純電動汽車輪轂電機直驅技術的研究綜述

尚樂，連晉毅，王俊峰，臧學辰，馬旭

（太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024）

引言

純電動汽車是以蓄電池為驅動能源，由電動機來驅動車輪行駛的車輛。直驅即直接驅動，是指除去機械傳動系統(tǒng)，用電機直接來驅動機器的運轉。采用輪轂電機直驅技術的電動汽車具有車身結構簡單和傳動效率高等優(yōu)點。本文將對輪轂電機直驅技術的特點、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢做一個分析介紹。

1 輪轂電機直驅技術的概念和特點

輪轂電機是一種將電動機、傳動裝置及制動裝置整合到車輪內的驅動系統(tǒng)，可用來驅動純電動汽車行駛。輪轂電機驅動系統(tǒng)可省去傳統(tǒng)的減速器和機械差速器，縮短驅動電機到車輪的傳遞路徑，進而提高車輛傳動效率。

輪轂電機驅動系統(tǒng)根據(jù)有無減速機構可分為減速驅動和直接驅動，其結構如圖1所示，特點對比見表1。

圖1 直接驅動型和減速驅動型輪轂電機結構Fig.1 Direct drive type and deceleration drive type inwheel motor structure

2 輪轂電機直驅技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

輪轂電機技術可追溯到1900年，當時保時捷公司研發(fā)出一款前輪裝有輪轂電機的電動汽車，而這一技術在 20世紀70年代被運用到了礦山運輸車等領域。日本最早將該技術應用到乘用車上，一些國際汽車巨頭和國內外大學對該技術也有了一定的研究及應用。

日本慶應義熟大學在 2004年研發(fā)了一款由八個輪轂電機獨立驅動的車輛“Ellica”[2]（圖2）。

表1 直接驅動型與減速驅動型輪轂電機的特點Tab.1 Direct drive type and deceleration drive type inwheel motor characteristics

圖2 八電動輪驅動車輛EllicaFig.2 Eight electric wheel drive vehicle Ellica

日本三菱公司在2005年研發(fā)了Colt EV電動汽車。該車采用兩臺峰值轉矩為600N·m的永磁交流電機作為動力裝置[3]。2006年，該公司通過將制動系統(tǒng)嵌入電機內部，開發(fā)出了Lancer Evolution MIEV概念車（圖3）。該車在開發(fā)設計過程中進行了結構優(yōu)化，提高了輪輞空間的使用效率。其采用的永磁同步電機峰值功率和峰值轉矩分別為 50kw和518N·m[4]。

圖3 三菱公司MIEV電動汽車及其輪毅電機Fig.3 Mitsubishi MIEV electric car and its in-wheel motor

標致公司在2004年的巴黎車展上推出了一款Quark概念車，采用了4個直流電動機進行獨立驅動，其驅動輪單邊驅動峰值轉矩為 102.2N·m。英國貝姆勒公司開發(fā)的基于無刷直流電機的分布式驅動電動汽車 MINIQED，其最高車速可達225km/h。

通用汽車公司于 2005年研發(fā)出一款輪轂電機驅動的氫燃料電池電動汽車Sequel，其前后軸分別采用集中式驅動和輪轂電機驅動方式，驅動功率峰值可達 110kw，經過實車測試，其續(xù)駛里程可達500km[5]。

2013年，福特汽車公司與舍弗勒公司以福特嘉年華轎車作為基礎聯(lián)合研發(fā)出一款eWheelDrive汽車。該車采用了后輪驅動的輪轂電機驅動形式，雙電機協(xié)同工作可以輸出最大為80kw的功率，具有優(yōu)異的加速性。

日本精工株式會社(NSK)于2017年初設計出一款新型輪轂電機，它是全球首個配有機械變速箱的輪轂電機（圖4）。它是由一個機械變速箱和兩個獨立電機組成的，機械變速箱包含有一對行星齒輪機構，由它輸出車輪的驅動轉矩。變速箱的換擋操作可通過控制兩個獨立電機的轉速和轉矩而變得十分順暢。此輪轂電機也可安裝在16英寸的車輪內[6]。

