电动汽车用轮毂电机的研究

张继晨

（武汉理工大学汽车工程学院；汽研1202；学号：1049721202240）

摘要：轮毂电机驱动系统是电动车辆的先进驱动方式，高品质的轮毂电机及其驱动控制系统是国内外电气工程领域的重要研究方向。本文阐述了轮毂电机的不同驱动方式及其国内外研究现状，在分析了轮毂电机驱动特点基础上，介绍了轮毂电机的结构，探讨轮毂电机驱动系统的控制，特别是转向时的差速控制，并思考轮毂电机发展的关键技术。

关键词：电动汽车；驱动系统；轮毂电机；差速控制

Application of In-Wheel Motors Used for Electric Automobile

Zhang Jichen

(School of Automobile Engineering, Wuhan University of Technology, Class: 1202, Number: 1049721202240)

Abstract: As advanced drives for electric vehicles, it is one of the most important edge research areas to develop the high-performance in-wheel motors both at home and abroad. This article described two different driving methods and their application status at home and abroad. With a presentation of the features of in-wheel motors and drives, introduced the structure of the in-wheel motors, and propose the control of the in-wheel motors system, especially the control of the steering differential while some potential technical solutions for the drives are discussed.

Key words: electric automobile; driving system; in-wheel motor; differential control

前言

随着全球资源紧缺与环境污染矛盾的不断凸显，作为具有节能和环保双重效益的电动汽车近几年得到了迅速的发展。目前电动汽车的电机、电池性能已经能基本上满足车辆性能的要求，在新结构、新控制、新技术等方面展示出了巨大的发展潜力。在各种形式驱动的电动汽车中，轮毂电机将是电动汽车的最终驱动形式。轮毂电机的快速响应特性可提高电动汽车的动态控制能力，使汽车在驱动、制动、转向等多种工况下均具有较好的表现。轮毂电机不但可以进行防抱死控制、牵引力控制、转矩矢量控制，还可以进行主动平顺性控制，因此轮毂电机可以替代传统汽车底盘中绝大部分执行机构。目前，对轮毂电机来说，最重要的技术是将电动机、传动系统、制动系统和悬架系统共同嵌入到车轮中，而体积过大时轮毂电机电动汽车普及的一个障碍。

1. 轮毂式电动汽车发展现状

轮毂式电动汽车是一种新兴的驱动式电动汽车，有两种基本形式，即直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮。它直接将电机安装在车轮轮毂中，省略了传统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件，简化了整车结构，提高了传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。电动轮将成为未来电动汽车的发展方向。

1.1 国外研究现状

目前国际上对轮毂电机电动汽车的研究主要以日本为主。日本很早就开始了对轮毂电机研究和开发，取得了一系列的研究成果，其技术在世界各国电动汽车研究领域处于领先位置。日本庆应义塾大学的电动汽车研究小组先后研制了IZA、ECO、KAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。2001年该小组研制了超级电动轿车“KAZ”，该车采用8个55kW的永磁同步电机驱动，最高车速达到了311km/h，0~100km/h的加速时间是8s，电动车轮匹配了一套行星齿轮减速机构。2004年，该小组再次推出电动轿车Eliica，该车采用8个直驱式轮毂电机直接驱动车辆，最高车速在良好工况下达到400km/h，0~60km/h加速时间为4s，大大提高了轮毂电动汽车的性能。

美国通用汽车公司也致力于轮毂电机电动汽车的研究，它对未来电动汽车发展提出了名为“Autonomy”的概念，其思想是将电动轮驱动与线控操作技术相结合。大大提高了汽车的操纵稳定性和智能化。轮毂电机驱动技术的采用使底盘空间增大，使汽车的布置结构更加灵活，且汽车的转向、制动和动力控制等系统都能通过线控操纵来实现，提高了汽车的操作性和舒适性。

欧洲在轮毂电动汽车研发方面也颇具实力。基于外转子式永磁无刷电机的一体化轮毂电机是法国TM4公司设计的一种高度集成的电动轮，其电机的外壳是车轮的轮毂，直接驱动汽车行驶，电机额定功率是18.5 kW，额定转速为950r/min，额定工况下的平均效率可以达到96.3%；峰值功率可达80 kW，峰值扭矩为670 Nm，最高转速为1385r/min。四轮驱动的电动车quark是标志雪铁龙公司的研究成果，其每个电机的最大扭矩为102.2Nm。

1.2 国内研究现状

目前国内轮毂电机技术刚刚起步，主要是高校和一些科研单位对该技术进行相关研究，随着近几年国家关于电动汽车重大课题的“863”项目的深入开展，轮毂电机技术取得了一系列的研究成果。“春晖一号”和“春晖二号”是同济大学汽车学院在2002年至2003年研究的两款轮毂驱动电动汽车，它们的驱动系统采用了4个低速高转矩的永磁直流无刷电机。EV96.I型电动汽车是哈尔滨工业大学-艾英思电动汽车研究所开发的轮毂电机驱动系统，该轮毂电机驱动系统采用双边混合式磁路结构，每个驱动轮额定功率6.8 kW，最大功率15 kW，最大转矩25Nm。

