輪轂電機與摩擦制動集成技術研究現狀

楚博士，王奎洋

輪轂電機與摩擦制動集成技術研究現狀

楚博士，王奎洋*

（江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001）

輪轂電機作為未來電動汽車驅動系統的發展方向，具有廣闊的應用前景，輪轂電機與摩擦制動集成設計和協同控制為電動汽車制動系統亟待解決的關鍵技術之一。文章探討了電動汽車輪轂電機與摩擦制動集成技術研究的必要性，分析了國內外輪轂電機技術以及輪轂電機與摩擦制動集成技術的研究現狀。同時，總結了輪轂電機技術在電動汽車上的一些具體應用、輪轂電機與摩擦制動的集成設計結構、輪轂電機與摩擦制動的協同控制策略，提出了輪轂電機與摩擦制動集成技術所存在的一些問題及其發展趨勢。

輪轂電機；摩擦制動；復合制動；集成技術；協調控制

分布式驅動電動汽車擁有更高的驅動效率與制動能量回收潛力，能夠實現將動力系統、傳動系統以及制動系統等集成于輪轂內側，具有簡化整車結構、減少機械損失、提高工作效率以及便于復雜控制等優點[1]。分布式驅動電動汽車相比于集中驅動式電動汽車、輪邊電機式電動汽車更具優勢，其應用給整個電動汽車底盤技術帶來了革命性的變化，屬于電動汽車的終極解決方案之一。

目前，摩擦制動仍是汽車制動的主要形式，輪轂電機直接驅動式電動汽車存在著簧載質量增加影響行駛平順性能、輪轂內溫度上升影響電機工作效能以及電機再生制動與機械摩擦制動互為干涉等問題，這些問題直接制約著輪轂電機直接驅動式電動汽車產業化發展[2]。摩擦制動以制動效能、制動穩定性為評價指標，而輪轂電機制動則以制動能量回收率、電機工作效率為目標，在制動過程中輪轂電機與摩擦制動作為一個復雜的整體，在一定程度上存在著相互影響和制約。因此，有必要對電動汽車輪轂電機與摩擦制動集成技術和協同控制開展研究，以期達到減小輪轂電機直接驅動式電動汽車的簧載質量、降低輪轂內溫升、提高行駛平順性、增加續駛里程以及實現輪轂電機制動與機械摩擦制動協同工作，充分發揮兩者各自優點的目的。如何實現輪轂電機與摩擦制動的集成設計和協同工作，探究現有技術存在的不足之處并加以完善是相關領域科研人員的重要研究方向。

1 輪轂電機技術現狀分析

1.1 國外研究現狀

國外輪轂電機技術發展相對較早，美國、日本、歐洲等汽車發達國家和地區，輪轂電機技術具有較為成熟的研究基礎，輪轂電機成功取代發動機的功能應用于電動汽車上，其制動及能量再生效果符合預期[3]。

德國舍費勒公司在機電一體化、動力總成及系統集成方面有著豐富經驗，在多年前便開展輪轂電機技術研發并取得了一定成果，從電機直驅技術到模塊化產品，可滿足不同客戶的需求[4]。舍費勒公司的輪轂電機產品已經在多款概念車上成功實車測試并已產業化生產。

英國Protean Electrics公司的輪轂電機在功率和轉矩密度方面擁有獨特的技術優勢，其生產的輪轂電機已經解決多個技術難題[5]。該輪轂電機與輪輞連接安裝方便，動力性能提升明顯，內部采用了多個子電機增加工作可靠性，與其合作的汽車改裝廠商使用該輪轂電機產品在汽車的驅動性能方面具有不錯的表現。

英國Saietta公司是著名電機設計和制造商，在輪轂電機方面取得了一系列創新技術。該公司采用的軸向磁通技術相比于徑向磁通電機可以節省更多的空間。軸向磁通電機在材料、尺寸、質量等方面相比于徑向磁通電機使用更少、更小、更輕，同時可以提供更強的輸出功率。

