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电动汽车轮毂电机驱动技术的研究与开发
摘要：将驱动电机安装在轮毂内部的结构形式，是有利于电气化、结构布局的一体化和合理化的。轮毂电机是电动汽车驱动系统的关键部件，因此它具有重要的理论价值和应用价值去分析。文章首先阐述了电动汽车驱动装置中的轮毂电机的发展过程和主要优点，然后对轮毂电机的运动方式和驱动方式进行了比较分析。对被视为主要的电动汽车驱动电机的感应电动机，永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机（SRM）和横向磁通电机（TFM）进行了定性比较和分析。最后，分析了轮毂电机驱动电动汽车在国内外的应用和研究现状，提出了轮毂电机驱动技术的突破方向。
关键词：轮毂电机；电动汽车；驱动技术；发展趋势
1.引言
近年来，由于全球能源安全形势和环境变化的趋势越来越严重，电动汽车的发展由于其零排放、低噪声、节能高效的特点已经成为一个被国家实行节能减排战略的重要措施，因此电动汽车在世界上许多国家有着惊人的发展。事实上，轮毂电机作为驱动电动汽车的一种驱动方式，早在1900就诞生了其原型，这项技术是由德国25岁的费迪南德·保时捷发明并应用于配备了前轮双电机的电动汽车，这是电动车轮毂电机的最原始的模型。然而，由于电池技术的相对落后，这在当时并没有造成太大的影响。20世纪50年代初，美国人罗伯特发明了电动汽车车轮，并在美国申请了专利，并于1968年将该技术应用于通用电器公司的大型矿用自卸汽车。目前，日本对轮毂电机电动汽车的研究处于世界领先地位。庆应大学的Shimizu Hiroshi已经开发了一系列不同的轮毂电机电动汽车弥补了过去电动汽车的不足。中国同济大学研制开发了一系列名为春晖的轮毂电机电动汽车，并取得了一定的成功。中国重庆大学也对轮毂电机进行了一系列的研究，如陈和杨研究了轮毂电机驱动的微型电动汽车的散热和温度场，陈采用电磁热耦合方法研究了轮毂电机的磁场和热场。因此，国内外电动汽车轮毂电机驱动技术的研究一直是一个热点。
轮毂电机作为电动汽车的先进驱动方式具有以下优点：
1.轮毂电机驱动技术将动力、传动和制动结合到轮毂上，使结构更加简单，提高了车身空间的利用率。传统的机械传动部件如离合器、减速器、驱动桥等被丢弃，从而减少了机械损失，提高了整车质量和传动效率。
2. 左右轮可以产生不同的速度，甚至车轮转向可以反转，因此类似的履带式车辆的差速转向可以实现，所以车辆的转弯半径可以减少以及有可能实现零半径转弯。
3它为车辆ABS、ESP、TCS等集成提供了方便，基于对车轮的驱动力和制动力控制迅速的特性。从而大大提高了行车安全性和行车稳定性。
4每个驱动轮都具有快速精确的转矩响应，使瞬时动态性能优越。此外，轮毂的电控刹车易于实现，也就是说，在轮毂电机上也很容易实现再生制动的功能，从而大大提高了能量利用率。
最重要的是，将轮毂电机驱动技术应用于电动汽车，既符合全球节能减排的趋势，而且改变了对驱动模式的传统思维方式，有利于保护环境和进一步提高电动汽车的性能。因此，研究轮毂电机驱动技术具有重要的意义。
2轮毂电机驱动系统分析
2.1运动模式
