新能源電動汽車用輪轂電機關鍵技術綜述*

黃書榮，邢棟，徐偉

(1. 廣東電網有限責任公司佛山供電局，佛山 528000; 2. 華中科技大學，武漢 430074)

新能源電動汽車用輪轂電機關鍵技術綜述*

黃書榮1，邢棟2，徐偉2

(1. 廣東電網有限責任公司佛山供電局，佛山 528000; 2. 華中科技大學，武漢 430074)

本文首先介紹了輪轂電機驅動電動汽車與傳統結構電動車的異同點，總結出關鍵技術的優缺點。然后，論文著重論述了不同種類輪轂電機的技術特點、發展現狀、存在問題等。最后，文章分析和預測了未來輪轂電機的發展趨勢和潛在的市場價值。

電動汽車；輪轂電機；發展現狀；發展趨勢

0 引言

隨著煤、石油、天然氣等化石能源的不斷消耗和環境狀況的不斷惡化，無污染，噪聲低且不依賴化石能源的電動汽車逐漸成為汽車行業重要的發展趨勢。近年來，世界各國紛紛將電動汽車作為科研攻關的熱點。在電動汽車的各種驅動方式中，輪轂電機驅動方式因其傳輸效率高、控制靈活等獨到的優點，逐漸受到業內人士的青睞，未來發展空間巨大[1-2]。

1 各種電動汽車驅動方式及特點

傳統內燃機汽車的驅動系統由發動機-變速器-傳動軸-差速器-車輪等部件構成。發動機體積龐大、笨重，噪聲很大，消耗汽油、柴油、天然氣等化石能源，加劇環境污染；復雜的機械傳動系統導致能源利用效率降低，底盤結構復雜，減少了汽車的乘用空間[3]。

電動汽車按照驅動方式的不同，分為集中電機驅動、輪邊電機驅動和輪轂電機驅動。其中集中電機驅動電動汽車由內燃機汽車直接演變而來，即用電動機直接取代或輔助內燃機，其他部件基本不變，在技術上相對簡單。但是由于這種方式沒有改變原有的機械傳動系統，不必要的能源損耗依然非常可觀，再加上現有的電池容量有限，汽車的續航里程將受到顯著影響。另外，由于電動機不便帶動液壓泵等輔助裝置，會給汽車的制動帶來麻煩。綜上原因，現在的電動汽車基本上不采用集中電機驅動，而采后兩種驅動方式。

輪邊電機驅動是指電動機與固定速比減速器制成一體安裝在車架上，減速器的輸出軸通過萬向節與車輪半軸相連，從而驅動車輪。由于技術上比較簡單，輪邊電機驅動在目前的電動汽車中有廣泛的應用，其中電動汽車領跑者Tesla的唯一一款在售車型Model S采用的就是輪邊電機驅動方式。

輪轂電機(又叫電動輪)驅動方式是將動力、傳動以及制動裝置全部整合在輪轂內，這樣就省去了離合器、變速器、傳動軸、差速器等大量機械部件，使車輛結構大為簡化，車輛噪聲極低，整車質量減輕，不僅提高了能源利用效率，增加了汽車的乘用空間，也為實現底盤系統的電子化、智能化提供了保證。輪轂電機驅動系統布置非常靈活，在同樣功率需求的情況下可采用多電動輪驅動的形式，將功率分配給多個電動機從而降低電氣和機械傳動部件的要求。輪轂電機驅動只需通過控制系統控制電機就可以完成對車輪驅動力的控制，電動機轉矩響應快，使用全輪驅動和驅動輪單獨控制的措施，可以最大限度的利用地面的附著能力，同時還可以提高車輛的離地間隙，從而提高越野車輛的通過性能。輪轂電機驅動便于采用線控四輪轉向技術，有效減小轉向半徑，甚至實現零半徑轉向，提高轉向性能。另外，輪轂電機驅動系統可實現再生制動功能，提高能源利用效率，有效提高汽車的續航里程。但輪轂電機的采用必將增加非簧載質量，進而影響車輛運行的平穩性和可操縱性，另外由于輪轂電機工作環境極其惡劣，需要經受震動、涉水、高溫等極端工況的考驗，所以對技術水平和生產工藝都提出了近乎嚴苛的要求。由于以上特點，輪轂電機被視為電動汽車的最終驅動方式，也是現階段電動汽車研究的熱點和難點之一[3]。

