分布驱动式纯电动汽车驱动系统研究综述

柴晓辉 连晋毅 王坤 戴选涛

摘 要：轮毂电机直接驱动技术是纯电动汽车最具潜力的一个发展方向。文章介绍了轮毂电机直接驱动系统的研究背景和特点，分析了这种分布式驱动技术在国内外的研究和应用情况，提出了轮毂电机直接驱动技术存在的难点和解决对策，指出了分布驱动式纯电动汽车驱动系统的发展方向。

关键词：纯电动汽车;驱动系统;轮毂电机;分布驱动

中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）13-05-06

Review on Drive System of Distributed Drive Pure Electric Vehicle*

Chai Xiaohui， Lian Jinyi*， Wang Kun， Dai Xuantao

（College of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Shanxi Taiyuan 030024）

Abstract： In-wheel motor direct driving technology is the most potential development direction of pure electric vehicles. This paper introduces the research background and characteristics of in-wheel motor direct driving technology， analyzes the research and application of the technology at home and abroad， points out the existing problems and corresponding solutions of the technology and puts forward the future development trend of drive system of distributed drive pure electric vehicle.

Keywords： Pure electric vehicle; Drive system; In-wheel motor; Distributed drive

CLC NO.： U469.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）13-05-06

引言

為了应对化石能源消耗带来的能源日趋枯竭和大气环境持续恶化的严峻挑战，加紧开发和利用新能源，推动新能源相关技术的研究应用，成为当前我国经济社会转型发展的新课题和新机遇。传统的内燃机汽车靠化石燃料燃烧提供动力，排放的尾气和产生的噪音，都会损害生态环境和人体健康。因此，研发和推广环境友好的新能源汽车，尤其是采用清洁、可再生的电能作为动力源的纯电动汽车，对我国节能减排目标的实现具有战略性意义[1]。采用轮毂电机直接驱动的分布式纯电动汽车，是纯电动汽车的一个主要发展方向，有必要加快在该领域的研究，为我国汽车产业未来发展提供充分的技术储备。本文将对分布驱动式纯电动汽车及其驱动系统的特点、研究进展和未来发展趋势进行介绍。

1 分布驱动式纯电动汽车驱动系统的特点

相较于传统的内燃机汽车，电动汽车有其无可比拟的优势：实现了零排放;驾驶环境更加安静，加速过程更加平顺，司机操纵更加简便。除此以外，采用轮毂电机直接驱动的分布式纯电动汽车，还使得底盘动力系统更加简化，车内空间极大的释放，留给汽车设计师更多的发挥余地;还可根据实际路况，进行前驱、后驱或者全时四驱等驱动模式之间的切换;分布驱动式纯电动汽车的转弯半径大幅减小，特殊配置的车辆甚至可以实现横向移动和原地转向等驱动模式，满足人们的便利化需求;同时，轮毂电机的应用，还有利于车轮的精准控制，动力系统的能量回收和纯电动汽车的智能化发展。

传统汽车与分布驱动式纯电动汽车的底盘布置对比，如图1所示。

分布驱动式纯电动汽车的驱动方式，根据驱动系统的结构差异，大致可分为减速驱动和直接驱动。减速驱动，多采用内转子轮毂电机，电机转速高达10000r/min，电机和轮毂之间装有固定传动比的行星齿轮减速机构（传动比一般为10左右）。直接驱动，多采用外转子轮毂电机，最高转速介于1000～1500r/min，无减速机构，电机的外转子直接与轮毂连接。

图2和图3分别展示了减速驱动型和直接驱动型驱动系统的零部件组成，两类轮毂电机的特点对比见表1。

2 轮毂电机驱动技术的国内外研发动态

德国是轮毂电机驱动技术的诞生地。Ferdinand Porsche于1896年获得轮毂电机的发明专利，之后与Lohner共同设计了“Lohner-Porsche”（图4），这款由轮毂电机驱动的双座电动车在1900年巴黎博览会上展出。跨越一个多世纪，轮毂电机驱动技术再次受到德系汽车的青睐。2010年，大众公司研制出了电动轮概念车R-zero，其驱动系统采用了轮边电机，并配备了锂电池蓄能器;2011年的广州车展上，大众旗下的奥迪公司推出了一款名为“e-tron”的轮毂驱动式概念车。2016年，宝马旗下的劳斯莱斯发布的103EX 概念车（图5），融合了自动驾驶、人工智能、纯电动、轮毂驱动等众多具有前瞻性的科技元素，刷新了人们对未来汽车的想象。

