乘用車輪轂電機(jī)應(yīng)用技術(shù)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(fā)院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130013）

主題詞：新能源汽車 一體化電動底盤 輪轂電機(jī) 分布式驅(qū)動

1 前言

輪轂電機(jī)技術(shù)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(yīng)用。隨著輪轂電機(jī)應(yīng)用于電動自行車及商用車，輪轂電機(jī)技術(shù)正式進(jìn)入民用領(lǐng)域并迅速普及。2020年11月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，在技術(shù)創(chuàng)新部分正式提出電動汽車底盤一體化設(shè)計(jì)及集成攻關(guān)。輪轂電機(jī)技術(shù)使一體化電動底盤具有更高的集成度，更多的運(yùn)動軌跡，以及更廣的應(yīng)用場景，同時，在降重及空間利用率上也具有一定優(yōu)勢。

本文對輪轂電機(jī)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，對輪轂電機(jī)在乘用車上應(yīng)用的研究成果進(jìn)行分析，闡明其發(fā)展歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀，揭示其應(yīng)用的關(guān)鍵問題，并對輪轂電機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展提出建議及展望。

2 輪轂電機(jī)發(fā)展歷史與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 輪轂電機(jī)發(fā)展史

20世紀(jì)50年代初，美國人Robert便發(fā)明了電動汽車輪轂電機(jī)，并申請了專利，其將電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和制動器濃縮到輪轂機(jī)構(gòu)。日本也從1991年開始涉足輪轂電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，但從產(chǎn)業(yè)層面來看，歐美公司占據(jù)主導(dǎo)地位，如荷蘭e-Traction、美國Protean、歐洲Elaphe，都先后有系列產(chǎn)品誕生。Protean electric早在2010年便推出了應(yīng)用在普通乘用車上的輪轂電機(jī)技術(shù)。而國內(nèi)則從2010年才開始研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù)，各大汽車零部件廠商開始通過并購方式引入國外先進(jìn)技術(shù)，如泰特機(jī)電、萬安科技、亞太股份分別投資了e-Traction、Protean、Elaphe。

2.2 輪轂電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

輪轂電機(jī)應(yīng)用于汽車的歷史悠久。早在1900，費(fèi)迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）就嘗試把電機(jī)裝到車輪上，并首次制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動汽車Lohner Porsche。近年來，國內(nèi)外多家主機(jī)廠及機(jī)構(gòu)對輪轂電機(jī)在汽車上的應(yīng)用展開研究。日系廠商研究開展較早，目前處于領(lǐng)先地位。1998年起，豐田汽車對輪轂電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了3個發(fā)展階段的應(yīng)用研究，見圖1。此外，包括福特、通用在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該應(yīng)用技術(shù)有所涉足。國內(nèi)乘用車輪轂電機(jī)應(yīng)用技術(shù)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(jī)廠及零部件廠商也紛紛參與輪轂電機(jī)技術(shù)應(yīng)用的研究。2011年上海車展，奇瑞新能源展示了搭載輪轂電機(jī)的瑞麒X1-EV電動汽車，中國一汽、東風(fēng)、廣汽等車企也在穩(wěn)步推進(jìn)輪轂電機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

圖1 豐田輪轂電機(jī)開發(fā)歷程[4]

2.3 一體化電動底盤

隨著全球5G商業(yè)化時代來臨，汽車行業(yè)正迎來新一輪的變革。在新的變革中，作為眾多前沿技術(shù)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(yī)療、休閑、娛樂、工作、物流、快遞，等等，這些前沿技術(shù)將打破空間的束縛。中國一汽紅旗開發(fā)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(shù)，HEi 2.0智能化底盤可實(shí)現(xiàn)平臺零部件大幅減少，空間利用率提升，質(zhì)量降低，提高了通過性。隨著線控轉(zhuǎn)向及線控制動技術(shù)的應(yīng)用，分布式驅(qū)動構(gòu)型下的線控底盤可以實(shí)現(xiàn)車輪大角度轉(zhuǎn)角，甚至360°轉(zhuǎn)角成為可能，可輕易實(shí)現(xiàn)蟹行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動模式。使用輪轂電機(jī)的分布式一體化電動底盤突破了傳統(tǒng)的集中式驅(qū)動構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)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(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵問題