圖4 NSK的輪轂電機Fig4 NSK in-wheel motor

我國在輪轂電機直驅系統(tǒng)上的研發(fā)和制造方面起步較晚，隨著國家“863”計劃電動汽車重大課題的開展，各汽車廠商和高校對輪轂電機驅動系統(tǒng)的研究才有所加強。同濟大學汽車學院與上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司在 2002年研發(fā)了一款四輪電驅動燃料電池概念車——“春暉一號”，2003年又與建筑城規(guī)學院藝術設計系共同研發(fā)出“春暉二號”，這兩個電動汽車均采用了低速直驅永磁直流無刷輪轂電動機和盤式制動器。2004年，同濟大學自主研發(fā)了“春暉三號”（圖 5），其動力系統(tǒng)采用了鋰離子電池與燃料電池并聯(lián)的驅動方式，構成了電—電混合動力系統(tǒng)。

圖5 春暉三號Fig.5 Chunhui No.3

2011年，奇瑞公司推出了一款增程式純電動車——瑞麒X1-EV（圖 6）。其采用了輪轂電機四輪驅動，可分別獨立調節(jié)四個車輪的驅動力[7]。

圖6 瑞麒X1-EVFig.6 Ruiqi X1-EV

2017年5月24日，湖北泰特機電有限公司推出了其最新產品：輪轂電機和首輛運用輪轂電機直驅技術的客車(圖7)。電機采用外轉子形式，其效率比輪邊直驅系統(tǒng)高 10%，比中央直驅系統(tǒng)高13-16%。這款輪轂電機客車滿足大通道和低地板的設計，對乘客的上下車非常方便。

圖7 湖北泰特客車及輪轂電機Fig.7 Hubei Tate bus and in-wheel motor

此外，輪轂電機還廣泛的應用于其他類型的車輛或工具上。比如常見的電動摩托車、礦山自卸車、高爾夫場地車、軍工車輛、輪椅和滑板等，可謂前景廣闊。

3 輪轂電機直驅技術的研究近態(tài)

近年來，國內外對輪轂電機直驅技術的研究日益增多，部分成果如下所示：

文獻[8]，吉林大學的姚榮子等人基于永磁同步輪轂電機設計了一種改進型非線性控制系統(tǒng)，可快速準確地實現(xiàn)轉矩跟蹤控制，但還需在輪轂電機試驗臺架上進行試驗，來驗證該系統(tǒng)轉矩跟蹤控制的有效性和實時性。

文獻[9]，重慶大學的金胡辛等人運用模糊控制和邏輯門限值控制的方法對輪轂電機汽車模型的驅動防滑控制策略進行了對比分析，結果證明兩種方法都可根據(jù)車輛的實時狀態(tài)進行準確有效的控制，而模糊控制的總體效果更好。

文獻[10]，鄭迎等人對輪轂電機電動汽車制定了制動能量回收和防抱死控制策略，通過建模仿真驗證了該策略的有效性及合理性；只對典型制動工況下的能量回收和防抱死性能進行了驗證，還需對其它工況進行驗證，以便優(yōu)化該策略。

文獻[11]，王發(fā)繼等人提出了基于輪轂電機多輪獨立驅動的驅動力分配策略，采用橫擺力矩補償控制的方法有效抑制了因驅動電機輸出不均衡發(fā)生側向跑偏的現(xiàn)象; 還需增加更多的測試試驗來豐富完善控制策略和功能。

文獻[12]，浙江大學的邢曉春等人設計了兩種適用于不同循環(huán)工況的容錯輪轂電機，通過優(yōu)化參數(shù)設計出一款適應兩種工況的異型混合容錯電機，并進行仿真分析，驗證了其良好的容錯性能。

文獻[13]，Zhifu Wang等人提出了一種基于指數(shù)逼近法的滑模變結構控制算法，并將其應用于四輪獨立驅動輪轂電機ASR系統(tǒng)，通過建立一個七自由度車輛動力學模型，測試ASR控制策略在良好路面和濕滑路面上的控制效果。通過定量計算，在兩個加速期的車輛加速性能分別提高了 43.5%和58.5%。結果表明滑模變結構控制算法適用于ASR系統(tǒng)，對良好路面和濕滑路面具有良好的適應性。該算法可以大大提高四輪獨立驅動電動汽車的加速性能。