1.2 國內研究現狀

國內在輪轂電機研發方面起步相對較晚，在電機設計、制造工藝、系統控制及技術創新等方面與國外先進技術相比仍存在較大差距。近些年，我國輪轂電機技術在研發、生產、應用等方面不斷補齊短板，提升輪轂電機整體技術水平，縮短了與國外的差距[6]。

亞太依拉菲公司通過投資控股方式實現與依拉菲合作而成立[7]。在獲得依拉菲技術支持之后，亞太依拉菲在國內輪轂電機行業處于領先地位并積極推動輪轂電機技術在新能源汽車行業的應用。亞太依拉菲通過對傳統燃油車的改裝推出新款輪轂電機電動汽車。

東風汽車公司在輪轂電機總成集成技術以及輪轂電機電、磁、熱等多領域均有研究和突破。東風汽車商用車輪轂電機，其傳動效率比高達96%，在成本降低、質量減輕、峰值扭矩等方面均比國外同類產品有所提高。

趙成提出了一種新型輪轂電機結構方案，如圖1所示。該輪轂電機在滿足電動汽車驅動時所需高轉矩密度、強散熱性能的基礎上，通過指標參數確定總體設計方案，進行優化設計、模擬仿真及臺架試驗，所得試驗結果符合研究預期[8]。

圖1 一種新型輪轂電機結構

此外，上汽、廣汽、奇瑞、比亞迪、宇通等國內眾多企業也對輪轂電機技術開展了廣泛而深入的研究。

綜上所述，國外輪轂電機技術起步較早，在設計、制造等很多方面處于領先地位。近年來，隨著我國新能源汽車行業的發展以及國家政策的支持，國內相關企業和高校在輪轂電機技術上有所突破，水平也在不斷提升。

2 輪轂電機與摩擦制動集成結構研究現狀

2.1 國外研究現狀

LE SOLLIEC G等提出了在傳統車輛后輪使用輪轂電機，前橋依然采用熱動力總成的方案[9]。該方案可以滿足減少廢氣排放的需求，輪轂電機控制的后輪可以單獨控制轉矩，具有快速響應的優點。同時，該方案通過協調輪轂電機與液壓制動系統，提高了車輛的制動安全性。

沃爾沃汽車公司在探索如何實現低成本、緊湊型新能源電動汽車方面取得很多研究進展，同時致力于輪轂電機研究，并考慮如何實現再生制動與摩擦制動的集成[10]。其通過采用線控摩擦制動與輪轂電機再生制動集成方式實現了復合制動結構。該集成結構還包括轉向和懸架系統，改善了汽車舒適性、制動安全性，降低了輪胎磨損。

圖2 TM4公司輪轂電機電動輪

加拿大TM4公司提出了一種輪轂電機電動輪結構，如圖2所示[11]。該輪轂電機采用外轉子形式，外轉子外殼直接與輪輞連接，摩擦制動采用鼓式制動器結構，制動蹄片與外轉子集成在一起，從而將輪轂電機、輪輞及摩擦制動器集成為一個整體，集成后的電動輪具有結構緊湊、質量減輕、機動性強、響應快速等特點。

MATSUGAURA S等基于一款后輪驅動式電動汽車，提出了一種驅動輪內輪轂電機與摩擦制動器集成設計方案[12]。輪轂電機為永磁無刷直流電機，摩擦制動采用鼓式摩擦制動器，并對輪轂電機再生制動和摩擦制動的復合制動方式進行了研究，在保證制動效能的前提下，提高了電動汽車的續航里程。

GRANDONE M等針對一款混合動力電動汽車，通過將輪轂電機安裝于后輪輪轂內改裝成輪轂電機電動輪，添加了光伏板和鋰離子電池，前輪仍采用摩擦制動方式，實現輕度并聯混合動力結構[13]。該結構將輪轂電機與電池管理控制器集成到一起，與摩擦制動協調工作，提高了能量利用效率，改善了燃油經濟性。