3.1 非簧載質(zhì)量增大對平順性的影響

簧載質(zhì)量是評價車輛平順性的一項(xiàng)重要參數(shù)。Riley研究表明，非簧載質(zhì)量不應(yīng)超過簧載質(zhì)量的20%。大多數(shù)關(guān)于懸架系統(tǒng)的研究都是針對非輪轂電機(jī)直驅(qū)車輛進(jìn)行的，沒有對因?yàn)槭褂幂嗇炿姍C(jī)而增加的非簧載質(zhì)量的車輛做過真正的研究。

Schalkwyk等在理論上研究了簧載質(zhì)量向非簧載質(zhì)量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的影響，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了比較（圖3）。由圖3可見，簧上載荷的變化對傳統(tǒng)車輛的固有頻率的影響很小，而對輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛的固有頻率會發(fā)生顯著的變化。這意味著由于簧上載荷的變化，輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛會比傳統(tǒng)車輛有更大的行駛響應(yīng)變化。然而，這2種車輛的固有頻率保持在1~3 Hz的范圍內(nèi)，研究結(jié)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(qū)域?qū)?~7 Hz之間的振動頻率很敏感。設(shè)計(jì)中，固有頻率高于3 Hz的振動系統(tǒng)是需要躲避的區(qū)域，而接近1.5 Hz時是人比較舒適的區(qū)域。使用輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛固有頻率，應(yīng)在駕駛員可接受的舒適性范圍內(nèi)。同時，在通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及質(zhì)量分配后，可以進(jìn)一步提高車輛的舒適性。

圖3 2種驅(qū)動形式車輛固有頻率對比

Martyn Anderson等人采用福特?？怂?007年度車型，通過主觀評價方法對輪轂電機(jī)車輛和傳統(tǒng)車輛進(jìn)行對比。傳統(tǒng)車輛上每個車輪均裝載額外30 kg的質(zhì)量，用于模擬簧下質(zhì)量輪轂電機(jī)，30 kg質(zhì)量分布方式在大體上反映了Protean的PD18產(chǎn)品，車輛未作任何其他變化。主觀評價結(jié)果使用蜘蛛圖表示（圖4）。評價結(jié)果顯示，簧下質(zhì)量增加的車輛在整體平順性上達(dá)到市場上常見的6～8分的一般舒適性水平，僅略低于傳統(tǒng)車輛。通過彈性件的調(diào)校，整體舒適性還有進(jìn)一步提升的可能。

圖4 基礎(chǔ)車和改裝車平順性主觀評價結(jié)果[10]

3.2 應(yīng)用于后非獨(dú)立懸架（或半獨(dú)立懸架）的問題

不同于乘用車前懸架多使用獨(dú)立懸架，后軸采用非獨(dú)立懸架（或半獨(dú)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(zhì)量低的優(yōu)點(diǎn)。輪轂電機(jī)應(yīng)用于后扭轉(zhuǎn)梁懸架時，驅(qū)動時容易出現(xiàn)車身明顯抬升現(xiàn)象。與傳統(tǒng)車使用驅(qū)動半軸作用于輪心處不同，輪轂電機(jī)驅(qū)動力作用于輪胎與地面接觸點(diǎn)（圖5，圖6）。電機(jī)驅(qū)動扭矩在接地點(diǎn)處產(chǎn)生繞縱臂鉸鏈點(diǎn)的反力矩，由此產(chǎn)生對鉸鏈處的抬升作用，使得在驅(qū)動時，后懸架有明顯的抬升現(xiàn)象。后扭轉(zhuǎn)梁懸架對車身抬升效果影響因子如表1所示