2 輪轂電機的驅動方式

輪轂電機按照驅動方式又可分為減速驅動和直接驅動兩種方式。

減速驅動時，電機多采用內轉子形式，一般運行在高速狀態，減速裝置放在電機和車輪之間，起到減速和提升轉矩的作用。其中，減速裝置可以是傳統的行星齒輪機械減速方式，也可以是磁齒輪減速方式[4]。減速驅動的優點是：電機運行在高轉速下，具有較高的比功率和效率；體積小，在低速運行狀態下可以提供較大的平穩轉矩，爬坡性能好。缺點是：對于機械齒輪減速方式，故障率高，齒輪磨損快，壽命短，不易散熱，噪聲較大；對于磁齒輪減速方式，目前由于技術尚不成熟，制造困難，運行可靠性較低。減速驅動方式適用于過載能力較大的場合。采用減速驅動方式的輪轂電機如圖1(a)所示。

直接驅動時，電機多采用外轉子形式。其優點主要有：不需要減速機構，動態響應快，效率進一步提高，軸向尺寸減小，整個驅動輪更加簡單、緊湊，維護費用低。缺點是：體積和質量較大，成本高；高轉矩下的大電流容易損壞電池和永磁體；電機效率峰值區域減小，負載電流超過一定值后效率急劇下降[5-6]。直接驅動方式適用于負載較輕，一般不會出現過載情況的場合下。采用直接驅動方式的輪轂電機如圖1(b)所示。

圖1 兩種驅動方式的輪轂電機

3 不同種類輪轂電機的技術特點

為滿足電動汽車的工作要求，驅動電機應具有以下特點：在恒轉矩區具有高轉矩、低轉速，在恒功率區具有高轉速、低轉矩；具有較寬的調速范圍，較高轉矩密度，足夠大的啟動扭矩；體積小、重量輕；效率高，具有強動態制動及能量回饋特性等。常見的直流電機、異步電機、永磁無刷直流電機、永磁同步電機、開關磁阻電機、橫向磁通電機都可以作為輪轂電機。各種電機具有不同的技術特點，下面分別介紹。

3.1 直流電機

直流電機控制簡單，控制技術成熟，一般通過電樞控制和弱磁控制來控制轉速，為滿足電動汽車運行要求，通常在恒轉矩區采用電樞控制以得到較大的平穩轉矩，在恒功率區采用弱磁控制以得到較高轉速。但直流電機利用電刷實現機械換向，電刷磨損很快，需要經常維護，換向火花的存在限制了電機的高速運行，且電機體積大，制造成本高[7]。所以新研制的輪轂電機大都不采用直流電機。

3.2 異步電機

異步電機結構簡單，堅固耐用，成本低廉，運行可靠，轉矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉速極限高[15]。但是異步電機也存在諸多問題，比如轉差率的存在使調速性能較差；驅動電路復雜，成本高；相對永磁機而言，效率和功率密度偏低。所以不太適用于電動汽車的輪轂電機。

3.3 永磁無刷直流電機

永磁無刷直流電動機利用電子換向器代替直流電機的機械換向器，通過電子換向裝置產生正負交變的平頂波驅動電機旋轉，調速性能和直流電機類似，運行可靠，維護方便，沒有勵磁損耗，效率和功率密度都較高[8,16]。因此，永磁無刷直流電機已經成為電動汽車輪轂電機的主流電機。

3.4 永磁同步電機

永磁同步電機在結構上與永磁無刷直流電機類似，只是它通過正弦波驅動。根據轉子上永磁體安裝方式的不同，一般可以分為表面式和內置式，其中表面式適用于低速電機，內置式適用于高速電機。相對于無刷直流電機，永磁同步電機具有低噪聲，大功率密度，小轉動慣量，高控制精度等優勢，并且可以實現弱磁調速，提高恒功率運行的范圍[9-10]，特別適合作為電動汽車用輪轂電機。