2.2 國內研究現狀

王強等提出了一種新型的集成式輪轂電機設計方案，如圖3所示[14]。其與傳統的電機與輪輞集成結構相比，該方案將輪轂電機轉子外殼和摩擦制動盤集成于一體，輪轂電機的定子通過阻尼組件與車軸相連接，簡化了輪轂電機與摩擦制動結構，克服了簧載質量過大而引起的垂直振動負面影響。

1—輪胎；2—輪轂；3—定子；4—制動盤；5—阻尼組件；6—控制單元；7—轉子。

陳齊平等提出了一種外轉子輪轂電機電動汽車驅動制動一體化裝置[15]。外轉子輪轂電機制動時，利用電磁原理和機械摩擦結合的方式實現。當對車輛實施制動時，輪轂電機制動產生電磁力，執行機構產生制動力，使得車輛減速或停車。集成結構相比于傳統機構更為簡單，能耗損失減少，提高了能源利用率。

張瑞軍基于摩擦制動和電磁制動的集成思想，提出了一種內置于輪轂電機的電磁與摩擦復合制動結構方案，如圖4所示[16]。該結構采用三相永磁同步電機為輪轂電機，其內部包含冷卻系統、摩擦制動、電磁制動等裝置，實現了輪轂電機、電磁制動與摩擦制動三者的集成設計，可以發揮三種制動方式的各自優點。

圖4 三種制動形式集成設計方案

ZHANG L等基于雙轉子電機與行星齒輪、離合器的結構匹配，提出了一種雙轉子輪轂電機，如圖5所示[17]。該輪轂電機可以實現多種驅動及制動工況，解決了雙轉子電機雙輸出口不能直接用作輪轂電機的問題，實現了電機再生制動和液壓摩擦制動的協調控制和防抱死制動功能。

圖5 雙轉子輪轂電機與液壓制動集成模型

注：電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）；電機（Motor,M）。

雷雨龍等提出了一種具有雙電機的輪轂驅動與制動集成系統及其控制方法[18]。該系統采用輪轂電機直接驅動車輪，相比于傳統中央驅動，傳遞效率高。集成系統可以進行電機制動和液壓復合制動，根據車輪制動力需求切換不同的制動模式。同時，雙電機模式可以降低單個電機的轉矩負荷，提高制動效率。

綜上所述，國外多家輪轂電機企業已經可以量產輪轂電機與摩擦制動集成的電動輪，模塊化的產品可以滿足不同客戶需求。同時，國外高校也在不斷探索如何實現輪轂電機與摩擦制動的集成設計方案，并在此過程中取得不錯的試驗結果。而國內的研究主要集中在高校，且目前更多存在于理論研究方面。

3 輪轂電機與摩擦制動協同控制策略研究現狀

3.1 國外研究現狀

GODFREY A J等依據停車時間和再生能量，提出了一種基于制動踏板特性的制動策略[19]。該策略采用無刷直流電機作為輪轂電機，針對多種性能指標、運行條件，結合單開關、雙開關、三開關拓撲等方法實現制動策略。利用制動踏板踩踏度的回饋切換驗證了所提策略的可行性和優越性。

GRANDONE M等[13]針對混合動力電動汽車，后輪采用輪轂電機電動輪，提出了一種能夠在機械摩擦制動和電機再生制動之間進行最佳權衡的再生制動控制策略。該策略考慮了前后軸制動力分配策略及車輪滑移率，通過實時控制模型研究制動策略的可行性，從而最大限度提升再生制動的作用。

VIGNATI M等提出了一種分布式電動機的控制策略，如圖6所示[20]。在保證制動安全的情況下，通過控制器實現輪轂電機和液壓制動之間的協同制動，利用液壓制動彌補電機制動力不足的問題，綜合考慮了駕駛員所要求的制動力矩、所需的橫擺力矩、電機效率以及車輪法向載荷對轉矩分配的影響等多種因素，相對于常規分配策略，再生制動力可達到最大值。

