轮毂电机驱动系统在电动汽车上的应用

吕金山 秦滔 文学 肖建军

[摘    要]轮毂电机驱动系统被应用于电动汽车之上，有着较为优良的表现。轮毂电机驱动系统在应用在呈现部分问题，例如电动汽车生命周期管理、汽车运行可靠性等，针对此类问题对轮毂电机驱动系统实际应用中进行改进优化，加装冷却风扇、使用电子差速控制系统、控制零部件质量等。通过这些技术优化和改进，进一步提升了轮毂电机驱动系统在电动汽车上的应用广度和深度，为电动汽车发展添砖加瓦。

[关键词]轮毂电机;电差速;电动汽车;应用分析

[中图分类号]U469.72 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Hub Motor Drive System in Electric Vehicle

LV Jin-shan， Qin Tao， Wen Xue， Xiao Jian-jun

[Abstract]Hub motor drive system is applied to electric vehicle， which has a better performance. The application of hub motor drive system presents some problems， such as electric vehicle life cycle management， vehicle operation reliability， etc. in view of these problems， the practical application of hub motor drive system is improved and optimized， such as adding cooling fan， using electronic differential control system， controlling the quality of parts， etc. Through the optimization and improvement of these technologies， the application breadth and depth of hub motor drive system in electric vehicles are further improved， which contributes to the development of electric vehicles.

[Keywords]hub motor; electric differential; electric vehicle; application analysis

轮毂电机技术在实际应用的过程中表现出了非常明显的优势，即占用资源较少、整车结构简洁、可利用空间较大、应对故障能力较强、车辆操控性能好等，并且通过对此技术的应用，还有效的实现了电子差速的有效控制。在20世纪70年代，保时捷公司研发出了将轮毂电机安装在前车车轮的电动汽车，并且还在矿山类型的运输车辆领域得到了非常广泛的应用。对于轮毂电机技术的研发，时间最长的国家仍属于日系厂商。如丰田、通用等国际汽车巨头也对轮毂技术有效全面的掌握和应用。就目前国内汽车而言，也对轮毂技术进行了有效的研发和利用。就以福特F-150型汽车而言，其正是因为采用此项技术，才将车内所有的传动部件全部替换，此种操作促使汽车车身结构得到了大大的简化。

1 轮毂电机驱动系统的发展趋势

电机驱动系统的研究主要内容是围绕着电动机的应用和电机驱动系统的控制等方面展开的。就目前轮毂电机来讲，其需要在技术方面进行研究，确保汽车却动器的使用功率及轮毂电机的使用功率都能得到有效的提升。所以，将电动轮驱动技术和制动实用技术有效的应用在汽车研究的相关领域中，能够使轮毂电机技术的耐久性和可靠性得到有效的提高，使轮毂电机的质量得到最大限度得提高，使其重要得到有效的减轻。在我国科学技术不断发展和成熟的时代背景下，轮毂电机技术的使用性能会得到最大限度得提升，并且还有有效突破一些类似于电池技术以及整车能源管理系统等相关的传统技术，从而确保轮毂电机技术在汽车领域中的应用真正实现智能化、数字化以及集成化的发展目标。

2 轮毂电机基本类型

轮毂电机供电系统一般由电机、减速器、制动器和冷却系统组成，根据电机转子的类型，轮毂电机供电系统分为以下两种基本形式，即内转子型和外转子型。

2.1 内转子型轮毂电机

转子内轮毂高速电机具有诸多优点，如比功率高、重量轻、体积小、噪声低、成本低的特点;其缺点是必须使用减速器来降低效率，增加空载质量，电机的最大转速受到线圈损耗、摩擦损耗和换档机构承载能力的限制。本实用新型结构简单，轴向尺寸小，比功率大，转矩控制在较宽的转速范围内，其响应极快，外转子直接与车轮连接，无减速机构，效率高。缺点是为了获得高扭矩，需要增加发动机的体积和质量，从而导致成本高、加速效率低和噪声大。

2.2 外轉子型轮毂电机

由于电机的电制动能力非常的低，对车辆制动所需要的电能是完全不能满足的，必须要加设额外的机械制动系统。单从轮毂电机系统的制动器的结构来看其主要分为以下两种形式，即盘式制动器和鼓型制动器。但是，因为受到电机制动能力的影响，就需要在进行制动器设计时，对其能力进行适当的降低。从目前车辆上的轮毂电机系统来讲，主要以空气冷却为主，只有极少数是通过水和油冷却的，这些轮毂结构存在一个相同点以就是结构极为复杂。

2.3 轮过电机优点

及时响应的扭矩输出、简化整车布置、通用设计，适配性强、适用于不同技术平台、适用于各类车型、易于集成、无须传动轴、无须变速装置、降低整体项目的上市成本、优化整车操控性能、安全可靠。

3 轮毂电机驱动系统电差速可靠性问题

3.1 电子差速模型

本文研究的电子差速器方案是基于转向角、车速和各轮转速之间的关系。当车速较低且未考虑车辆质心侧滑、偏航角、路况和侧风条件时，计算各轮速度与方向盘输入角的关系，建立速度计算方程，假设某一时刻的车辆模型如图1所示。根据阿克曼-杰南德模型，车身参数如下：δin为前内轮转向角;δout为前外轮转向角;L为车身长度;B为车身宽度;R为转向半径;Rin为内轮转向半径;Rout为外轮转向半径;Cin为内轮一圈转过距离;Cout为外轮一圈转过距离。

