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1 开发背景介绍

不依赖于汽车的车身结构，可对应多种驱动形式的某公司研发的轮毂驱动系统，作为下一代的驱动单元备受关注。在车轮附近配置轮毂驱动系统，通过削减发动机等动力总成部件，达到实现车辆的轻量化、控制每一个驱动车轮的驱动力、扩大车内空间的目的，提升汽车的环保性能、安全性能、舒适性能。因此，很多以实用化为目的的研究正在进行中，如图1所示。

图1 轮毂驱动系统的优势

图2 轮毂驱动系统示意图

为实现轮毂电机小型化，某公司开发了 “带变速机构的轮毂驱动系统”。轮毂驱动系统是由两个驱动电机搭载两个行星齿轮组成的变速系统，可以实现高驱动扭矩及小型驱动电机的转速高速化。另外，该变速机构可通过控制两个驱动电机的速度和扭矩，实现平稳地加速。运用轮毂驱动系统的小型化技术，完成“带变速机构的轮毂驱动系统”的验证试验，通过轮毂电机的试验与评价所获得的结果，可迅速掌握减速机轮毂轴承一体化、单向离合器单元、微型保持架/滚子轴承等相关组件的必要性能，以达到商品化目的，如图2、图3、图4所示。

图3 轮毂驱动系统的主构成部件

图4 试验搭载样车示意图

2 轮毂驱动系统介绍

如图5所示，带减速装置的轮毂电机系统，由一个车轮底盘纵臂通过叉架的叉形载体悬挂在车架上。在车轮侧，底盘纵臂与转向支架联结，车轮底盘纵臂通过叉架上的支柱轴承从上面支撑。作为一种选择，驱动车轮模块可以配备轮毂驱动系统，轮毂电机驱动系统可以通过附加结构提高或降低车辆的高度，实现乘座舱的高度调节功能。

图5 轮毂驱动系统实物示意图

图6 再生制动与机械制动的相互作用

轮毂驱动系统的驱动电机采用无刷励磁同步电机，与异步驱动电机系统相比，这种驱动电机具有功率密度大等优点。在安装空间有限的轮毂驱动系统上使用时，这是特别重要的。在目前的可行性研究设计中，四个驱动电机每台300V工作电压，可提供13kW的连续输出和25kW的临时峰值输出。每台电驱动总成的额定转矩为250Nm，60秒内峰值扭矩500Nm。驱动电机系统的最高转速为1400r/min。驱动电机的扭矩通过三个行星齿轮减速机构传递到驱动车轮，行星齿轮减速机构的减速比为3.35。在90%的使用工况时，轮毂驱动系统的系统效率处于一个非常高的水平。液冷冷却系统可以确保轮毂驱动系统的热稳定性。为达到此冷却目的，大量的冷却通道通过冷却剂流动到内嵌在驱动电机的外壳内。

当车辆制动时，轮毂电机作为发电机工作，并将电能反馈给汽车的动力蓄电池。由于采用了适应性的控制策略，优化了再生制动和机械制动的相互作用，在不牺牲乘客舒适度的前提下，实现了尽可能高的回收率，如图6所示。

结构构成：

（1）驱动电机A与驱动电机B采用同轴布局，可以降低径向高度，可实现轴向最小化的设计，如图2所示；

（2）该轮毂驱动系统采用三级减速比，共设计有3套单排行星系，驱动车轮-轮毂与最终减速机构的齿圈为集成化设计，进一步降低了轮毂驱动系统的空间，实现了小型化；

（3）高速挡工况，驱动电机A与驱动电机B为同一旋转方向，共同驱动车轮，如图7所示；

图7 轮毂驱动系统-高速挡工况示意图

（4）若改变驱动电机B的旋转方向，通过内部的单向离合器控制行星架，可实现向低速挡的切换，如图8所示；

图8 轮毂驱动系统-低速挡工况示意图

（5）驱动电机的动力由行星齿轮等部件逐级传递到轮毂等部件，并最终与减速机构的齿圈集成一体化设计，如图9所示。

图9 轮毂驱动系统-最终减速机构示意图

图10 显示了激活和控制车轮模块的相关信号流

从以上结构我们可以得知，轮毂驱动系统的轮距空间较为充裕，相比车身高度更为敏感，故而日系车企多采用行星系方案实现，以此来降低车轮的重心高度；为满足其动力性、经济性，通常采用增加挡位来满足，以适应复杂的路况；挡位的增加通常可以采用离合器方案，但必须增加执行器系统或液压系统，考虑到其空间的有限性，必须采用取巧的设计方案（比如单向离合器，通过其调整输入/输出的位置关系，即可实现速比的改变）。