文獻[14]，Angelos Kampanakis等人提出了一種將輪轂電機電動汽車的速度，側滑角和偏航率調節(jié)與電動機溫度調節(jié)結合起來的控制結構。線性控制器通過將四輪車輛模型與電動機退化模型相結合，整合了車輛動力學和電動機動力學，發(fā)現(xiàn)所得到的控制器不僅提高了車輛的穩(wěn)定性，而且可通過調節(jié)其溫度來延長電動機的使用壽命。

4 輪轂電機直驅技術現(xiàn)存的問題及解決對策

雖然由前所述，輪轂電機直驅技術的研究與應用已經取得了非常不錯的成果，但到目前為止，這項技術依然存在著許多亟待解決的問題。

4.1 簧下質量增大問題

輪轂電機直接增加了車輪轉動慣量及簧下質量，進而影響車輛的平順性和操控性，使車輛舒適度下降。

Johansen P R等[15]對輪轂電機進行了特殊平面設計，這樣可將定子質量轉化為簧上質量，并驗證了其有效性；李勇等[16]提出對輪轂電機進行結構和尺寸優(yōu)化，進一步減小簧下質量；浙江亞太機電公司也指出：為降低對車輛操控性能的影響，可重新設計懸掛系統(tǒng)，調整簧上簧下質量比。

可解決這一問題的措施有：（1）對輪轂電機進行結構尺寸優(yōu)化；（2）選擇新型材料做輕量化設計；（3）轉移簧下質量；（4）設計針對性的懸掛系統(tǒng)等。

4.2 永磁體退磁問題

輪轂電機永磁體的熱退磁問題一直是技術研發(fā)過程中的熱點和難點。

Hwang Kyu-Yun等[17]提出通過對永磁電動機轉子結構進行優(yōu)化的方法來預防退磁；Kim Ki-Chan等[18]對“一”字型、“V”字型、雙層永磁體三種不同布置方案的永磁體退磁現(xiàn)象進行了比較，結果表明采用雙層永磁體布置結構的永磁電動機最不易退磁；Qingbo Guo等[19]針對永磁同步電動機直接驅動系統(tǒng)提出了一種優(yōu)化控制策略，該方法通過識別最佳的弱磁電流來調整銅損和鐵損，使永磁同步電機在整個工作范圍內損耗降低。

此問題的解決方法有：（1）對永磁電動機轉子結構做進一步優(yōu)化；（2）盡量采用雙層永磁體布置結構的永磁電動機；（3）研發(fā)高性能的新型永磁體材料等。

4.3 電機冷卻和散熱問題

由于電動汽車運行工況復雜多變，輪轂電機極易出現(xiàn)冷卻和散熱不足以致溫度過高，從而影響整車性能。

S.C.Kim等[20]采用在空氣冷卻結構殼體表面開設冷卻槽的方法，使輪轂電機傳熱面積變大，冷卻效果有所提升；梁培鑫等[21]比較了永磁輪轂電機中軸向“Z”字型和周向螺旋型水路的散熱能力，結果表明軸向“Z”字型水路的散熱能力更強；Elaphe公司通過對冷卻水道進行優(yōu)化設計，電機總成采用90%水冷和10%風冷的方案，冷卻散熱效果大大提升。

綜上所述，解決冷卻和散熱問題的方法主要有：（1）在設計輪轂電機時要留有一定的通氣空間，增加空氣的流動；（2）設計輪轂電機時可設置一些冷卻水道，用流體熱交換進行冷卻；（3）開發(fā)新型的輪轂電機冷卻系統(tǒng)等。

4.4 在整車上的集成應用問題

輪轂電機直驅技術還是一個相對較新的技術，所以整車企業(yè)對該技術的應用還持謹慎態(tài)度。要采用輪轂電機，就必須要考慮它和整車的集成配套問題。運用輪轂電機直驅技術必須保證車輛控制的一致性和安全性。也就是說，輪轂電機直驅技術不能脫離整車，必須和企業(yè)從整車研發(fā)環(huán)節(jié)開展合作，產生協(xié)同效應，才能解決相關的集成應用問題。

