基于轮毂电机驱动的电动汽车技术探讨

摘要：随着节能减排的有关政策标准相继出台，传统动力汽车逐渐向新能源汽车过渡。后者在机械与电气结构上明显比前者相对简单。通过将电机与电池进行系统整合来替换传统的发动机了。然而还有一个最大的问题困扰着电动汽车开发人员，除了变速箱结构得到了相应简化，传动系统还是非常复杂。目前，轮毂电机技术如果能够完全推广，将能取代汽车现有传动系统。

一、应用背景

众所周知，电池、电机、电控是新能源汽车必备的三大核心部件。当前的新能源汽车，均采用电机驱动系统将电能转化为机械能为汽车提供动力，因此驱动电机也是新能源汽车的核心技术之一。

图 1 新能源汽车主要系统架构

目前，集中电机驱动是电动汽车动力的主要驱动形式。虽然其优点很明显，即传动系统和控制系统的布置相对简单，但是也存在着一些问题。由于通过这类电机驱动的新能源汽车存在变速器、离合器、传动轴等机械传动部件，使得底盘结构更加复杂，随之带来的影响就是乘坐空间十分狭小，而且传动系统通过机械部件传递动力的同时会造成能量的损耗，造成能量利用率低下。

另外，这种传动系统在新能源汽车行驶过程中会产生较大的噪声，乘坐人员的舒适性并不能得到保证。国外的专家学者早年就开展了轮毂电机驱动的技术研究，从而优化了新能源汽车底盘中电机驱动的结构紧凑度、能量利用效率等问题;而国内相关院校和单位针对轮毂电机驱动技术的研究尚浅。目前，轮毂电机驱动技术已经在部分新能源汽车上应用并取得了较好的进展。

二、轮毂电机的概念

轮毂电机技术的起源可以追溯到20世纪元年，当时的费迪南德·保时捷在还没创立PORSCHE汽车公司时就研制出了前轮装备轮毂电机的电动汽车。上世纪70年代，轮毂电机技术运用在矿山运输车上取得不错的反响。另外，日本车企在关于乘用车轮毂电机技术方面的研究开展相对较早，基本占据领先地位。丰田和通用等国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。与此同时，国内也逐渐诞生出研发轮毂电机技术的自主品牌厂商。

图 2 历史上的轮毂电机汽车

轮毂电机，通俗得讲就是将金属轮毂和驱动装置直接合并为整体的驱动电机，换句话说也就是将驱动电机与传动制动装置都合并到轮毂中，俗称“电动轮”，也叫作轮式电机(wheel motor)。其内部包含了轴承、定子和转子、小型逆变器等。

图 3 轮毂电机内部结构(Protean Drive TM)

三、轮毂电机驱动方式

(1)减速驱动

此驱动方式采用高速内转子电机，同时配置了固定传动比的减速器，功率密度相对较高，该电机的转速最高可达到10k r /min。

优点: 具有较高的比功率和效率，体积小，质量轻;减速结构增矩后使得输出转矩更大，爬坡性能好; 能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。

缺点: 难以实现润滑，行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快，使用寿命相对变短，不易散热，噪声比较大。

(2)直接驱动

此驱动方式采用低速外转子电机，电机的外转子直接与轮毂机械连接，电机的转速一般在1.5K r /min 左右，无减速结构，车轮的转速与电机转速一致。

优点: 由于没有减速机构，使得整个驱动轮的结构更加紧凑，轴向尺寸也较前一种驱动形式小，传递效率更高。

缺点: 在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流，很容易损坏电池和永磁体，电机效率峰值区域小，负载电流超过一定值后效率下降很快。

四、国内外现状

(1)日本三菱

三菱公司(Mitsubishi)的MIEV 技术始于2006年，并应用于其 MIEV样车上。目前该样车已经发展到了第三代。其中比较有代表性的是 Colt EV 及四驱跑车(Lancer Evolution MIEV)。其中三菱的轮毂电机技术是日本东洋电机提供，该轮毂电机具有以下特点：逆变器采用 BOOST升压方案，且为每台电机由一台逆变器控制;电机采用永磁同步电机与轮毂的一体方案，保留原有的制动器及减震系统;东洋电机方案同样具有冷却的问题，采用自然冷却，且未批量推广。

图 4 系统示意图

(2)法国米其林

Michelin公司开发了动态减震轮毂电机系统。该系统在电动机和车轮之间增加了一套减震装置，从而提高了车辆的行驶平顺性和主动安全性。该公司最新公布的新一代轮毂电机系统的特点如下：轻量化和结构紧凑化，而且减少了系统质量; 独特构造的悬挂装置，电机的悬挂装置是由直线状导块、螺旋弹簧、减震器、缓冲挡块构成，并位于车轴与电机之间，由直线导块控制电机的上下运动，螺旋弹簧则支承电机的重量，减震器用于减震;电机可靠性的提高，电机应用的密封技术以及部件耦合技术，使得轮毂电机在灰尘与雨水的特殊环境下具有更高的可靠性。

图 5 轮毂电机驱动系统(Siemens / Michelin)

(3) Protean-E

Protean-E 轮毂电机采用分布式电机方案，即一体化的电机中包括8个共用母线小型永磁电机，环形电容旋转在电机内部，逆变器也同样分为8 组模块固定在轮毂上，Protean-E的电机系统散热采用自然冷却。

图 6 Protean-E电机装配图