目前，大多数轮毂电机都是平的，其外形和整体结构基本相同。轮毂电机主要由定子、轴承、微逆变器、线圈、转子、悬架、电气控制组、轮毂等组成。英国的Protean Electric公司改进了Protean Drive公司的轮毂电机，其结构图如图1所示。根据转子的形式，将内轮电机分为内转子、外转子和双转子三种类型。内转子式通过行星齿轮和齿轮环机构实现减速，从而带动车轮转动。外转子式车轮由转子直接驱动旋转。在双转子式中，内转子是主动的，外转子是从动的。二者通过一组行星齿轮实现反向旋转，从而实现传动，使磁场切割导体的速度等于内转子和外转子的速度之和。双转子式速度叠加和机械联动巧妙结合，不仅给电机设计带来了广阔的空间，而且减轻了负载扰动，使冲击载荷稳定，给蓄电池带来了良好的保护。
图1 “Protean Drive TM”轮毂电机结构图示
2.2驱动方法
轮毂电机驱动方法分为减速驱动法和直接驱动法。内转子轮毂电机为减速驱动方式，电机运行速度快，对其它性能无特殊要求。图2展示了轮毂电机的减速驱动方法。行星齿轮减速机构是高速内转子电机最常用的减速器，它由行星齿轮、中心齿轮和行星齿轮架组成，安装在电机和轮毂之间。通过行星齿轮减速机构增加电机输出转矩后，带动轮毂转动，使车辆向前运动。减速驱动方法具有比功率高、效率高，体积小，重量轻，较大的输出扭矩通过行星齿轮减速机构增加扭矩后爬坡性能好，车辆可以在低速情况下获得更大的平稳转矩等优点。不足之处是难以实现液体润滑，齿轮磨损快、使用寿命短，不易散热，噪音太大，系统结构复杂等。因此，减速驱动方式适用于山区、山地等超容过载的场合。
外转子轮毂电机是直接驱动方式，电机在低速时能传递大转矩。轮毂电机的直接驱动方法如图3所示。电机的外转子直接与轮毂连接，没有减速机构，车轮转速与电机转速一致。直接驱动方法具有不需要减速机构，传动系统简单并且紧凑，效率高，响应速度快等优点。不足之处是在大转矩下的强电流容易损坏电池和永久磁铁，电机最高效率区间小和负载电流超过一定值后效率下降快。因此，直接驱动方法适用于城市工作场合。
图2 轮毂电机减速驱动方式
图3 轮毂电机直接驱动方式
3. 轮毂电机的主要类型
为满足电动汽车的工作需求，驱动电机应满足下列要求：扭矩和功率密度、体积小、重量轻、调速范围大、响应速度快、在较宽范围内具有高效率，能量回收效率高等。目前，电动汽车的电机主要包括感应电机（IM），永磁无刷直流电机（PMBLDCM）、开关磁阻电动机（SRM），横向磁通电机（TFM）等。
3.1异步电动机
感应电动机的定子一般是没有线圈的铝管。它具有成本低、可靠性高、维护方便、噪音低、极限转速高的优点。因此，感应电机适用于工业驱动场合，并经常受到欧美国家的青睐。但也存在着很多缺点，如能耗高、线路修改复杂、调速性能差、转子杆易损坏等。
3.2永磁无刷直流电动机
永磁无刷直流电机是一种直流电机，可以由一个或多个永磁体组成，可以通过改变电枢电压轻易调速。永磁无刷直流电机具有体积小、效率高，结构简单、可控性好、调速范围宽的特点。它本质上是交流电动机。由于换向器无电刷磨损问题，故可在高速环境下工作，可靠性高，使用寿命长，无需定期维护。由于使用永磁体产生了气隙磁场，其功率因数高，转子的损耗和发热低，且效率高。永磁无刷直流电机已成为电动汽车轮毂电机的主要电机。
3.3开关磁阻电动机
开关磁阻电动机有双凸极结构的特点，内部电机具有非线性磁路结构，控制电路具有时间周期变化的开关特性。由于其结构简单、成本低、可靠性高、性能优良等优点，已成为电动汽车驱动系统中最理想的方案之一。然而，开关磁阻电机的大转矩脉冲容易产生大的振动和噪声，这对电机本身和电动汽车的传动机构是有害的。因此，在使用开关磁阻电机时，必须对轮毂电机进行仔细的设计，并从控制的角度采取合理的改进策略。
