轮毂电机在电动汽车上的应用研究

洪 兢，谭 梦，张 雄

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510640）

0 引言

当今，发展新能源产业和低碳经济有利于社会的可持续发展，传统汽车工业逐步向电动汽车产业转型势在必行，纯电驱动化是汽车的未来发展趋势。作为电动汽车三大关键核心技术之一，驱动电机技术及其应用水平的提升，将在电动汽车的发展过程中发挥重要作用[1]。

相对于常见的中央布置式驱动电机，轮毂电机设计安装在车轮的轮辋内，输出扭矩直接传输到车轮，是一种全新的电动汽车驱动形式。与传统电机相比，轮毂电机具有以下优点[2]：

（1）轮毂电机安装在车轮内部，直接驱动车轮，省略了传统的变/减速器、差速器、传动轴等机械传动部件，提高了传动效率，降低了机械噪声；

（2）采用轮毂电机使得汽车整体结构大为简化，提高了车内空间的利用率，在不影响乘员乘坐空间的情况下，释放更多的空间用于布置动力电池，以增加电动汽车的续驶里程；

（3）安装轮毂电机的各驱动轮的驱动力独立可控，使得整车的动力学控制更为灵活，方便地实现底盘系统的电子化和智能化，如差速、防滑、电制动及辅助转向等功能；

（4）安装轮毂电机只需对悬架安装部分稍作改动，而不需对整车结构进行大改，甚至不需改变原车的动力总成系统，即可方便地实现原车的电动化。

可见，轮毂电机的应用改变了汽车传统的驱动方式，具有不可替代的特点与优势，必将在电动汽车上得到广泛应用。

1 轮毂电机在电动汽车上的应用研究

2010年12月广州车展上，广汽集团首次展出了轮毂电机驱动的纯电动传祺轿车。该车为后轮驱动，采用了世界领先水平的新型轮毂电机，具有结构紧凑、集成度高、重量轻、扭矩大等特点。整车动力强劲，实现零排放，续驶里程长，并保持了传祺轿车宽敞的驾乘空间与行李箱容积。2012 年6 月，笔者所在单位在原有展车的基础上进行了设计改进，开展了第二代纯电传祺轿车的开发工作。

本文结合单位开展的采用新型轮毂电机的纯电动轿车的开发和试验工作，对轮毂电机在电动汽车上的应用进行研究。

1.1 轮毂电机的结构

纯电传祺轿车所采用的轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动，电机定子、转子以及逆变器集成为一体，由8 个逻辑上的子电机组成，使用共同的转子，并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。这种“分布式”的结构可降低对每个子电机的功率要求，因此可以采用小体积、低成本的功率电子器件，使得整个电机可以集成得非常紧凑；而通过对8 个子电机进行合理的协同控制，可将各子电机输出的功率、扭矩进行叠加，实现整个电机强劲的驱动力；同时，若其中1 个子电机发生故障，其他的电机仍可以继续正常工作，而不会导致汽车直接抛锚。

该轮毂电机的结构如图1 所示，由转子、轴承、定子、功率与控制电子模块以及密封背板等部分组成。

图1 轮毂电机的结构

（1）转子：转子内圈镶嵌有永磁体，共64极。

（2）轴承：轴承内端与定子以及车辆悬架轴节连接，外端与转子以及轮辋连接。轴承可直接采用与原车匹配的轴承，仅需对转子及定子上与轴承配合的安装孔的位置稍作修改即可，电机的主体结构完全不变。这使得该轮毂电机可以方便地实现模块化与通用化，降低生产成本。另一方面，由于采用了原车的轴承，悬挂轴节也几乎不需做任何改动即可安装，降低了汽车电动化的难度。

（3）定子：定子本体为环形中空结构，铸造一次成型，线圈绕组安装在定子本体的外圈；定子本体中空部分为电机的冷却水道，为绕组以及功率电子模块散热。

（4）功率与控制电子模块：此部分为整个轮毂电机的核心，负责各个子电机的逆变功能以及协同控制。得益于“分布式”子电机结构，功率电子模块可以做得非常紧凑，整个模块封装在一个环形盒中，安装在定子本体内侧。

（5）密封后盖：在外圈与转子连接，随转子一起旋转。后盖内圈装有环形密封胶圈，防止外界的水和杂物进入定子与转子之间的缝隙。

该轮毂电机的主要技术参数如表1所示。

表1 轮毂电机的主要技术参数

1.2 机械制动器的集成

轮毂电机安装在驱动轮的轮毂内，占据了原来布置机械制动卡钳与制动盘的空间，导致无法沿用原有的机械制动器。若仅靠轮毂电机的电回馈制动，存在制动力不足、电池SOC 高时无法实现电回馈制动、制动可靠性较低等问题。汽车的制动能力是关系到人车安全的重要问题，因此必须在轮毂电机上集成比较成熟的机械制动器。