圖6 分布式四輪轂電機控制策略

注：動力電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）。

AKSJONOV A等為了提高電動汽車在制動操作過程中的安全性和經濟性，提出了一種再生防抱死制動模糊控制方法[21]。該方法利用縱向減速來估計路面附著系數，產生適當制動力矩，以保持最優滑移率，實現電機最大再生制動能量。機械摩擦制動只在輪轂電機制動轉矩不足時參與工作。在干路面、濕路面和結冰路面等不同路面上進行模擬試驗，驗證所提方法的有效性。

GONZáLEZ HERNáNDEZ M I等基于輪轂電機再生制動與摩擦制動協調共存，達到高效電機制動的目的，研究了最大再生制動功率策略、最優制動力分配策略、雙線再生摩擦制動策略等三種協調控制策略[22]。以四輪轂電機電動汽車為研究對象，對制動力進行計算分析，研究不同制動策略下的再生功率，以滿足車軸之間再生制動與摩擦制動的最優制動力分布，同時實現最大比例的制動能量回收。

3.2 國內研究現狀

PEI X等提出了一種分布式電動汽車電機再生制動與機械摩擦制動的協調控制策略[23]。為了實現再生制動和液壓制動穩定性及協調性的最佳目標，其結合遺傳算法和制動意圖對所提策略進行試驗分析，驗證了該控制策略的有效性和可行性。

燕玉林等基于某車型機電聯合制動系統，考慮多輪轂電機驅動車輪的能量利用率、制動力分配及制動能量回收效率等因素，提出了一種可有效分配制動力矩，提高制動效能并回收能量的模糊控制策略，如圖7所示[24]。

圖7 機電聯合制動模糊控制策略

XU W等提出了一種四輪轂電機電動汽車再生制動轉矩分配策略[25]。該策略通過協調輪轂電機再生制動和液壓摩擦制動，考慮安全性和再生效率來解決多重目標約束等問題，優化前后輪的制動轉矩，在保證四個車輪總制動轉矩滿足制動要求的前提下，最大限度地提高再生制動效率。

劉晉霞等提出了一種基于輪轂電機與模糊邏輯的再生制動控制策略，如圖8所示[26]。其中，max為最大制動力；F為整車總制動力與電機提供的最大制動力之差；為電機制動力與整車總制動力之比。該策略考慮了輪轂電機、電池SOC、制動強度對再生制動系統的影響以及理想制動力曲線、歐洲經濟委員會（Economic Commission for Europe, ECE）制動法規的約束，實現了輪轂電機制動力和摩擦制動器制動力的合理分配。

圖8 基于模糊邏輯的再生制動控制策略

顧鈺等根據輪轂電機在制動過程中的制動控制效果，基于輪轂電機再生制動，提出一種適用于再生制動與液壓摩擦制動的協調控制策略[27]。所提策略充分考慮了制動意圖、路面條件及典型工況等情況，利用電機制動精度高、響應快等優勢，以保證輪轂電機制動效果。

綜上所述，國外對輪轂電機與摩擦制動協同控制策略的研究相對較少，主要集中在制動力分配和制動能量回收效率等方面。國內的研究則相對較多，主要是在國外研究的基礎上，進一步提高了控制系統的魯棒性和精度。

4 輪轂電機與摩擦制動集成技術發展展望

近年來，國內外學者對輪轂電機技術的研究，推動了分布式驅動電動汽車的發展，輪轂電機與摩擦制動從單一形式朝著高度集成化、一體化、輕量化的方向發展。目前，對輪轂電機與摩擦制動的集成方面研究還相對較少，如何協調兩者共存并發揮各自的最大優勢，還有很多問題亟待解決。