3.4横向磁通电动机
在该模型下的磁场分布在三个维度，以及绕组和磁路在结构上完全解耦。通过独立调节线圈的截面积和磁路的大小，可以提高电力负载和磁负载，从而获得更高的功率密度和更高的转矩密度。横向磁通电动机也存在一些缺点，如结构复杂，工艺差，漏磁量大，功率因数低，并且由于只有一半的永磁体参与电机的运转而存在着材料和空间的浪费。横向磁通电动机作为轮毂电机的驱动电机具有广阔的应用前景。目前，研究主要集中在结构、工艺改进和对少数电动机损耗的研究上。表1所示比较了各种类型电动机的性能。从表1可知，永磁无刷直流电机适用于电动汽车轮毂电机。
表1 多种电动机的性能比较
4.轮毂电机驱动技术在电动汽车上的应用
轮毂电机驱动技术节省了车体的空间，省去了传统的传动装置，使电动汽车变得轻巧灵活，同时也降低了电池的消耗，提高了车身的稳定性。由于轮毂电机驱动模式具有的各种优势，工业上采取了它作为电动汽车的首要驾驶模式，所以国内外的研究人员对此进行了一系列的相关研究与改进。日本在轮毂电机电动汽车的研究中处于世界前列。日本庆应大学的Shimizu Hiroshi教授带领的研究团队，在1991年到2001年开发IZA、KAZ等利用了轮毂电机驱动技术的电动汽车。2011年Hiroshi创立了”SIM-Drive”，设计了爱利卡电动汽车。八轮电动汽车的最大速度是370公里/小时，每轮由独立的60 千瓦马达驱动。在同一年，Hiroshi展示了一种新的轮毂电机测试车辆“SIMLEI”。轮毂电机驱动的电动汽车一次充电可行驶308公里，从静止加速到100公里/小时的加速时间是4.8秒，最大速度可达150公里/小时。2014年、“SIM-Drive”发布了第二代电动汽车测试产品“SIM-WIL”。车辆的加速性能也与中等跑车媲美，采用了轮毂电机来提高能量的传动效率，旅行距离比使用相同的电池其他车辆要远30%以上。与“SIMLEI”相比，新型汽车的电池在拥有更小尺寸的同时容量增加了40%。
2007年，法国米其林公司为电动汽车开发了一种特殊的电动轮。电动轮与嵌入式主动悬架、驱动电机、悬浮电机和盘式制动器相结合，据说这种电动轮可应用于任何型号。2008年，法国汽车制造公司文图瑞在巴黎车展上展示了他们对使用了米其林的“驱动轮”技术四轮驱动的概念版跑车“Ventu-ri volage”研究和开发。
福特汽车公司于2013推出福特嘉年华，作为发展eWheelDrive的轮毂驱动车的基础。eWheelDrive的轮毂电机驱动系统包括一个集成在两个后轮上的独立的电机，和采用了新设计的转向系统，使车辆能无侧转地直接进入横向停车场。
广州汽车集团在2010年12月的广州车展上展示了以Alpha Romeo 166底盘为基础生产的传祺纯电动汽车，两后轮采用Electric Protean公司的轮毂电机，其峰值功率为83 k千瓦，峰值扭矩为825牛米。奇瑞汽车公司在2011年的上海车展上展示了拥有336伏轮毂电机的纯电动汽车瑞麒X1 EV，电动轮的四轮由轮毂电机驱动，各轮的驱动力可单独调节。
目前，世界领先的轮毂电机制造商，包括英国的Electric Protean公司、加拿大的 TM4公司、著名的轮胎制造商米其林集团和日本的普利司通公司，其中，Electric Protea中国江苏的溧阳建立了一家工厂，来发展轮毂电机的中国大陆市场和海外事业。