轮毂电机集成机械制动器的解决方案如图2所示。与传统制动器内制动盘外卡钳式的结构不同，外转子式轮毂电机中间的定子部分不随车轮转动，无法安装传统的制动盘，因此采用了内卡钳外环式制动盘的结构。机械制动器主要由连接环、环形制动盘、制动卡钳及支架等几部分组成。环形制动盘通过连接环与电机转子固定，连接环除了起连接作用外，还对环形制动盘起到隔热的作用，避免所产生的制动热量过多地影响电机本体。制动卡钳分为行车制动卡钳与驻车卡钳两个，通过支架固定在电机定子上，所用的制动油管和驻车拉索结构与原车完全一致，只需根据情况对长度稍作修改。

通过仿真及试验，表明该制动器可提供达1 000 N·m的机械制动力矩，同时环形制动盘的温升保持在合理的范围内。

图2 轮毂电机集成机械制动

1.3 轮毂电机在车上的安装

由于轮毂电机直接采用了原车所用的第三代轮毂轴承，因此轮毂电机可以与原车悬架轴节直接配合安装而不需要对原车的悬架结构进行改动，只需将轴节上原来用于安装传统机械制动器的羊角通过机加工切除即可。轴节与轮毂电机的固定如图3 所示，安装完成的轮毂电机与原车悬架的关系如图4所示。

图3 轴节与轮毂电机的连接固定

1.4 纯电动传祺整车的开发

采用轮毂电机驱动的纯电动传祺轿车在广汽自主品牌“传祺”轿车平台上进行开发，拆除了发动机、变速箱、燃油箱、排气管等传统动力系统零部件，安装了动力电池、轮毂电机、DC/DC、车载充电机以及小三电（电动空调、电动转向、电动真空泵）等电动化零部件。整车动力系统架构拓扑关系如图5所示。

图4 轮毂电机安装完成的悬架状态

图5 整车动力系统架构拓扑图

得益于轮毂电机不需占用发动机舱的优势，纯电传祺在发动机舱布置了动力电池包，加上原车燃油箱位置的电池包以及后备箱电池包，三个电池包总能量达31 kWh，保证了单次充电的续航里程。三箱电池的布置情况如图6所示。

图6 三箱动力电池的布置情况

纯电传祺的整车主要参数如表2 所示。可以看出，装载轮毂电机的纯电传祺轿车的动力性能十分优越，0～100 km/h 的加速时间少于10 s；单次充电最大续驶里程超过200 km，优于绝大多数同类电动车型，完全可以满足日常用车的要求。

2 轮毂电机的应用仍存在的问题

与传统的中央布置式驱动电机相比，轮毂电机有其不可比拟的优势。然而，现阶段轮毂电机在电动汽车上的应用仍存在一些技术问题。

表2 纯电传祺轿车整车主要参数

（1）结构复杂。轮毂电机具有结构紧凑，集成度高的优点，但同时却带来了结构复杂、可靠性差、维修难度大等问题，使用的维保成本较高。

（2）工作环境恶劣。轮毂电机安装在汽车轮辋内部，在汽车行驶过程中，将直接受到地面的振动冲击，以及路面的泥水砂石的飞溅，工作环境十分恶劣，如何提高电机的抗冲击能力以及密封性能，需要经过长期的试验验证以及不断的技术改进。

（3）机械制动的集成。目前轮毂电机已有了机械制动的集成方案，但该方案并不成熟，所采用的环形制动盘制制动力臂大，摩擦片制动面积小，存在易变形、抖动大、发热量大等问题，其制动能力及可靠性仍有待验证。

（4）簧下质量的增加。轮毂电机安装在汽车轮毂内部，导致了汽车簧下质量的大幅增加，这将影响整车的平顺性以及操稳性，需要对汽车的悬挂系统参数进行针对性的改动。

3 总结

与传统电机相比，轮毂电机具有结构紧凑、集成度高、性能优异等优点，在电动汽车上的应用是一种全新驱动方式的应用，使得整车性能更为优异，空间更为充裕、布置更为自由、控制更为自由。但其应用仍存在若干亟需解决的关键技术问题，若能取得突破，将拥有广阔的应用前景。

［1］韦萍.轮毂电机技术在新能源汽车上的应用分析［J］.汽车零部件，2012（6）：105-107.

［2］李周清.外转子永磁轮毂电机的设计研究［J］.机电工程技术，2012，41（3）：1-6.