软件方面，线控转向系统和驱动的复杂控制算法构成了软件开发的核心部分。一方面，单轮转向带来的功能范围大，需要在控制软件中体现出来；另一方面，需要在软件中实现大量的安全电路和冗余。高度自动化驾驶功能的控制单元在图8中以红色线进行标记，通过CAN总线直接与整辆车的控制器连接。除此之外，它还控制刹车和制动能量回收功能，以及空调等舒适性配置。在开发和测试阶段，一名驾驶员将在车上监控驾驶功能，并在必要时使用中央操纵杆进行干预；如图11所示。

图11 驱动动力学控制器控制四轮驱动的力分布

为了实现加速过程或上坡时所必要的较大驱动扭矩以及最大速度，需驱动电机大型化，以致没有被广泛地运用。所以提高汽车的环保性能、安全性能、舒适性能的轮毂电机的小型化技术可能是未来的发展方向。

如图2所示，通过设计结构分析可以发现其采用单排行星系形式，此种结构优势为减速比大、体积小，可适用于空间小、大速比的场合齿轮通常采用磨齿工艺，提升其NVH性能，劣势为加工制造成本相对较高，需要市场的规模化效应来降低成本。

3轮毂电机的优缺点

3.1 轮毂电机的优点

（1）省略大量传动部件、让车辆结构更简单

对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的，而这些部件不但重量重，而且让车辆的结构更为复杂，同时也存在需要定期维护的问题。但是轮毂电机很好地解决了这个问题。除了结构更为简单之外，采用轮毂驱动系统的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少。

（2）可实现多种复杂的驱动方式

由于轮毂驱动系统具备单个驱动车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、后驱还是四驱形式，它都可以比较轻松地实现，全时四驱在轮毂驱动系统的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂驱动系统可以通过左/右驱动车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向(不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大)，对于特种车辆很有价值。

（3）便于采用多种新能源车技术

新能源车型不少都采用电驱动系统，因此轮毂驱动系统也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车，抑或是增程电动车，都可以用轮毂驱动系统作为主要驱动力；即便是对于混合动力车型，也可以采用轮毂驱动系统作为起步或者急加速时的助力，可谓是一机多用。同时，新能源车的很多技术，比如制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂驱动系统车型上得以实现。

3.2 轮毂电机的缺点和解决方案

（1）轮毂驱动系统的过热退磁问题

在汽车制动工况时，制动器会产生大量的热量，热量会直接传到驱动电机上，驱动电机永磁体温度达到140℃的时候就会出现退磁现象，高温导致退磁，从而直接影响整车性能，目前还没有好的设计方案解决这个问题。驱动车轮由于经常需要处在大负荷低速爬长坡工况下，驱动电机又放置在狭小的车轮内，容易出现冷却不足导致电机过热，另外制动也会导致驱动电机过热。轮毂电机材料退磁是业界比较关注的问题。

在不影响驱动电机使用效率的情况下，通过严格的散热分析，决定采用水冷的方法进行散热，主要是从冷却水路的布置当中考虑，完全能够达到整个驱动电机的使用要求。

目前已经设计出来水冷系统来冷却驱动电机-定子组件，驱动电机-转子组件可以由风来冷却。另外，驱动电机最大的热量来自制动器，汽车在制动过程中产生的热量会对驱动电机有附加影响，如果把热量有效隔开，也可以减轻驱动电机的热负荷。

解决方案是将硅钢片放置在刹车盘内进行防护，汽车在制动时摩擦产生的热量会进行一层层隔热处理，加上在驱动电机-定子组件里使用冷却水进行降温处理，从而使驱动电机的材料不会达到永磁体退磁的温度。