5.电动汽车轮毂电机驱动技术的发展趋势
轮毂电机驱动技术是一种新兴的、先进的电驱动技术，具有很广阔的发展前景。但目前轮毂电机在商业应用中还存在一些技术难点。根据前面的分析，本文提出了轮毂电机驱动技术的未来发展方向，主要包括以下几点。
5.1电子差动控制技术
在抛弃了不能通过机械差动装置实现由轮毂电机驱动的电动汽车进行差动控制的传统机械传动部件后，轮毂电机驱动的电动汽车改变了传统汽车驾驶模式，所以尽管存在电子差速，当车辆速度超过一定值时，汽车的方向稳定性会较弱。目前，国内外在这个领域内进行着很多研究。周和李等人提出了每个驱动电机的转矩和速度都是由车辆控制器调节的，因为每个车轮的控制必须与车辆的运动规律相协调，控制系统非常复杂，技术难度较大。唐和翟等人提出了神经网络的电子差分控制策略，降低了系统的复杂度，但神经网络普遍缺乏大量的数据，增加了实现的难度。因此，未来的电子差分控制技术应进行简单化、智能化、可靠性、精确性和其他方面的研究。
5.2制动一体化技术
轮毂电机安装在驱动轮毂内部，在轮毂内部布置机械制动卡钳和制动盘的狭小空间内，会导致结构复杂度呈几何级速度增加，大大增加了制造和设计的难度。这种情况下，在电池充电不足、制动可靠性低时，制动力不足，将无法实现再生制动。目前，轮毂电机有机械制动一体化方案，但方案还不成熟。环盘形制动的制动臂较大但制动衬片的面积小，所以容易有变形，振动，热能化等问题，其制动能力和可靠性仍有待验证。韦提出了综合电制动和机械制动的复合制动控制，这可能是电动汽车轮毂电机制动技术的未来发展方向。因此，制动集成技术应朝着能量回收、制动可靠性和复合制动的方向发展。
5.3簧下质量
由于轮毂电机驱动电动汽车需要把这些构成了非簧载质量主体的驱动电机或者电机加减速机构和安装在轮毂内部的刹车整合在一起。因此，如果我们不采取有效措施去提高轮毂电机驱动电动汽车在垂直方向振动的振幅，则会影响轮胎的附着力，不利于汽车的控制，同时也降低了车辆的乘坐舒适性。同时，电机将承受路面带来的的强烈冲击负荷从而影响电机的使用寿命。所以研究降低轮毂电机的非簧载质量的方法具有重要的意义，它可以指导轮毂电机的设计、结构改进及理论分析。Hredzak等人引进了一种由轮毂驱动的盘式电机的创新设计方案，为簧上质量和主要通过半轴驱动轮的转子定子过渡，从而改变了悬挂质量和簧下质量比。但车轮的地面冲击会直接传递到电机转子上，从而引起电机磁场的变化，增大了转矩脉冲。Nagaya等人提出的电动机悬置，利用电机的质量构成减震器，控制了非簧载质量引起的竖向振动的不利影响，从而在较广的速度范围内提高了车辆的乘坐舒适性和安全性。因此，非簧载质量的未来研究应该是在轻量化、结构合理等方面。
5.4轮毂电机冷却技术
由于安装空间小，操作条件复杂，功率密度大，没有排风扇，散热环境恶劣等，容易引起高温。但是，轮毂电机受地面冲击振动的直接影响，路面浑浊的水和沙子飞溅导致工作环境十分恶劣，所以从轮毂电机的保护和维护的角度来看，密封性越好，电机表现的性能越好。这使得轮毂电机产生的热量更难以扩散，这不仅影响了轮毂电机的工作性能，而且降低了安全性和使用寿命。因此，电机的散热和强制冷却也是一个难题。川岛和金本提出了利用安装在轮毂内部叶片形状的辐条产生的气流去冷却制动盘和轮毂电机。实验结果表明，
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