0 引言
近年來，在方方面面的支援與關注下，新能源汽車尤其是純電動汽車得到迅猛發展， 而電動汽車今後將會是人們重要的交通工具。輪轂電機作為電動汽車最核心的部件之一， 其最大的特點就是將驅動、傳動和制動等裝置整合到輪轂內，省略了離合器、變速器、傳動軸、差速器、分動器等傳統的傳動部件。輪轂電機技術的發展將帶來一場車輛驅動方式的變革。
1 輪轂電機系統的概念及特點
輪轂電機系統將電機、 傳動和制動機構都整合到輪轂中，稱為輪轂電機電動輪，也有人稱其為輪式電機、車輪電機等，英文名稱為“in-wheel motor”［1］。輪轂電機驅動系統通常由驅動電機、減速機構、減震系統、制動器與散熱系統等組成，有的沒有減速機構。由此輪轂電機驅動系統可分為減速驅動和直接驅動兩大類， 結構分別如圖 1 和圖2 所示，兩者的特點對比如表 1 所示。
2 輪轂電機系統在電動汽車上的應用進展
1900 年德國保時 捷公司就研 製出一款兩 個前輪為輪轂電機的 Lohner Porsche 雙座電動車［2］。汽車誕生至今一百多年來，發展速度驚人。汽車的發展經歷了從內燃機、柴油機、混合動力汽車到目前處於大力研發階段的純電動汽車， 體現了社會的發展和人類智慧的偉大。隨著社會的需要和現代科學技術的發展， 輪轂電機驅動電動汽車又一次成為研究的熱點。
1968 年，美國通用電氣公司在自己生產的礦用自卸車上用了一種輪轂電機。日本在輪轂電機電動汽車方面的研究起步比較早，早在 1991 年日本人在美國申請了有關電動汽車電動輪的專利，電動輪驅動系統被應用到電動汽車上。其他國家的汽車製造商從 20 世紀 90 年代開始對輪轂電機系統進行研究並應用在電動車上，如表 2 所示。
近幾年，對輪轂電機驅動電動車的研發更加註重汽車的整體效能。2011 年，在廣州車展上，奧迪e-tron 輪轂驅動式概念車首次在中國亮相 （圖 3）。兩個輪轂電機的總輸出功率達到 150 kW、 總扭矩達到 2 650 N·m，該車百公里加速時間只需 5.9 s。並且只需 5.1 s，就可以從 60 km/h 加速到 120 km/h［3］。2013 年，Protean Electric 和 巴 博 斯 對 梅 賽 德斯-賓士 E 級車進行混合動力技術改裝。通過後輪驅動的 Protean Drive TM 輪轂電機系統提供充足的動力，車輛的加速效能有了很大的提升，具有百公里加速只需 7.4 s 的優越效能。
圖 3 E-tron 輪轂驅動式概念車
Fig.3 E-tron wheel drive concept car
2016 年，勞斯萊斯首次推出了 號稱“終極概念”的無人駕駛概念車 103ex（圖 4）。這是一款無人駕駛概念車，該車不僅拋棄了傳統的發動機，而且在輪轂中安裝電機來驅動車輪， 使駕乘區域擺脫了侵入式傳動系技術的限制。
圖 4 無人駕駛概念車 103 ex
Fig.4 Unmanned concept car 103 ex
隨著新能源汽車市場的推廣， 電動車已逐漸涵蓋了轎車、SUV 和公交巴士等車型。梅賽德斯-賓士釋出了“Urban eTruck”純電動卡車，主要在人口密集的中心城區作業， 從而減少噪音及廢氣汙染。目前，該純電動卡車還處於概念車階段，該車將搭載三組電池，兩套輪轂電動機。
我國的輪轂電機技術起步較晚， 但隨著國家電動汽車政策指引， 近年來各高階院校加大了在此技術上的研發投入， 各汽車廠商也試圖透過外延併購的方式引入國外先進技術。目前國內對輪轂電機的研究和應用的企業很多， 如廣州汽車集團和奇瑞汽車股份有限公司。
2010 年廣州車展，廣汽集團展出了基於阿爾法羅密歐 166 底盤打造的傳祺純電動汽車， 該車兩個後輪採用輪轂電機驅動。2016 第 14 屆中國（廣州）國際汽車展覽會，廣汽集團展出了全球首發的 EnLight 智聯電動概念車，是一款由廣汽研究院自主研發的具有先導意義的概念跑車 （圖 5）。它是輪轂電機四輪獨立驅動， 擁有無人駕駛與手動駕駛雙重操控模式， 兼備智慧出行的舒適與跑車的激情。此概念車還具有智慧互聯移動終端特性，全方位打造人、車、生活的智慧互聯新體驗。
圖 5 EnLight 電動概念車
Fig.5 EnLight electric concept car