美国自上世纪50年代初期就开始了轮毂电机驱动技术的研究和应用。1968年，轮毂电机驱动技术首先在通用电气公司的矿用运输机械上得到应用。2003年，通用汽车公司研制出雪弗兰S-10皮卡车（图6），采用了通用汽车高级技术研发中心自行研制的轮毂电机。

日本自20世纪90年代以来，凭借其雄厚的工业基础和汽车技术研发实力，在轮毂电机驱动技术研究领域中异军突起。以庆应义熟大学环境信息系清水浩教授为代表的研究团队，1991年至2001年间，相继开发出IZA、ECO、KAZ三款轮毂电机驱动的纯电动汽车;2004年，清水浩教授又设计出了八轮驱动的Eliica[2]电动汽车（图7），安装了八个外转子式轮毂电机，强劲的动力性能，使其创造出370km/h的速度记录;2011年，清水浩教授组建了“SIM-DRIVE”公司，相继开发出了“SIM-LEI”、“SIM-WIL”、“SIM-CEL”和“SIM-HAL”四款轮毂电机驱动的电动汽车，均搭载了高效锂电池，并配备了能源回收系统，2014年发布的“SIM- HAL”电动汽车，时速180km/h，一次充满电后的行驶里程提升至404公里[3] 。

本田、三菱、丰田等日系车企在轮毂电机驱动技术的研究领域也有涉足。2019年第46届东京车展上，丰田集团旗下的雷克萨斯发布了一款纯电动概念车LF-30（图8），百公里加速3.8秒，最高时速200km/h，其独立控制的前后驱动轮可根据行驶情况，自动切换为前轮驱动、后輪驱动和全轮驱动模式。

中国对轮毂电机的研究起步较晚，初期的理论研究和实车试验主要是在高校开展。2002年至2004年，同济大学先后研制出了三款搭载轮毂电机的“春晖”系列燃料电池电动汽车。2013年上海车展，同济汽车设计研究院有限公司展示了IEV、VOLARE两款电动车，其中VOLARE是一款燃料电池增程式电动跑车，前轮采用轮毂电机，后轮采用轮边电机。

2010年以后，我国的各大车企对轮毂电机驱动技术的研究步伐明显加快。2010年，首批比亚迪K9系列纯电动大巴（图9）下线，采用了轮边电机驱动方式，以绿色环保可回收的铁电池作为车载动力，并在车顶安装了太阳能电池板，续驶里程超过300km。2011年的上海车展，奇瑞公司展出了一款名为“瑞麒X1-EV”的轮毂驱动式纯电动汽车。2016年，广汽集团发布了一款采用轮毂电机四轮独立驱动的智联电动概念车“EnLight”，融合了广汽传祺自主研发的“智能交通系统”、“无人驾驶技术”、“无线充电”三大前瞻科技。2017年，湖北泰特公司成功研制出了我国首辆轮毂电机直接驱动的纯电动客车[4]。

2018年，中国汽车界的新面孔，绿驰汽车（成立于2016年）和华人运通（成立于2017年），也成功的设计出了自己的概念车。绿驰在2018年内瓦车展上发布了全新超级轿跑车型——Venera（图10），安装了4个轮毂电机，其综合最大功率达992马力，百公里加速仅需3秒，最高时速为250千米/小时[5]。华人运通于2018年发布了轮毂电机工程车HOV-RE05（图11），四个独立的车轮可通过灵活改变行驶方向和车轮正反转，实现14套不同模式的智能驱动逻辑，能够适应各种复杂路况[6]。