輪轂電機與摩擦制動集成技術的發展趨勢及需要解決的問題可總結為以下幾個方面：

（1）輪轂電機電動汽車具有結構緊湊、易于智能控制等優點。因此，如何讓輪轂電機更好地與電動汽車整體融合在一起，提高空間利用率，降低車輛重心及車輪的簧載質量，需要更加深入的研究。

（2）現有輪轂電機冷卻系統受輪內結構、系統功能等因素的影響，冷卻效果有待進一步提高。未來需要對新的冷卻方式、工藝等進行更多的探索和試驗，力求尋找新的方法來解決這一難題，研發出更加可靠的輪轂電機冷卻系統。

（3）輪轂電機再生制動與機械摩擦制動互為干涉，輪轂電機制動時會施加一定程度的回饋制動力矩于車輪之上，因此，需要對輪轂電機再生制動與機械摩擦制動在控制邏輯上進行重新設計。

（4）輪轂電機與摩擦制動的集成結構使汽車底盤變得更加簡潔、緊湊，將有更多的空間來布置其他機構或裝置。

[1] 王迪,尚秉旭,陳志新,等.輪轂電機及其電動車技術發展綜述[J].汽車文摘,2019(11):40-44.

[2] WANG Z, ZHOU J, RIZZONI G, et al.A Review of Architectures and Control Strategies of Dual-motor Coupling Powertrain Systems for Battery Electric Vehicles[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022,162:112455.

[3] 陳閣,楊延忠,黃福昊,等.電動汽車輪轂電機發展綜述[J].汽車實用技術,2022,47(4):139-143.

[4] 柴鳳,于雁磊,裴宇龍.電傳動車輛永磁輪轂電機技術現狀及展望[J].兵工學報,2021,42(10):2060-2074.

[5] 尤兵,李修森.基于輪轂電機驅動平臺的轉矩矢量分配技術的研究[J].汽車文摘,2019(1):1-4.

[6] 汪新偉,周自寶.輪轂電機驅動電動汽車的電制動特性研究[J].內燃機與配件,2021(1):29-30.

[7] 柴曉輝,連晉毅,王坤,等.分布驅動式純電動汽車驅動系統研究綜述[J].汽車實用技術,2020,45(13):5- 10.

[8] 趙成.分布式驅動電動汽車用輪轂電機設計與驗證[J].微特電機,2022,50(2):22-26.

[9] LE SOLLIEC G,CHASSE A,GEAMANU M. Regen- erative Braking Optimization and Wheel Slip Control for a Vehicle with In-wheel Motors[J].IFAC Proceed- ings Volumes,2013,46(21):542-547.

[10] 余江澤.四輪獨立驅動輪轂電機電動汽車再生制動系統控制[D].杭州:浙江大學,2017.

[11] SUN Y. Application of Wheel Hub Motor Direct Drive in Automobile[J].World Scientific Research Journal, 2022,8(5):526-531.

[12] MATSUGAURA S,KAWAKAMI K,SHIMIZU H.Eva- luation of Performances for the In-wheel Drive Sys- tem for the New Concept Electric Vehicle KAZ[C]// Proceedings of the 19th International Electric Vehicle Symposium.Seoul:South Korea's Venus Publishing House,2002.

[13] GRANDONE M, NADDEO M, MARRA D,et al. Development of a Regenerative Braking Control Strategy for Hybridized Solar Vehicle[J].IFAC-Papers OnLine,2016, 49(11):497-504.

[14] WANG Q, LI R, ZHU Y, et al. Integration Design and Parameter Optimization for a Novel In-wheel Motor with Dynamic Vibration Absorbers[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engine- ering,2020,42(9):1-12.

[15] 陳齊平,肖強,黃娟林,等.一種外轉子輪轂電機電動汽車驅動制動一體化裝置:201810421122.6[P].2018- 07-31.