2011 年上海車展， 奇瑞汽車展示了瑞麒 XIEV 純電動汽車，該電動汽車採用四輪輪轂電機驅動， 每個輪子的驅動力可以單獨調節， 減輕了重量，節省了空間，保證了寬大舒適的乘坐空間。
我國高校是研究輪轂電機技術的主力軍，同濟大學汽車學院在 2002 年以後的 3 年裡推出了採用輪轂電機驅動系統的電動汽車動力平臺“春暉一號”和“春暉二號”，兩個電動汽車都是採用低速直驅永磁直流無刷輪轂電動機和盤式制動器。
哈爾濱工業大學愛英斯電動汽車研究所研製開發了一款 EV96-1 型電動汽車，這款電動汽車採用的是外轉子型輪轂電機驅動系統。在該電動輪內選用的是一種被稱之為“多型電動機”的永磁式電動機，該電動機同時有同步電動機與非同步電動機的雙重特性，選用的是盤式制動器，採用風冷散熱。
3 輪轂電機驅動系統的研究近態
2010 年，Mraz 等［4］撰寫文章，深刻分析了輪轂電機的優缺點以及未來的前景，並提出了研究者們可以嘗試減少簧下質量來改善操縱和轉向效能。
近兩年來， 國內外對輪轂電機系統技術的研究日益增多，如國內的吉林大學、同濟大學、長安大學等高校近兩年對輪轂電機系統的研究有很大的突破，如表 3 所示。
透過表 3 可知， 對輪轂電機驅動系統的研究還是要主要集中在減少非簧載質量方面， 更加註重實際應用，以得到輪內製動、懸架和傳動等功能系統的綜合最優匹配整合。並且要與傳統車輛對比各種效能差異， 以得到輪轂電機驅動技術的電動輪最佳化資料和效能引數， 使得儘早實現輪轂電機技術的大規模應用。
4 輪轂電機系統研究的關鍵技術問題
目前， 輪轂電機設計已經達到比較成熟的地步。國際上比較著名的輪轂電機生產廠家主要有英國的 Protean Electric 公司、 加拿大的 TM4 公司和法國的 Michelin 公司，其中 Protean Electric 公司在輪轂電驅動系統的開發和產業化方面處於領先。
Protean Electric 研發生產了一體化整合的輪轂電機驅動系統 Protean Drive，該系統質量 34 kg左右，能夠提供 75 kW 的最大功率和 995 N·m 最大扭矩的動力輸出，同時，還可回收約 85%的制動動能，可在 18~24 inch 的輪圈上使用。該公司已與多家整車廠商合作研發了多款裝置輪轂電機的樣車和改裝車型，其中包括廣汽傳祺 Trumpchi EV、沃爾沃等。
在輪轂電機系統的研究中一直有兩個比較重要的問題：一是電機與車輪整合導致非簧載質量較大，隔離振動效能下降，影響行駛條件下的車輛平順性和安全性；另外一個是由於輪轂空間有限，汽車在不良工況下行駛時容易出現冷卻不足導致的電機過熱燒燬問題，即電機的散熱問題。
4.1 非簧載質量增大問題
對 於 集 成 造 成 的 非 簧 載 質 量 增 大 問 題，JohansenP R 等［11］提出了透過特殊平面電機設計，將電 機 的 定 子 質 量 轉 化 到 簧 載 質 量 中 的 方 法 ；Liqiang Jin 等［12］提出了透過將彈簧和阻尼器用於電機而將電機附接在車輪中的方法， 並且證實了振動有所下降；Luo Yutao 等［13］提出了對於電機採用尺寸最佳化和拓撲最佳化的混合輕量化設計的方法，並且經過分析， 此方法適用於輪轂電機的輕量化設計；汪志強［14］提出了透過最佳化懸架剛度阻尼匹配的方法來協調車輛的平順性和接地性， 並且可以透過改變車輛的其他引數來減少非簧載質量增加所帶來的影響。
2012 年，羅玉濤等［15］設計了一款內建懸置整合式輪轂電機驅動電動輪，並且申請了專利。與現有的技術相比，該電動輪的結構緊湊、易於佈置、功率密度大，並且車輛的動力性有明顯的提高，同時有效地改善了電動輪驅動系統的動力學特性，對車輛的安全效能有所提升；2014 年，管西強等［16］申請了“帶有電磁減振裝置的輪轂電機驅動電動輪”的中國發明專利。該發明透過線圈電流調節電磁阻尼力實現減振的主動控制， 以解決輪轂電機驅動電動汽車的平順性、 舒適性較差及輪轂電機工作環境惡劣的問題。
綜上所述，根據現有的技術發展和研究，減少非簧載質量的方法有：（1） 非簧載質量引起的振動，可以透過輪轂中的減振系統減弱；（2）透過對輪轂電機的合理佈置來減少非簧載質量；（3）在條件允許的情況下， 儘量選用直驅型輪轂電機驅動電動輪等。