从以上可以看出：（1）轮毂电机将是未来电动汽车的理想驱动形式，是汽车领域研究的重点和难点。（2）轮毂电机电动汽车广泛采用永磁无刷直流电机驱动，且外转子电机驱动是一个发展的趋势。（3）国内关于轮毂电机技术的研究起步较晚，技术还不够成熟，只有髙校和科研院所在做一些理论研究，汽车企业很少参与进来，可见轮毂电机电动汽车的是一个很有潜力的研究领域，具有很高的学术研究价值。

2. 轮毂电机驱动的特点

轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的前轮、后轮，甚至于所有车轮中，直接驱动轮毂旋转。与内燃机、单电机等传统集中驱动方式相比，其在动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点极为明显，主要表现为以下几个方面。

1）动力控制由硬连接改为软连接，能通过电子控制器，实现各轮毂从零到最大速度之间的无级变速和轮毂间的差速要求。省却了传统的机械换档、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等装置，使得驱动系统和整车结构简约归一，可利用空间增大，传动效率提高(理论值为10%)。

2）整车布局和车身造型设计的自由度大幅增加。以汽车为例，将底架的承载功能与传动功能分离后，桥架结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，缩短新车开发周期，降低开发成本。

3）由于电动轮与动力源之间采用软电缆连接，且占用空间很小，因此使电动汽车整车布置设计非常灵活，如有更多空间布置电池，APU（Auxiliary Power-Unit辅助能量源）及其他混合动力或燃料电池等部件；容易实现汽车的低地板化；行李箱及乘客位置设计更灵活。整车质量分布设计自由度大，使轴荷分配更趋合理。

4）各轮毂扭矩可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越，显著提高了适应恶性路面条件的行驶能力。这对普遍采用多轴驱动的重型军用越野汽车是一个极具吸引力的特点，因此轮毂电机驱动技术为电动汽车或混合动力汽车技术在军用汽车上的应用提供了更大的发展空间。

5）容易实现轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈，还能对整车能源的高效利用实施最优化控制与管理，能有效节约能源。

6）对轮毂电机驱动的电动汽车，若进一步导入四轮驱动转向技术，减小转向半径，还可能实现零半径转向，大大增加了转向灵便性。具有无级变速特性且便于实现汽车巡航控制功能。

正因为如此，业界亦将轮毂电机称之为电动车辆，特别是电动汽车的最终驱动形式，这是可以接受的。实际上，高品质轮毂电机及其驱动控制系统已经成为国内外电气工程领域的重要研究方向。

3. 轮毂电机的驱动方式及其结构

轮毂电机电动汽车电动轮的的驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类。这取决于是采用低速外转子还是高速内转子电动机。

3.1 直接驱动

直接驱动式电动汽车采用低速外转子电动机，电动轮与车轮组成一个完整部件总成，采用电子差速方式，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小、质量轻和成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种电动轮直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。

然而电动汽车在起步时需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供大转矩。为了使汽车能够有较好的动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作产生一定的冲击和振动，要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠，同时由于非簧载质量大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计，电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的，系统成本高。

                 图1 直接驱动示意图

直接驱动的优点有：不需要减速机构，不但使得整个驱动轮结构更加简单、紧凑，轴向尺寸也减小，而且效率进一步提高，响应速度也变快。其缺点是：起步、顶风或爬坡等承载大扭矩时需大电流，易损坏电池和永磁体；电机效率峰值区域很小，负载电流超过一定值后效率急剧下降。因此，此方式适用于平路或负载较轻的场合。

3.2 减速驱动

带轮边减速器轮毂电机电驱动系统采用高速内转子电动机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。属于减速驱动类型，这种电动轮允许电动机在高速下运行，通常电动机的最高转速设计在4000~20000 r/min，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电动机的其它性能没有特殊要求，可以采用普通的内转子高速电动机。减速机构布置在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星齿轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，消除了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸的影响。设计中主要应考虑解决齿轮的工作噪声和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系统内部的结构方案设计要求更高。

                图2 减速驱动示意图

减速驱动的优点是：电机运行在高转速下，具有较高的比功率和效率；体积小、重量轻，通过齿轮增力后，扭矩大、爬坡性能好；能保证在汽车低速运行时获得较大的平稳转矩。不足之处是：难以实现液态润滑，齿轮磨损较快、使用寿命短，不易散热，噪声偏大。减速驱动方式适用于丘陵或山区，以及要求过载能力较大、旅游健身等场合。

4. 转向差速控制研究

轮毂电机驱动系统没有传统的减速机构和机械式差速器，因而在转向时需考虑对两个轮毂电机的转速和转矩进行重新分配来实现差速控制，从而减少汽车转向时轮胎的磨损和滑移，提高汽车行驶稳定性。