3.2 电子差速策略

本文设计的电动汽车为双后轮驱动、前轮转向，只要方向盘控制前轮产生转向角，两侧驱动电机产生一定的速度差，车辆便进入转向状态。工程中常见的转向策略有3种：①差动式。转弯时，外轮转速增大，内轮转速减慢，导致车速和方向不同。②独立式。转弯时，外侧车轮转速恒定，内侧车轮转速减慢，产生速度差，导致转弯。③减速式。两侧车轮的速度都下降，但内侧车轮速度的减小比外侧车轮速度要快，形成速度差导致转向。

差动转向策略要求轮毂电机具有较大的过载能力，这对电机及其控制器来说过于苛刻。减速度控制策略对電机的要求很少，但安全系数很高，牺牲了大量的平均车速，不利于车辆的行驶性能。独立转向策略可以避免上述两种转向方式的弊端，实现更大的转向角以满足系统要求。

3.3 电子差速控制系统

图2为后两轮电动汽车差速控制系统，该系统主要有实时车速、两轮的驱动速度及转向角3个参数的计算完成的。

本文所设计的差速控制系统，其减速/刹车指令、加速指令、转向指令的获取都是从外部获取的。驾驶人员对于这些指令的掌控，是通过操作示意图将这些指令传输到电动汽车ECU，然后再由电动汽车ECU进行响应。而加速指令、减速指令和刹车指令都是通过位移传感器获取的，转向指令是由磁阻角度传感器所获取的。而电动汽车的状态检测主要是通过轮毂电机内的霍尔传感器对先关设备的电路检测之后获得的，如电机转速、蓄电池电压、电机电流等。

4 轮毂电机驱动系统轮毂电机热管理可靠性

对于轮毂系统来讲，会长期处在低速度、高负荷状态中，然而，电机又是存放在车轮的内部结构中，非常容易出现散热不及时和不充分的现象，最终加大车轮被烧毁的现象。同时，轮毂电机还会受到路面积水或者碎石等现象影响，所以其工作环境是非常不客观的。如果单从轮毂电机的维护保养层面进行分析，由于电机具有良好的密封性，所以轮毂电机在经过长时间的高负荷工作后所产生的热量是很难散发出去的。因此，加大对轮毂电机的散热和坑却处理是目前相关人员必须要认真解决的一项课题。对于电动轮的结构设计来讲，设计人员主要借助外界风能来实现电机的散热和冷却，其原理是气体循环实现电机的冷却。在设计过程中，相关人员主要是通过对冷却风扇的使用，将其安装在轮毂内，通过风扇旋转来达到散热的目的。此项设计必须要在实际车辆进行反复试验，结果证实，安装冷却风扇的车辆比不安装冷却风扇的车辆要额外多消费2 %～4 %的能量。但可以增强气流，增加轮口处的气体涡流，使电机达到更好的散热效果。在电动轮的结构设计中，考虑了液体（水）对电机进行冷却，设置了特殊的冷却（水）通道，通过与液体的热交换来冷却轮毂电机。综上所述，轮毂电机还存在很多问题，例如，高速不稳定、弹簧下质量大、在高密封环境中散热困难、制动器集成问题、需要优化能源管理等。但由于技术问题较多，如果没有大规模的商业应用，突破会非常缓慢。笔者认为，小型化低速电动汽车对上述问题的敏感性不高，所以批量应用的突破可以从此领域下手，也可为轮毂电机在高速汽车上的应用积累技术和资源。

5 轮毂电机非簧载质量的减少

轮毂电机驱动电动汽车时，驱动电机、减速器和制动器必须集中在车轮上，如果没有有效的应对措施，会增加车辆的空载质量和垂直振幅。轮毂电机驱动电动车的方向影响轮胎的附着性能，不利于车辆的控制，也降低了车辆的乘坐舒适性。当电机置于车轮上时，其会承受巨大的道路冲击载荷。因此，研究降低轮毂电机非弹簧载荷的方法，可以指导电动轮的设计、结构改进和理论分析。将未加载质量转换为特定类型电机的加载质量。通过使用由电机质量组成的减振器来控制弹簧未加载质量所引起的垂直振动的负面影响。改变弹簧上质量与非弹簧上质量之比。盘式电机由两个定子和一个转子组成，两个定子固定在底盘上形成弹簧质量，转子与车轮相连，促使车轮转动。这样，只有发电机的转子部分位于车轮上。与发电机在车轮上的总布置相比，发电机布置减少了弹簧外质量。然而，这种驱动方式带来了新的问题，即地面对车轮的冲击直接传递到发电机转子上，从而不断改变发电机气隙宽度，影响发动机扭矩输出。

6 结束语

在汽车行业中有效应用轮毂电机技术，一方面，能够使汽车的电机驱动的整体效率得到全面的提高;另一方面，还能促使机械传统结构得到有效的简约化，从而实现减轻汽车重量、降低研发成本和减小附加损耗的目的，使电动汽车中的各项性能指标都能够得到有效提高和使用保障。

参考文献

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