除上述之外，對于輪轂電機直驅技術還有在保證電機性能的情況下如何降低制造成本、如何開發(fā)出功率密度更高的輪轂電機、輪轂電機的密封性及抗振等問題。

5 輪轂電機直驅技術的發(fā)展趨勢

輪轂電機直驅技術可將動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)集成到車輪上，適用于各類新能源汽車。該技術還可用來生產高度模塊化的底盤系統(tǒng)，真正實現(xiàn)小轉彎半徑，這有利于電動汽車應用智能網聯(lián)技術，實現(xiàn)無人駕駛。因此輪轂電機直驅技術必將成為純電動汽車的最終發(fā)展趨勢。

未來，輪轂電機直驅技術的研究重點主要包括以下幾個方面：

（1）研制集成度高、體積小、可靠性高的輪轂電機驅動系統(tǒng)

電動汽車運行工況比較復雜，輪轂電機又安裝在輪轂里，這對可靠性提出了很高要求。車輪內部空間比較狹小，要保證各部件不發(fā)生干涉，合理布置相對較難，這就要求研制集成度高、體積小的輪轂電機驅動系統(tǒng)。

（2）制動能量回收

再生制動能量回收關鍵在于如何在行車安全的前提下回收更多的能量以及回收策略的制定。對此可提出了一種模塊化的觀測器來估計車輛的縱向速度，然后基于估計的速度，設計一種反饋分級控制器來跟蹤期望的速度，并將制動力矩分配給四個車輪以提高能量回收。

（3）驅動電機控制技術

目前驅動電機的控制方法有失量控制、直接轉矩控制和模糊邏輯控制，此外還可采用神經網絡控制或遺傳控制等人工智能控制?；谌斯ぶ悄芸刂频奶攸c，它們可以有效地解決永磁電機驅動中的非線性問題和參數(shù)變化敏感問題。

（4）電子差速控制技術

電動汽車取消了傳統(tǒng)的機械差速器，當車速過快時會出現(xiàn)失穩(wěn)，因此要采用電子差速控制技術對汽車進行差速控制。輪轂電機是成對應用的，這就要求對稱電機的性能相同，輸出轉矩能同步協(xié)調控制，以保證汽車在復雜工況下安全行駛。

（5）底盤的集成控制

隨著電動汽車的發(fā)展，其底盤電控系統(tǒng)結構和功能更加復雜。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用了分散式控制結構，各子系統(tǒng)只能實現(xiàn)單一的控制功能，且控制器之間存在沖突影響控制效果。而底盤集成控制能消除子系統(tǒng)間的沖突，可實現(xiàn)全局最優(yōu)控制。

雖然輪轂電機直驅技術在部分研究領域已取得了一定的成果，但總體來說仍處于探索階段，尤其在制動能量回收和電機控制技術領域還不夠成熟，這兩個方面也是近幾年的研究熱點。

6 結語

無論從輪轂電機的結構特點，還是從其發(fā)展趨勢來看，輪轂電機直驅技術都具有很多的優(yōu)勢。雖然仍有較多技術難點等待攻克，但隨著科學技術的發(fā)展和研究力度的加大，相信輪轂電機直驅技術目前所存在的問題會早日突破。輪轂電機直驅技術將成為未來純電動汽車發(fā)展的核心關鍵。

[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] 日本精工研發(fā)出全球首款帶變速箱的輪轂電機[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程,2017,55(04):77.

[7] 馬旭,張喜清,連晉毅,王俊峰,臧學辰. 純電動汽車輪轂電機直驅系統(tǒng)的研究進展[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程,2017,55(06):43-48.

[8] 姚榮子. 電動汽車用永磁同步輪轂電機轉矩跟蹤控制[D].吉林大學,2015.

[9] 金胡辛.電動車驅動防滑控制策略的研究[D].重慶大學,2016.

[10] 鄭迎.電動輪汽車高效制動能量回收及制動防抱死控制研究[D].吉林大學,2016.

[11] 王發(fā)繼.基于輪轂電機驅動的多輪獨立驅動驅動力控制研究[D].吉林大學,2017.

[12] 邢曉春.多冗余直驅輪轂電機設計及其控制系統(tǒng)研究[D].浙江大學,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,徐興,孫曉東,江浩斌,曲亞萍. 輪轂電機驅動技術研究概況及發(fā)展綜述[J].電機與控制應用,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,程樹康.永磁同步輪轂電機發(fā)熱及散熱問題的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學.2013.