[16] ZHANG R J. Structure Design and Coordinated Con- trol of Electromagnetic and Frictional Braking System Based on a Hub Motor[J].Science Progress,2021,104 (1):4147-4163.

[17] ZHANG L,HE R.Research on Multi-mode Regenera- tive Braking Energy Recovery of Electric Vehicle with Double Rotor Hub Motor[J].International Journal of Vehicle Design,2020,82(1-4):45-63.

[18] 雷雨龍,耿小虎,付堯,等.一種具有雙電機的輪轂驅動與制動集成系統及其控制方法:202010430707.1[P]. 2020-05-20.

[19] GODFREY A J,SANKARANARAYANAN V. A New Electric Braking System with Energy Regeneration for a BLDC Motor Driven Electric Vehicle[J].Engine- ering Science and Technology,2018,21(4):704-713.

[20] VIGNATI M,BELLONI M,TARSITANO D,et al.Opti- mal Cooperative Brake Distribution Strategy for IWM Vehicle Accounting for Electric and Friction Braking Torques[J].Mathematical Problems in Engineering, 2021:1-19.

[21] AKSJONOV A, VODOVOZOV V, AUGSBURG K,et al. Design of Regenerative Anti-lock Braking System Controller for 4 In-wheel-motor Drive Electric Vehicle with Road Surface Estimation[J].International Journal of Automotive Technology,2018,19(4):727- 742.

[22] GONZáLEZ HERNáNDEZ M I, ARAUJO PéREZ B, MARTíN SáNCHEZ J S,et al.Advanced Microsys- tems for Automotive Applications[M].Heidelberg: Springer,2013.

[23] PEI X,PAN H,CHEN Z,et al.Coordinated Control Strategy of Electro-hydraulic Braking for Energy Regeneration[J].Control Engineering Practice,2020,96 (6):104324.

[24] 燕玉林,廖自力,劉春光,等.輪轂電機多輪獨立驅動車輛機電聯合制動控制策略[J].火力與指揮控制,2015, 40(5): 120-123.

[25] XU W, CHEN H, ZHAO H,et al. Torque Optimization Control for Electric Vehicles with Four In-wheel Motors Equipped with Regenerative Braking System [J].Mechatronics,2019,57:95-108.

[26] 劉晉霞,王莉,劉宗鋒.四驅電動輪汽車模糊邏輯控制的再生制動系統[J].機械設計與制造,2021(12):164- 168.

[27] 顧鈺,何仁,王駿騁.輪轂電機電動汽車再生液壓復合制動系統協調控制策略[J].重慶理工大學學報(自然科學),2020,34(6):32-40.

Research Status of Hub Motor and Friction Braking Integration Technology

CHU Boshi, WANG Kuiyang*

( School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China )

As the development direction of the drive system of electric vehicle in the future, the hub motor has a broad application prospect. The integrated design and cooperative control of the hub motor and the friction braking system is one of the key technologies to be solved urgently in the electric vehicle brake system. In this paper, the necessity of research on the integration technology of hub motor and friction brake was discussed in the electric vehicle, the research status of hub motor technology at home and abroad and the integration technology and friction brake were analyzed.Meanwhile, some specific applications of hub motor technology in electric vehicles, the integrated design structure of hub motor and friction brake, and the cooperative control strategy of hub motor and friction brake were summarized, and some problems and development trends of the integration technology of hub motor and friction brake were put forward.

Hub motor; Friction braking;Regenerative brake;Integrated technology; Coordination control

U463.53

A

1671-7988(2023)03-204-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.038

楚博士（1994—），男，碩士研究生，研究方向為新能源汽車控制與運用，E-mail:chuboshi@163.com。

王奎洋（1979—），男，博士，副教授，研究方向為汽車機電一體化技術，E-mail:wkuiy@126.com。

江蘇省產學研合作項目（BY2019062）；江蘇省研究生實踐創新計劃項目（SJCX22_1486）。