近些年来，随着轮毂电机的研究热度持续增加，以及汽车市场对高性能、高可靠性的轮毂电机的需求增多，一批专业的汽车轮胎和电机供应商也开始着手轮毂电机的研发，如法国的Michelin，荷兰的e-Traction，英国的Protean，日本的普利司通等。国内企业也通过技术引进和投资、收购国外品牌，实现快速发展。2016年，浙江亚太对依拉菲进行股权投资，并成立了由亚太股份控股的合资公司“亚太依拉菲”;2019年3月，恒大集团收购湖北泰特机电70%的股权，实现对荷兰e-Traction公司的完全控股，同年5月，又全资收购了Protean公司。国内外主要的轮毂电机生产企业及其应用车型见表2。

3 轮毂电机驱动技术的研究现状

随着轮毂电机的重要应用价值和广阔发展前景逐渐显现，国内外越来越的高校参与到轮毂电机驱动技术的研究上来。表3列举了近年来部分高校发表的相关论文及内容概述。

由表3可知，各高校对轮毂电机驱动技术的研究，主要集中在轮毂电机控制策略、内部结构的综合性分析和优化设计，以及“人-车-路”闭环系统的控制策略研究分析，目的在于改善汽车的操纵稳定性和舒适性，增加电动汽车的续驶里程，提高轮毂电机驱动系统的可靠性和控制精度。

4 轮毂电机驱动技术的主要技术难点和解决对策

轮毂电机驱动技术发展至今，经过各科研院所和相关企业的技术攻关，轮毂电机的性能不断提高，而将轮毂电机驱动技术的独特优势和纯电动汽车完美融合，并实现在量产车型上的成熟应用，还有一些技术难题亟待解决，大致可归结为两类：簧下质量增加带来的负效应;轮毂电机的散热和冷却。

4.1 簧下质量增加带来的负效应

轮毂电机的使用，增加了汽车的簧下质量和车轮转动惯量，恶化了汽车的平顺性和操纵稳定性，导致整车性能大打折扣。

基于此问题，马旭[16]，介绍一种优化轮毂电机质量的方法，并用该方法对轮毂电机中定子支承结构进行优化，优化后的定子支架，可优化区域的体积减少了45%，整体重量减小了24.7%，通过轮毂电机的轻量化来改善簧下质量增加带来的负效应。孟令盛[17]，介绍了一种包含挠性传动机构和弹簧-阻尼减振机构的新型电动轮，可使车辆在全频段中具有更小的车轮相对动载荷、电机垂向加速度、车身垂向加速度和车辆悬架动挠度，体现出更好的车辆行驶平顺性。Shida Nie等[18]，提出了一种消除非簧载不良影响的组合结构，该结构由车辆悬架和调谐质量阻尼器组成，由滑模控制器控制，可使弹簧质量加速度和轮胎挠度的平方分别降低31.2%和2.2%，有效提高了汽车的平顺性和乘坐舒适性。

综上所述，解决簧下质量增加带来的负效应的方法主要有：优化轮毂电机结构实现轻量化，在轮毂中增加阻尼减震装置，以此来消除簧下质量增加带来的负效应，提高车辆的平顺性。

4.2 轮毂电机的散热和冷却

轮毂电机长时间在高温环境下运行，会出现永磁体的热退磁，甚至导致不可逆退磁，严重影响电机性能。车轮是汽车中工作环境最为恶劣的部位，将电机集成到轮毂中，必然要考虑轮毂电机的防水、防尘和防腐蚀，而采取一定的屏蔽措施，增加了散热的难度。由于轮毂内部空间有限，将轮毂、电机、悬架等元器件高度集成后，内部间隙极其狭小，所以电机的冷却成为一大难题。

对此，Peixin Liang等[19]分析了定子槽内热流传递规律，提出了一种新的分层绕组模型，用以准确计算绕组温度，实验表明该模型不仅适用于稳态温度场，而且适用于瞬态温度场。Myeong Hyeon Park等[20]，研究了在轮毂电机的空心轴冷却通道中进行油雾冷却的效果，并设计了一种冷却通道，可使线圈的绝对温度下降16%，随着电机转速的增加，线圈表面形成厚而均匀的油膜，冷却效果得到改善。顾可等[21]，通过自然风冷三维稳态分析和水冷结构的三维瞬态分析，确定了以“周向 C 型冷却水道结构和 0.5m/s 的冷却水流速”，作为外转子永磁同步轮毂电机的最佳散热设计方案。