永磁同步電機基于三相交流電供電工作，其數學模型比較復雜，控制方法也非常復雜。常用的控制方法有矢量控制和直接轉矩控制[12-16]。

3.5 開關磁阻電機

開關磁阻電機近年來發展成為輪轂電機，其定子和轉子均采用凸極結構。定轉子極數不相同，主要有兩種組合形式：定子6極，轉子4極的三相開關磁阻電機和定子8極，轉子6極的四相開關磁阻電機。開關磁阻電機的轉子上既沒有繞組也沒有永磁體，只在定子上裝有集中勵磁繞組，由變頻電源為定子集中勵磁繞組提供交變電流使其工作在開關模式下。開關磁阻電機功率裝換效率很高，功率密度大，啟動電流小，結構簡單，且調速范圍寬，控制簡單，在輪轂電機家族中具有很強的競爭力。但是由于電機運行在開關模式下，電流波動大，會產生較大的噪聲和振動，為保證其正常工作需要安裝電流檢測器和位置檢測器[11-12]。

3.6 橫向磁通電機

橫向磁通電機相對于其他種類的電機有許多突出的優勢：實現了電路和磁路的解耦，設計自由度大大提高；效率和轉矩密度特別高，適合運行在低轉速、大轉矩的場合下；繞組形式簡單，不存在傳統電機繞組的端部；各相之間相互獨立；驅動電路和永磁無刷直流電機相同，可控性好。但其也存在許多缺點：永磁體數目多，用量大；結構復雜，工藝要求高，成本高；漏磁嚴重；功率因數低；自定位轉矩較大等[13-14]。

4 國內外輪轂電機的發展現狀

20世紀50年代，美國人羅伯特最早發明了集電動機、減速機構、制動機構于一體的輪轂裝置，1968年通用電氣公司將其推廣應用到大型礦山運輸車輛上。

目前，日本在輪轂電機領域占據領先地位：自1991年開始，日本慶應義塾大學的清水浩教授帶領其研究團隊陸續研制出了IZA、ECO、KAZ等電動汽車。其中，IZA電動汽車由4個外轉子式永磁同步電機驅動，額定功率為6.8kW，峰值功率達到25kW，最高車速為176km/h。ECO電動汽車由兩個永磁無刷直流輪轂電機后置驅動，并配以行星齒輪減速機構，額定功率為6.8kW，峰值功率為20kW。KAZ電動汽車采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅動，峰值功率達到55kW，最高車速達到驚人的311km/h，0～100km/h加速時間為8s。2003年，普利司通公司在東京車展上展示了獨立開發的輪轂電機與專用地滾動阻力輪胎匹配的動態吸振型電動輪，輪內采用外轉子永磁同步電機。2011年3月，清水浩教授組建的“SIM-DRIVE”公司對外宣布，該公司研發的輪轂電機電動汽車性能及功率已達到世界最高水平，1號試驗車“SIM-LEI”一次充電的續航里程可達333km，0～100km/h加速時間為4.8s，最高時速可達150km/h[7]。豐田汽車推出的普銳斯混合動力汽車以及其他概念車多采用輪邊電機驅動。

圖2 米其林主動輪系統

2003年，通用汽車將輪轂電機成功應用到雪佛蘭S-10皮卡車上，該電機給車輪增加的重量約為15kg，電機功率約為25kW，產生的扭矩比普通雪佛蘭S-10皮卡車高出60%。2005年通用汽車推出的燃料電池汽車后輪采用輪轂電機驅動，前輪則采用集中單電機驅動，電機總功率達110kW，續航里程達500km。有消息稱，Tesla的下一代電動汽車也可能采用輪轂電機技術[17]。

法國TM4公司設計的輪轂電機采用外轉子式永磁電動機，將電動機外殼集成為鼓式制動器的制動鼓作為車輪的組成部分，集成化設計程度非常高，額定功率為18.5kW，峰值功率達80kW，額定轉速為950r/min，最高轉速為1385r/min。額定工況下的平均效率可達96.3%。2008年巴黎車展上Venturi公司研發的概念版四輪驅動跑車“Venturi Volage”使用了米其林公司的輪轂電機(如圖2所示)。除此之外，德國的西門子公司、舍弗勒公司都推出了自己的輪轂電機技術。

2009年法蘭克福車展上，第一輛純電能驅動的奧迪跑車e-tron與公眾見面，這款車配備四個獨立的輪轂電機實現四輪驅動，0～100km/h加速時間為4.8s，續航里程為248km[18]。寶馬公司的MINI COOPER采用四個PML公司生產的輪轂電機，動力源為小排量汽油發動機加電池和超級電容器，最高時速150km/h。0～60km/h加速時間為4.5s。