4.2 散熱和冷卻問題
輪轂電機驅動電動車在大負荷低速爬長坡工況下容易出現冷卻不足的現象。S. C. Kim 等［17］提 出，在輪轂電機的空氣冷卻結構中，殼體外表面設定一個冷卻槽，以增加傳熱面積，並且在冷卻槽的方向和空氣流動的方向相同時， 冷卻效果最好；Qiping Chen 等［18］計算並 分析了輪轂電機的熱損失和溫度場，為輪轂電機的最佳化提供了理論依據；梁培鑫等［19］透過對永磁輪轂電機中比較常用的軸向“Z”字型和周向螺旋型水路的散熱能力做了比較，發現軸向“Z”字型水路散熱能力較強，比較適合用在輪轂電機系統中。
2015 年，黃縉青等［20］申請了一個實用新型專利，公開了一種新型的汽車輪轂電機系統。該系統增加了輪轂電機轉子和定子的散熱效果， 即使輪轂電機系統處於大負載工作時， 仍能滿足其散熱需求；陳玉 等［21］申請了“一 種水冷式 輪 轂 電 機 結構”的中國發明專利，該輪轂電機的散熱結構採用的是雙螺旋迴圈水流道，該結構在同等體積下，可以增強電機散熱的能力；2016 年，馮輝 恆等［22］發明了一種油冷輪轂電機，並申請了專利，該專利將冷卻油通道完全環繞在電機的發熱部件周圍，不僅可以有效地降低溫度， 同時還有一定的潤滑作用，散熱效果極佳。
綜上所述， 輪轂電機的冷卻方法主要有：（1）在電動輪的設計中留出必要的空間， 利用氣體的迴圈流動來散熱；（2）在輪轂電機結構的設計中可以設定一些流水通道， 利用液體的流動來進行散熱；（3） 同樣也可以設定一些散熱油的流通管道，利用油液的流動來交換熱量， 並且還能起到一定的潤滑作用等。
輪轂電機系統在汽車領域中的應用尚處於研究和試驗階段，除了上述兩大關鍵技術問題之外，還有其它一些尚待解決的問題：如輪轂內部空間畢竟是有限的，對電機功率密度效能要求高，設計難度比較大；輪轂電機系統集驅動、制動、承載等多種功能於一體，最佳化設計難度比較大；車輪內部水和汙物等容易集存，導致電機的腐蝕破壞，影響其壽命可靠性；輪轂電機執行轉矩的波動可能會引起汽車輪胎、 懸架以及轉向系統的振動和噪聲等等。
5 研究展望與總結
輪轂電機驅動技術將電動汽車推動進入了一個高速發展的時期。相應的，輪轂電驅動系統非簧載質量的增加和散熱冷卻問題一直是學者們研究的重點。
輪轂電機作為電動汽車驅動的核心部件，本身有很高的可靠性要求， 再加上電機是安裝在輪轂裡，距離地面比較近，如果長期工作在不良路況的振動和惡劣環境下，其可靠性就顯得尤為重要。因此輪轂電機驅動系統的可靠性是要解決的關鍵問題之一。
由於輪子內部的空間有限， 各個機構的合理佈置相對比較困難， 既要保證簧下質量輕量化和散熱，又要保證不會引起相鄰部件的振動，設計難度較大， 必然要進行輪轂電機電動輪內部的整合最佳化。
由於輪轂電機驅動的電動汽車與傳統汽車相比取消了機械傳動部分， 所以要用電子差速器對輪轂電機電動汽車進行差速控制。但是車速過快的情況下， 車輛會出現明顯的方向失穩現象。此 外， 制動系統的研究一直是困擾國內外學者的一個難題， 需加大對輪轂電機的驅動與制動控制的研究［23］。並且要與傳統汽車進行效能的模擬與對比， 從而得到輪轂電機電動輪的最佳化資料與效能引數。
輪轂電機直驅電動輪與集中驅動電機驅動方式不同，集中電機驅動電機在運轉過程中，各個輪子透過機械傳動系統連線，各輪的運動是一致的。但是輪轂電機直驅的電動汽車， 其各個電動輪之間的轉速和扭矩是獨立受控， 雖然提高了整車的靈活性，但其一致性就很難保證。所以要對輪轂電機與整車效能的匹配與耦合進行重點研究。
總之， 在熟悉了有關輪轂電機驅動系統的國內外的研究和應用現狀及其關鍵技術問題之後，應該在下述幾個著力點方面加強研究：（1）輪轂電機驅動系統即電動輪的結構設計與最佳化；（2）輪轂電機驅動系統與整車效能匹配與耦合控制；（3）輪轂電機、 減震和制動等功能機構在電動輪內的整合與最佳化；（4）輪轂電機直驅電動輪各項效能的模擬分析；（5）輪轂電機直驅系統即電動輪的綜合性能試驗檯架研發等。
參考文獻
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