圖5 傳統(tǒng)車輛驅(qū)動力作用點(diǎn)

圖6 輪轂電機(jī)車輛驅(qū)動力作用點(diǎn)

表1 后扭轉(zhuǎn)梁懸架對車身抬升效果影響因子

3.3 非簧載質(zhì)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(zhuǎn)動慣量的部件，是車輛自重及沖擊載荷的主要承擔(dān)者。其自身質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性直接影響著車輛的安全性、制動性及操縱穩(wěn)定性。使用輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛簧下質(zhì)量增加導(dǎo)致車輛垂向載荷增加，需要對輪轂結(jié)構(gòu)件進(jìn)行額外的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。Schalkwyk等人在對傳統(tǒng)車輛及輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛進(jìn)行的跌落試驗(yàn)對比時發(fā)現(xiàn)（圖7），由于輪轂電機(jī)車輛簧下質(zhì)量增加，跌落時輪胎產(chǎn)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(qū)動形式車輛簧下質(zhì)量階躍響應(yīng)[9]

4 輪轂電機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 輪轂電機(jī)與底盤集成技術(shù)

由于車輪內(nèi)外空間有限，輪轂電機(jī)布置受懸架、轉(zhuǎn)向運(yùn)動件包絡(luò)及制動性能限制。輪轂電機(jī)占用輪內(nèi)空間較大，轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂電機(jī)連接，導(dǎo)致底盤硬點(diǎn)設(shè)計(jì)空間減小，性能調(diào)校難度增大，需綜合輪轂電機(jī)矢量控制特性進(jìn)行操穩(wěn)性能計(jì)算。制動方面，可將盤式或鼓式制動器與輪轂電機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。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(fā)出應(yīng)用于外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的摩擦制動組件（圖8），創(chuàng)新的采用了內(nèi)卡鉗式環(huán)形制動盤，并集成安裝在電機(jī)殼體外，摩擦制動產(chǎn)生的熱量與電機(jī)隔絕，通風(fēng)效果好，避免因制動盤溫度過高引起電機(jī)永磁體退磁。

圖8 Protean外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)集成盤式制動器[10]

舍弗勒輪轂電機(jī)提出了包含輪轂軸承、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)、行星減速機(jī)構(gòu)、鼓式制動器和冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵零部件的集成方案（圖9）。

圖9 舍弗勒內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)集成鼓式制動器[11]

4.2 分布式驅(qū)動控制技術(shù)

使用輪轂電機(jī)的分布式驅(qū)動車輛具有單個車輪獨(dú)立可控的特性，在穩(wěn)定性控制、主動安全性方面相對于集中式驅(qū)動構(gòu)型具有顯著的優(yōu)勢。通過輪轂電機(jī)驅(qū)動或制動扭矩控制，可實(shí)現(xiàn)TCS和DTC功能；根據(jù)前后軸扭矩分配和左右輪扭矩分配，可實(shí)現(xiàn)扭矩矢量控制功能，包括附著率優(yōu)化、效率優(yōu)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(qū)車型（圖10），對懸架、轉(zhuǎn)向、制動、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性更改，完成輪轂電機(jī)四驅(qū)電動樣車改制，進(jìn)行分布式扭矩分配控制技術(shù)研究。其測試結(jié)果表明，在驅(qū)動防滑控制及橫擺控制方面，使用輪轂電機(jī)的分布式驅(qū)動構(gòu)型相對集中式驅(qū)動構(gòu)型有更好的表現(xiàn)。

圖10 紅旗某輪轂電機(jī)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(shí)車測試（圖11），測試結(jié)果顯示中國一汽開發(fā)的驅(qū)動防滑控制功能可顯著提升車輛在濕滑路面的行駛穩(wěn)定性，滿足驅(qū)動防滑控制指標(biāo)要求。此外，分布式驅(qū)動防滑控制功能試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于改制前的集中式構(gòu)型車輛。