英國的Protean Electrics公司是一家專門生產輪轂電機的廠商，被稱為全球輪轂電機研發和商業化的領導者，其生產的ProteanDriveTM輪轂電機(如圖3所示)功率和扭矩分別可達75kW和1000N*m，而重量僅為31kg，可安裝在直徑為18～24英寸的常規車輪中，并且還有杰出的再生制動功能，在剎車過程中可回收高達85%的可用動能。Protean Electrics公司已與多家整車制造廠商開展合作，比如基于奔馳E級改裝的純電動和混合動力汽車就采用了該公司的輪轂電機[19]。

我國對輪轂電機技術的研究起步較晚，但隨著國家“863”計劃電動汽車重大專項課題的推進，各科研單位對該技術的研究不斷加強。同濟大學汽車工程學院分別在2002年、2003年和2004年研制的三代“春暉”系列電動汽車均采用了低速永磁無刷直流輪轂電機。比亞迪公司在2004年車展上展出的“ET”概念車也采用了四個功率為25kW的輪轂電機，最高時速165km，續航里程為350km。另外，清華大學、吉林大學、華中科技大學等高校也積極開展輪轂電機技術的研究并取得了一定成果[20]。

目前輪轂電機技術除在大型礦山運輸車上有廣泛應用外，在汽車領域的應用尚處于研究、試驗階段，技術尚不成熟，生產成本依然很高，在大規模推廣應用之前仍然有很長的一段路要走。

圖3 ProteanDriveTM輪轂電機

5 輪轂電機發展展望

下一階段，輪轂電機的研發將致力于以下幾個方面：一是提高調速范圍和轉矩的變化范圍，適應汽車在不同工況下的運行需求；二是提高功率密度和能源利用效率，降低電機重量；三是解決電動機在密封、冷卻和抗振方面的問題，提高運行可靠性。在基于不同電機類型的輪轂電機中，永磁電機由于其獨特的優勢將繼續得到更大的發展[5]。大型客車應用輪轂電機技術日趨增多，其車輪直徑較轎車更大，轉速更低，輪轂電機內部布置更為方便。隨著動力電池、電子控制系統和整車能源管理系統等相關技術的突破，輪轂電機技術必將在電動汽車上得到廣泛應用。另外，像諸如蘋果、谷歌、樂視等攪局者不斷加入電動汽車領域，也正在給汽車領域和輪轂電機的發展注入新的活力。

6 結論

輪轂電機結構緊湊，它顛覆了傳統汽車的動力系統，非常有利于整車布置。輪轂電機使車輛的動力分配和轉向變得非常靈活，可以大大改善汽車的運行性能。但是輪轂電機技術在汽車上的應用仍然面臨許多問題。輪轂電機的研究仍然被日本和西方發達國家所主導，我國在這一領域的研究還很有限，應該加大支持力度，廣泛開展國際合作，努力迎頭趕上。

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Overview of Key Techniques for In-wheel Motors of New Energy Electrical Vehicles

HUANG Shurong1, XING Dong2, XU Wei2
(1. Guangdong Power Grid Co. Ltd. Foshan Power Supply Bureau, 528000, China; 2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In this paper, the structure simarities and differences of in-wheel machines for electrical vehicles (EVs) and traditional configuration EVs are firstly introduced, ending up with a summary of the advantages and disadvantages of their key techniques. Secondly, the key technical characteristics of various in-wheel motors are highlighted, together with their present developing status and existing problems, etc. Finally, the future developing trend and potential market of in-wheel machines are analyzed and predicted.

electric vehicle; in-wheel machine; development state; development trend

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.05

國家自然科學基金(基金號61301035), 湖北省科技支撐計劃(基金號XYJ2014000314), 華中科技大學自主創新研究基金(基金號2014TS149)。

黃書榮, 高級工程師, 碩士, 研究方向: 新能源規劃; 邢棟, 學士, 研究方向: 電動汽車驅動電機的研究; 徐偉, 教授,博士生導師, 博士, 研究方向: 新型電機及驅動系統的研究。

黃書榮，邢棟，徐偉．新能源電動汽車用輪轂電機關鍵技術綜述[J]．新型工業化，2015，5(2)：27-32