4.1 电子差速工作原理

四轮电子差速需要对4个轮毂电机同时进行速度控制和差速计算，是一个复杂的控制系统。硬件结构包括方向盘、位移传感器、控制器、4个轮毂电机、每个电机的转子位置传感器。

              图3 电子差速转向机构控制器

         图4 电子差速转向总体控制框图

电子差速转向系统通过调整电机转速，改变车轮的转速实现差速转向。当电动车需要转向时，转向的内侧车轮速度小于外侧车轮速度。由于内外轮侧的速度差异，相同时间内，内侧车轮驶过的距离较小，外侧车轮驶过的距离较大，车体必然向内侧偏转，从而实现转向。具体转向过程如下：首先将方向盘的角度输出转换成控制系统可以接收的模拟信号，在执行转向之前，定义方向盘的角度输出与模拟量之间的关系；然后对模拟信号的变化范围进行分析，经过计算即可得到不同的方向盘位置与转向时各个车轮转速的分配；内外侧车轮产生速度差异，实现差速转向。

4.2 电子差速控制方案

现在的电子差速控制方案在控制车轮的转速的基础上以车轮滑移率为控制目标，以驱动轮转矩为控制变量，在保证汽车操纵稳定性和平顺性的前提下，当汽车直线行驶时，平均分配两轮的转矩和转速；在汽车转向时，对两侧车轮输入不同的转速和转矩，使两驱动轮的滑移率最低，确保行车的安全性。

1）转向时离心力对载荷的影响。在汽车转向时，离心力产生的侧翻力矩对驱动轮的垂直载荷影响较大。沿平直道路行驶的汽车可认为两驱动轮的垂直载荷相同。如下公式：

                     （1）

式中：为之心到驱动轮的距离，

      为汽车质量。

转弯时离心力产生的侧翻力矩为：

                        （2）

式中：为汽车质心到地面的高度。

转弯时驱动轮的载荷为：

                     （3）

                     （4）

又                        （5）

                （6）

式中：为汽车的速度。

对的车体和的转弯状况，可以由代替，且误差小于。由此可得驱动轮内外的载荷比为：

      （7）

2）对驱动电机的转矩控制。控制方向盘输入相当于转矩控制指令，采用线性调节负反馈的电流控制，从图5控制框图得出输出特性，如式（8）所示。

              图5 转矩控制图

                    （8）

式中：为电机相电阻，

      为转矩系数，

      为电动势系数。

                （9）

转弯行驶时内外侧车轮的转矩差及内外侧车轮实际所需转矩分别为：

，          (10)

5. 轮毂电机未来的发展趋势

1）无位置传感器控制技术。传统无刷直流电机都需要一套位置传感器来确定转子位置，这给电机带来了一系列的问题：首先，传感器不但增加了电机的成本，而且占用了电机的内部空间；其次，传感器信号线较多，容易引入干扰；此外，传感器的可靠性与灵敏度易受环境的影响。所以，无位置传感器的位置信号检测技术是发展的必然趋势。

2）弱磁扩速。由于永磁体的励磁恒定不变，电机在基速以下采用PWM调制实现调压调速，此时电机的反电势同转速、气隙磁通成正比。基速及基速以上运行时，端电压已调至最大，随着转速的升高，电机反电势增大，电枢电流减小。当反电势等于端电压时，电枢电流为零，无法产生电磁转矩，电机将停转。为了在基速以上端电压不变的条件下保持一定的电枢电流以产生电磁转矩，要实行弱磁控制。而对方波无刷直流电机而言，传统的弱磁控制不能直接使用,需要新的控制策略。

3）电动车用轮毂电机控制技术。目前轮毂电机所用的低速外转子电动机和高速内转子电动机都是径向磁通永磁轮式电机。高速内转子电机的结构与传统的永磁同步电机或无刷直流电机基本相同。

电机驱动采用轴角变换技术，使用轴角变换芯片将旋转输出信号变换为数字位置信号，供相电流指令合成电路产生各相的电流指令；相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器(CR)处理，控制SPWM型逆变功率电路，驱动电机运行。

轮毂式电动汽车一般有2个或4个轮毂电机，对多个电机实行协制。实现电动汽车驱动的关键技术是驱动电机的运行控制，其中包括车辆行驶的稳定性控制、转向差速控制、系统动力性能优化和节能控制等。在稳定性控制中，以牵引控制为主要研究方向，系统的综合节能策略在电池技术没有足够进步之前，也相当重要。为了更好地对车辆进行研究和优化设计，电动汽车的有效数学模型和快

速有效的系统运行控制算法也是当今世界各国的攻关热点。

6. 总结

轮毂电机驱动系统是一种全新的驱动形式，具有的明显优势，已成为电动交通工具发展的一个重要方向。目前，轮毂电机已在电动自行车的应用上取得巨大成功。可以预见，随着研究的不断深入，电机性能的不断提高,以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破，轮毂电机也将在电动汽车上取得更大的成功。

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