圖11 中國一汽紅旗某輪轂電機(jī)改制車型驅(qū)動防滑測試[13]

在實(shí)車橫擺控制測試中，分布式四驅(qū)橫擺控制功能可提升車輛橫擺率響應(yīng)時間0.02 s，諧振峰頻率提升0.1 Hz，改善車輛過多/不足轉(zhuǎn)向特性，在實(shí)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(fā)的橫擺功能顯著提升車輛橫擺響應(yīng)性和穩(wěn)定性能。

圖12 中國一汽紅旗某輪轂電機(jī)改制車型橫擺控制測試[14]

4.3 車輪大轉(zhuǎn)角技術(shù)

車輛最小轉(zhuǎn)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(diào)頭行駛的能力，最小轉(zhuǎn)彎半徑越小，表明汽車的機(jī)動性能越好。輪轂電機(jī)的使用取消了傳動系統(tǒng)，避免了驅(qū)動半軸對車輪轉(zhuǎn)角的約束，車輛可輕易實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)彎。同時，通過各車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)角控制，可以完成橫向行駛、斜向行駛、原地旋轉(zhuǎn)、繞單輪旋轉(zhuǎn)的多種特殊轉(zhuǎn)向工況，增加汽車靈活性，如圖13所示。

圖13 多種轉(zhuǎn)向功能

創(chuàng)新的線控動力轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，使車輪可以進(jìn)行獨(dú)立的大角度轉(zhuǎn)角。

Protean在其PD18輪轂電機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，開發(fā)了可進(jìn)行360°轉(zhuǎn)向的Protean360+輪邊角模塊（圖14），該模塊集成了懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以和輪轂電機(jī)。獨(dú)立的轉(zhuǎn)向電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)使該輪邊模塊可進(jìn)行360°轉(zhuǎn)角，能夠使車輛在相對狹窄的空間里，順利完成轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向驅(qū)動模塊（圖15）可為四個車輪提供驅(qū)動力，采用四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。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(zhuǎn)向角限定為45°，在停車模式下可調(diào)整為90°。此時，車輛可實(shí)現(xiàn)橫向行駛。通過集成輪轂電機(jī)，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(jī)未來發(fā)展趨勢

5.1 小型化

電驅(qū)動系統(tǒng)小型化最前沿的技術(shù)就是直驅(qū)輪轂電機(jī)，但將電機(jī)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(xiàn)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(jìn)而發(fā)熱量減少，由此可以減小逆變器尺寸。SiC功率器件的應(yīng)用有利于提升輪轂電機(jī)與逆變器集成度，減小結(jié)構(gòu)尺寸。

5.2 輕量化

與集中式驅(qū)動構(gòu)型相比，分布式驅(qū)動的輪轂電機(jī)增加了簧下質(zhì)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(fā)AMC材料作為轉(zhuǎn)子的輪轂電機(jī)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量將減小40%，以便減小簧下質(zhì)量，輪轂電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)勢在必行。

5.3 低轉(zhuǎn)速和高功率密度

車輛起動和爬坡時需直驅(qū)輪轂電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性，然而，由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)布置于輪輞內(nèi)，其軸向及徑向尺寸受限，容易導(dǎo)致其輸出功率有限，無法保證性能需求。提高輪轂電機(jī)功率密度有利于其在小型乘用車上的應(yīng)用。

6 結(jié)束語

使用輪轂電機(jī)的分布式驅(qū)動構(gòu)型，有利于底盤電動化、輕量化，提高車輛驅(qū)動效率，行駛靈活性，穩(wěn)定性及可控性。此外，由于輪轂電機(jī)布置于車輪內(nèi)，工作的環(huán)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?？傊?，輪轂電機(jī)驅(qū)動具有很多優(yōu)勢，隨著電機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)研究的不斷深入，分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動將成為新能源汽車發(fā)展的一個重要趨勢。