2019年，蒋付强等[22]，申请了“一种具有强化散热性能的轮毂电机”，针对绕组是电机温度最高部位的特点，在定子支撑上设计了端面散热水道，配合定子支撑内部的轴向散热水道进行散热，使轮毂电机的散热性能得到强化，并提高了轮毂电机的转矩密度。金良宽等[23]，申请了“一种外转子轮毂电机定子冷却结构”，通过在定子内水套的外表面设计定子冷却水道，有效降低定子和轴承温度。王晓红等[24]，申请了“一种便于散热的轮毂电机”，通过在机壳外部设置导热性能较好的散热缸体，增加机壳散热的面积，同时在散热缸体内部设有通风腔，在散热缸体外部设有通风扇叶和通风口，加强空气流通，从而加快机壳热量散发。

综上所述，轮毂电机主要采取风冷、水冷和油冷三种方式进行散热冷却，通过在轮毂电机外部增加风腔、风道，改进电机内部的冷却油路或水路，控制冷却液流速，改变冷却液物理状态等方案，实现轮毂电机的散热和冷却的最优设计。

5 分布式驱动技术的未来发展趋势

近十多年来，随着国家政策的推动和电动汽车产业的发展，尤其是受特斯拉、比亚迪等一批电动汽车领军企业的引领，电池、电机和电控等电动汽车核心技术难题被一项项突破，为轮毂电机驱动技术提供了可靠的应用平台和广阔的发展空间。未来，轮毂电机驱动技术的发展主要有以下几个方向：

5.1 轮毂电机本体设计和电动轮集成化技术

出于散热和轻量化的设计要求，轮毂电机本体的各组成构件、冷却液流动回路、定子齿槽结构等还存在进一步优化的空间。未来汽车制造业的分工更加高效合理，电动轮部件将进行模块化设计和生产，电机、悬架、阻尼减震器、制动器等与轮毂高度集成，因此电动轮集成化设计将成为一大研究热点。

5.2 防滑控制和再生制动

一般的道路行驶车辆都会加装制动防抱死系统（即ABS），在紧急刹车时进行防滑控制，避免汽车失控导致事故发生。分布驱动式纯电动汽车整车质量轻，运动惯性小，且轮毂电机的转矩响应迅速，在防滑控制上较传统汽车优势显著，但制动会消耗电能，影响电动车的续驶里程，而再生制动能有效回收制动能量，可节省或增加电池的电能，并可减轻液压制动的负担，改善汽车制动舒适性，因此有必要开展再生制动的研究。

5.3 转矩分配控制和电子差速

分布驱动式纯电动汽车各个车轮可以进行独立且精确的控制，在不同的路况下，哪个车轮转动？分配多大的转矩？需要进行转矩分配控制。另外，分布驱动式纯电动汽车取消了差速器等传统汽车构件，汽车转弯由控制系统和輪毂电机来完成，因此需要深入研究以转矩为控制量的电子差速控制策略。

5.4 机电耦合

分布驱动式纯电动汽车的电动轮将多个构件、多种功能集于一体，轮毂电机具有高功率密度、高电流的特点，且常常会受到路面激励的作用，机械特性和电磁特性之间存在不可避免的相互影响，因此需要探究轮毂电机的机电耦合特性。

6 结语

轮毂电机诞生至今，已走过百年的发展历程，其性能和集成化程度已有了大幅的提升，相信在不远的将来，会在纯电动汽车上得到成熟的应用，并与无人驾驶、人工智能等新兴技术完美的融合，更好的服务于我们的生活。

参考文献

[1] 巩若琳，李文琦.《中国制造2025》背景下新能源汽车产业发展现状及前景研究[J].商讯，2020（10）：23-24.

