂電機具有結構緊湊，集成度高的優點，但同時卻帶來了結構復雜、可靠性差、維修難度大等問題，使用的維保成本較高。

（2）工作環境惡劣。輪轂電機安裝在汽車輪輞內部，在汽車行駛過程中，將直接受到地面的振動沖擊，以及路面的泥水砂石的飛濺，工作環境十分惡劣，如何提高電機的抗沖擊能力以及密封性能，需要經過長期的試驗驗證以及不斷的技術改進。

（3）機械制動的集成。目前輪轂電機已有了機械制動的集成方案，但該方案并不成熟，所采用的環形制動盤制制動力臂大，摩擦片制動面積小，存在易變形、抖動大、發熱量大等問題，其制動能力及可靠性仍有待驗證。

（4）簧下質量的增加。輪轂電機安裝在汽車輪轂內部，導致了汽車簧下質量的大幅增加，這將影響整車的平順性以及操穩性，需要對汽車的懸掛系統參數進行針對性的改動。

3 總結

與傳統電機相比，輪轂電機具有結構緊湊、集成度高、性能優異等優點，在電動汽車上的應用是一種全新驅動方式的應用，使得整車性能更為優異，空間更為充裕、布置更為自由、控制更為自由。但其應用仍存在若干亟需解決的關鍵技術問題，若能取得突破，將擁有廣闊的應用前景。

［1］韋萍.輪轂電機技術在新能源汽車上的應用分析［J］.汽車零部件，2012（6）：105-107.

［2］李周清.外轉子永磁輪轂電機的設計研究［J］.機電工程技術，2012，41（3）：1-6.