（2）轮毂驱动系统涉水、涉泥等恶劣工作环境下的密封设计问题

因为整个轮毂驱动系统布置在驱动车轮的内，在当今国内的环境（如河南暴雨、北京暴雨等）的不友好性，会加剧轮毂驱动系统的密封（防尘、防水）功能困难性（高压部件的密封、油液密封）；要达到轮毂驱动系统的密封的状态，而驱动电机又是机械件肯定会产生热量，所以驱动电机运转速度越快对散热部件的要求就越高，故而会在轮毂驱动系统中设计有通气结构，这往往会导致其通气功能的丧失，在设计时需要注意。

（3）轮毂电机定转子承受冲击载荷导致变形损坏的结构强度设计问题

轮毂电机在其使用寿命期间承受的冲击和应力远远超过任何其他型式的驱动电机，因为它们几乎经常与道路直接接触。轮毂驱动系统一般只经过轮胎一级减振，系统对电机允许最大振动加速度要求大、疲劳寿命要求高，而外部冲击在很大程度上取决于轮毂电机的车辆类型，因为驾驶风格、驾驶周期和车辆占用率的变化会导致车辆的质量和重心（CoG）发生变化。例如，由于轮胎与道路之间更恶劣的相互作用，重型商用车和越野车上的轮毂电机将承受更高的外部负载。因此，轮毂电机的开发模型中必须包括大量的研究、模拟和测试，以迭代在其使用寿命内承受各种负载的电机。

（4）轮毂驱动系统的悬架和转向系统匹配优化问题

前期某家公司所发布的18英寸的轮毂驱动系统，单个驱动电机的重量达36kg，但是一般18寸的普通轮胎重量只有12kg左右，3倍的重量差，四个轮毂驱动系统的重量增加将近100kg的重量。

簧下质量的增加会导致轮毂驱动系统的转动惯量增大，给整车带来的影响就越大，这对于车辆操控和舒适性都很不利。虽然可以通过重新设计悬挂系统的簧上、簧下重量比，采用轻量化的材料及底盘悬挂系统的调校来减轻对操控性能的影响，但是既要轻量化又要减振本身就存在冲突，所以这是一个需要长期平衡的系统性工程，成熟度也需要在实际应用中慢慢打磨，如图12所示。

图12 轮毂驱动系统转向示意图

图13 轮毂驱动系统的实物示意图

5轮毂电机的产业化和未来发展展望

轮毂驱动系统只能在非常有限的特殊环境中应用，对于普通乘用车来说，不能仅就轮毂驱动系统本身论述，必须从整车角度来看轮毂驱动系统在产业化应用的可能性。从整车的角度，对于真正意义的新能源电动汽车来说，轮毂驱动系统在2025年前没有产业化的可能。目前来看，轮毂驱动系统除了电机材料过热、退磁和簧下质量增加存在争议外，轮毂驱动系统如何与整车有效集成以及驱动电机的一致性、耐久性的问题也成为影响产业化进程的因素。

在集成化方面，如果要匹配轮毂驱动系统，整车要改进悬架参数，但这并非技术瓶颈。在我们把燃油车改成新能源电动化汽车时，由于簧上质量加重，悬架进行了调整，那么在应用轮毂驱动系统时，悬下质量加重也需要调整这一部分。

无论是解决噪音还是散热问题，很有可能会产生额外的部件，加上轮毂驱动系统本身就要开发配套的制动系统，每个轮毂电机都需要一套独立的电控系统，IGBT、芯片及元器件这些重要的电子件进口价格比较高，总体下来成本压力非常大，这是产业化的硬伤。轮毂驱动系统的轴承是驱动电机转动和承载的重要部件，既承受轴向载荷又承受径向载荷，是轮毂驱动系统非常容易发生故障的部件之一，如表1所示。

表1 某家轮毂驱动系统产品族谱

虽然轮毂驱动电机还面临其他的问题和挑战，但依旧有越来越多的国内汽车厂商和电机生产商开始关注到这项技术，比如一汽-大众和广汽传祺纯电动汽车都曾尝试使用轮毂驱动系统。国内研发轮毂电机的企业屈指可数，但也不乏勇于开拓的新军出现。湖北泰特机电有限公司是国内比较早布局轮毂电机的企业，轮毂电机已经在全球8个国家10多条纯电动商用车的路线上运营，最早的一批是从2009年开始营运，但其产业化的价值还有待观察。

虽然目前轮毂驱动系统还处于小范围试验阶段，但被业界很多人看作是未来新能源汽车驱动解决方案，如果能在工程上解决技术难题，轮毂驱动系统的驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。

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