[2] Hiroichi YOSHIDA.“ELIICA”-THE 370KM/H MAXIMUM SPEED ELECTRIC VEHICLE[J].IATSS Research， 2005，29（2）.

[3] 电动车风投企业SIM-Drive第四代样车SIM-HAL下线[EB/OL]. http： // japan.people.com.cn /n /2014 / 0409/c35463-24859008. html. 2014-04-09.

[4] 木易.国内首辆轮毂电机客车亮相，湖北泰特加速轮毂电机产业化[J].商用汽车，2017（06）：90-91.

[5] 全球首发绿驰超级轿跑亮相日内瓦车展[EB/OL].https：//auto.qq. com/a/20180307/013309.htm，2018-03-07.

[6] 华人运通智慧战略发布轮毂电机+后桥转向成亮点[EB/OL]. https：//www.sohu.com/a/270698645_117833.2018-10-23.

[7] 余卓平，史彪飞，熊璐，韩伟.某分布式驱动电动汽车复合制动策略设计[J].汽车技术，2020（02）：12-17.

[8] 张琳.分布式驱动电动汽车状态估计与力矩矢量控制研究[D].吉林大学，2019.

[9] 陈朝晖.集成电动轮机电耦合动力学性能研究[D].华中科技大学，2019.

[10] 杨路伟.分布式驱动电动汽车整车控制策略的研究[D].长安大学，2019.

[11] 吴延寿.多场耦合作用下轮毂电机优化设计研究[D].东理工大学，2019.

[12] 张利鹏，任晨辉，李韶华.轮毂电机驱动汽车侧向稳定性底盘协同控制[J].机械工程学报，2019， 55（22）：153-164.

[13] Wei Xu，Hong Chen，Haiyan Zhao，Bingtao Ren. Torque optimization control for electric vehicles with four in-wheel motors equipped with regenerative braking system[J]. Mechatronics，2019，57.

[14] Junqiu Li，Sen Yang，Zhichao Li，Lin Guo. An Energy Conservation Strategy Based on Drive Mode Switching for Multi-Axle In-wheel Motor Driven Vehicle[J]. Energy Procedia，2019，158.

[15] Geng Cong，Jin Biao，Zhang Xin. Research on Torque Control Strategy for Electric Vehicle with In-wheel Motor[J]. IFAC Papers OnLine，2018，51（31）.

[16] 马旭.分布式驱动电动汽车的平顺性分析与轻量化研究[D].太原科技大学，2018.

[17] 孟令盛.一种新型轮毂驱动的电动轮及其垂向振动分析[C].中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2019中国汽车工程学会年会论文集（2）.中国汽车工程学会（China    Society of Automotive Engineers）：中国汽车工程学会，2019：384- 388.

[18] Shida Nie， Ye Zhuang， Fan Chen， et al. A method to eliminate unsprung adverse effect of in-wheel motor-driven vehicles[J]. Jour -nal of Low Frequency Noise， Vibration and Active Control，2018， 37（4）：955-976.

[19] Peixin Liang，Yulong Pei， Feng Chai， et al.Equivalent stator slot model of temperature field for high torque-density permanent magnet synchronous in-wheel motors accounting for winding type [J].Compel， 2016， 35（2）：713-727.

[20] Myeong Hyeon Park，Sung Chul Kim. Thermal characteristics and effects of oil spray cooling on in-wheel motors in electric vehicles [J]. Applied Thermal Engineering，2019，152.

[21] 顾可.电动汽车用外转子轮毂电机温度场仿真与散热设计[D].湖南大学，2018.

[22] 蒋付强;张琴;庄兴明;张岩.一种具有强化散热性能的轮毂电机 [P].中国专利：CN110858744A，2020-03-03.

[23] 金良寬;曹纪超;唐德宇;唐杨;朱利伟.一种外转子轮毂电机定子冷却结构[P].中国专利： CN110022035A，2019-07-16.

[24] 王晓红;傅松平;陆桂明.一种便于散热的轮毂电机[P].中国专利：CN210201642U，2020-03-27.