一文学懂新能源汽车轮边电机与轮毂电机w2.jpg

传统燃油汽车驱动系统采用机械连接方式，两侧车轮与传动轴刚性连接，当汽车行驶时，发动机输出的转矩通过主减速齿轮作用于传动轴进而带动车轮转动，通过机械差速装置满足转弯时外侧车轮转速大于内侧车轮转速的要求和保证转弯时外侧车轮转弯半径大于内车轮转弯半径。而轮边电机驱动系统将传统燃油汽车驱动系统中的刚性连接转变成电气软性连接，该驱动系统主要由整车控制器、电机控制器、驱动电机等组成。

一

轮边电机驱动系统的构成及特点



它一般采用内转子电机和减速器，即在轮边电机和车轮之间安装减速器，起到降低转速、增加转矩的作用。通常采用高速内转子式电机，该电机可在高速区域内运行，通过减速装置满足低速大转矩的要求。如图所示为典型轮边电机驱动结构。图中，车轮两边为轮边电机与减速器。该驱动系统取消了主减速器和差速器动.将电机置于轮边单独驱动车轮。在汽车运行过程中，整控制器将电机转矩指令分别发送至左右轮边电机控制器，从而控制轮边电机的转矩或转速，使车辆正常行驶。



(1)相较于集中式驱动系统，轮边电机驱动系统具有如下优势:

①取消了主减速器、差速器等传动部件，使传动系统结构更加紧凑,减少了汽车整体质量,同时容易获得较高的空间利用率。

②可对各驱动电机的转矩独立控制,转矩分配方便，驱动、制动切换灵活,有利于驱动轮的动力调节和直接横摆转矩控制。

③可通过电子差速控制实现转弯时内外车轮有转速差,且控制精度较高。

(2)考虑到电机分散安装和独立控制，轮边电机驱动系统主要需要解决以下问题:

①由于采用两个电机、两个电机控制器，因此需要对两个电机同步协同控制以保证各车轮运动协调,从而增加了电控系统设计难度。

②电机的分散安装对结构布置热管理、电磁兼容以及振动控制等方面提出了更高的要求。

二

轮毂电机驱动系统的构成及类型

轮毂电机驱动技术又称为车轮内装式电机技术。它将驱动电机装配在车轮的轮毂内,输出的转矩直接传递至车轮，省去了大部分传统传动部件，被认为是未来电动汽车的发展趋势。根据是否具有减速机构，可将轮毂电机驱动方式分为减速驱动和直接驱动。



(1)轮毂电机减速驱动

轮毂电机减速驱动方式采用高速内转子电机，可以获得较高的功率:减速机构置于电机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，传动比一般为 1:10，确保车辆在低速行驶时能够获得足够大的驱动转矩，具有较好的爬坡性能，也用于山区丘陵地带以及要求过载能力强的场合。

该系统所用电机最高转速可达10000r/ min以上，体积小，质量轻,成本低,噪声小。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使得电机轴承不直接承受路面冲击载荷，有助于改善轴承的工作条件。采用减速装置，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，一定程度上缓解了车轮尺寸对电机输出转矩和功率的影响，但增加了齿轮减速装置，使系统整体体积变大，质量变重。齿轮工作噪声比较大，且会带来润滑方面的技术问题。



▲ 轮毂电机减速驱动结构图

(2)轮毂电机直接驱动

直接驱动方式的轮毂电机驱动系统一般采用低速外转子电机。轮毂电机与车轮集成为一个完整的部件，电机置于车轮内部，利用外转子直接驱动车轮带动车辆行驶。



▲ 轮毂电机直接驱动结构图

主要优点是电机体积小，质量轻，成本低;无减速车装置,系统传动效率高;结构紧凑，有利于整车结构布置和车身设计;电机外转子直接安装在车轮的轮毂,动态响应速度快。但由于起步、爬坡或顶风的时候需要较大的扭矩，所以在低速时电机必须能够提供较大转矩，由此会产生较大电流,容易损坏电机的永磁体和动力蓄电池。同时由于在车辆运行中，会产生一定的冲击和振动,因此要求车轮轮辋和车轮支撑必须坚固、可靠。且该驱动方式适用于平坦路段或者负载较小的场合。

(3)轮毂电机的应用类型

轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为轴向磁场和径向磁场两种类型。轴向磁通电机的结构更利于热量散发，并且它的定子可以不需要铁芯:径向磁通电机定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟。轮毂电机的类型主要分为永磁、异步、开关磁阻式。

无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动汽车中获得应用。

异步电机结构简单，坚固耐用，成本低廉，运行可靠，转矩脉动小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高;缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

开关磁阻式电机具有结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等特点，适用于电动汽车驱动;缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。

目前轮毂电机广泛应用在矿山车和工程车之类的大型车辆上，但从电动汽车各种驱动技术的特点和发展趋势来看，轮毂电机驱动技术将是未来电动汽车的主要驱动形式。

三一

总结

汽车电机驱动系统根据驱动轮驱动力的来源可分为集中式驱动形式和分布式驱动形式。在集中式驱动形式中,通常在驱动电机后安装减速器或变速器以扩大驱动电机转速范围，减小驱动电机体积。在安装变速器后，可以通过合适的换挡规律调节驱动电机的工作点，即通过切换不同的挡位在保证车辆动力性的同时使电机工作于效率较优的工作点。借助驱动电机响应迅速、控制精度高的特点,可以改善变速器换挡品质。尤其在“电机+机械式自动变速器”系统中,通过驱动电机精确的转矩控制可实现接合套与接合齿圈“转速同步、转角对齐”,还可进一步通过与换挡电机精确的协同控制消除换挡冲击，提升换挡性能。近年来,集中式驱动系统集成化程度不断加深,一体化技术成为未来发展趋势。

分布式驱动系统包含轮边驱动和轮毂驱动两种形式。由于减少了复杂的传动系统，轮边电机驱动系统可实现商用车的宽通道、全低地板布置，系统质量和成本优势明显:轮毂驱动系统传动效率最高。分布式驱动系统控制灵活，可通过基于比例系数分配或指标优化的方式分配车轮纵横向力。但分布式驱动系统增加了非簧载质量。针对这难题，通常从根源上减少系统质量和从传递路径上缓解车轮受到的路面冲击载荷两方面探寻解决方案，尽管分布式驱动系统增加了非簧载质量，而且对系统轻量化、系统集成化、电机转矩密度、电机可靠性、电机冷却系统设计、电机协同控制、悬架优化设计以及主动控制等方面提出了更高要求，但该系统效率高、布置灵活，被公认为是电动汽车驱动系统的来发展趋势。