轮毂电机关键技术及整车应用

本文素材来源：《从工程中来，到工程中去--轮毂电机关键技术及整车应用》

作者：李勇

江苏大学动力传动研究所副所长

清华大学苏州汽车研究院电驱动室主任

第1部分

轮毂电机优化设计

1.1 总体设计-外形尺寸及机械接口

12寸轮毂电机：

• 外径：264mm

• 高度：92mm
  

• 轮辋接口：Φ100-4×M12*1.5EQS
  

• 悬架接口：Φ95-4×M12*1.5
  

• 制动盘接口：Φ152-6×M8EQS

1.1 总体设计-主要零部件

轮毂电机-定子部分：

• 定子铁芯
  

• 骨架
  

• 绕组

• 定子支架

• 旋变定子
  

• 中心轴
  

• 三相线&信号线
  

轮毂电机-转子部分：

• 外端盖
  

• 转子轭
  

• 磁钢
  

• 内端盖
  

• 油封
  

• 轮毂轴承
  

• 旋变转子
  

• 压套

1.2 定子、转子设计

定子部分主要是定子铁芯、骨架、绕组、槽楔、定子支架、旋转变压器定子、中心轴和出线部分组成。

• 定子冲片采用直槽结构适合批量生产工艺，提高了槽满率；
  

• 绕组使用绕线机绕制在骨架上，大大提高了绕线效率；
  

• 采用磁性槽楔径向固定绕组。
  

转子部分主要是外端盖、转子轭、磁钢、内端盖、油封、轮毂轴承、旋转变压器转子、压套组成。

• 使用工装把磁钢粘接在转子轭内表面；
  

• 内端盖、外端盖和转子轭使用螺钉固定；
  

• 油封压装在内端盖油封座上。
  

1.3 电磁结构设计

1.3.1 设计约束

• 轮辋尺寸及形状
  

• 电压平台
  

• 车速
  

• 轮距
  

• 散热条件
  

1.3.2 设计目标

• 电机峰值扭矩
  

• 电机峰值功率

• 电机效率

• 电机厚度

• 电机重量
  

• 扭矩波动
  

• 符合量产工艺
  

1.3.3 优化方案

• 定子直槽→量产绕线工艺

• 磁性槽楔→减小扭矩波动

• 浸油冷却→提高冷却效率

• 转子轭开槽→降低损耗，提高效率

• Halbach聚磁→减小转子厚度，增加气隙直径，减小电机厚度，降低电机质量

• Halbach极弧系数优化→降低电机扭矩波动

1.4 量产结构设计（强度、刚度、轻量化、加工工艺）

1.5 动密封设计

在功能样机阶段，轮毂电机油封位置出现了漏油现象，并且油封和中心轴的摩擦扭矩比较大。因此专门设计相关试验，对轮毂电机油封进行专题研究，找到合适的油封压缩量，既保证密封，又降低摩擦损耗。

1.6 低扭矩波动设计

定子扭矩波动会通过车身结构传递到车辆内部，影响整车的NVH和驾驶体验。

1.6.1 电磁设计：Halbach极弧系数优化、采用进口性能优异的磁性槽楔。

1.6.2 结构设计：设计定子扭转减振。

1.6.3 控制算法：采用谐波注入算法降低电流纹波。

1.7 出线结构设计

浸油冷却，高压电缆护套不耐油，法兰面尺寸限值，没有合适的接插件，定制化开发小尺寸接插件开发费用高、通用性不强。

研究了轮毂电机出线方案（如下图），能够适用于振动、防护、大电流等各种恶劣条件。

1.8 轮毂电机集成设计（12寸轮毂电机）

第2部分

轮毂电机性能试验

2.1 振动试验

定频振动频率为67Hz，加速度为11g。试验时间：上下方向为 4h，左右方向为2h，前后方向为2h。

按上下方向的扫频振动试验，扫频范围在25Hz～60Hz时，位移幅值0.78mm，每个周期15 min，扫频次数14次。在60Hz～200Hz时，加速度110m/s2，每个周期15min，扫频次数14次。

经振动试验后，零部件无损坏，紧固件无松脱现象；可以在额定电压、持续转矩、持续功率下正常工作。

探明了偏心率、气隙磁密与不平衡径向电磁力之间的耦合特性，揭示了不同偏心下轮毂电机机电耦合振动机理，从而为轮毂电机驱动系统振动噪声抑制提供了依据。

2.2 可靠性试验

试验中电机无故障，试验后电机拆解检查无损坏，可靠性试验后电机性能没有明显变化。

2.3 浸水试验

试验标准：GB/T 4208-2017 外壳防护等级（IP代码）

 GB/T 4942.1-2006 旋转电机整体结构的防护等级（IP代码） 分级

2.4 其他试验

GBT18488.1-2015、GBT18488.2-2015电动汽车用驱动电机系统已不再适用。

2.5 标准制定

制订了中国汽车工程学会团体标准4项，分别为《汽车轮毂电动轮总成 术语》、《汽车轮毂电动轮总成 技术条件》、《汽车轮毂电动轮总成 试验方法》、《汽车用轮毂电动轮 可靠性试验方法》。

第3部分

轮毂电机损耗及参数辨识

3.1 电磁损耗分析

3.2 参数辨识

逆变器死区、磁场饱和、电机温升等对轮毂电机电阻、电感、磁链等参数带来严重影响，影响电机控制品质。

教与学优化算法采用贪婪选择策略寻优，收敛能力极强，具有参数少、复杂度低、收敛速度快、精度高的优点。

基于改进教与学最优算法，加速算法收敛速度，提高算法精度。

第4部分

分布式驱动协调控制

4.1 控制难点分析

（1）控制难点

• 轮毂电机转动惯量大，如何提升高车身动态下的控制扭矩精度。

• 如何克服短时间、大电流输出的不稳定性。

• 如何缩短电机响应时间，实现输出目标扭矩所需时间＜20ms。

（2）控制方式

• 通过合理控制4个轮毂电机的扭矩输出，使车辆产生预期的横摆控制力矩，降低车辆因突破侧向力极限而引起的侧滑风险。

（3）性能目标

• 通过美国国家公路交通安全管理局规定的电子稳定控制系统试验标准——FMVSS-126，国标GB/T 30677-2014

4.2 扭矩矢量控制

矢量控制器的开发实际就是对车辆动态控制系统的开发，该控制器是建立在分布式驱动系统基础之上的，从开发流程上可以参考传统燃油车车辆动态系统的开发流程，但在具体软件架构和参数设置上需要单独设计和匹配。

• 采用NXP 32位 SPC5644主芯片

• 基础软件满足AUTOSAR标准  

• 具备扭矩分配、电子差速、牵引力控制、车身动态控制等功能

4.2.1 路面状态识别

基于车辆动力学参数推导法 ，轮胎动力学方程：

在车辆动力学控制过程中，需要实时获取路面情况，并根据当下路面条件利用控制算法，以最大程度的发挥车辆动力性能，防止车轮滑转，保证车辆的脱困能力和驾驶安全性。

4.2.2 驱动扭矩分配

在总需求扭矩一定时，通过电子扭矩分配算法，系统根据当前外部环境和车辆状态，不仅可以实现前后轮毂电机驱动力的自由分配，还可以实现单侧或单轮扭矩的连续变化。

• 在起步、加速的瞬间，可以将更多的扭矩分配到后轮。

• 随着速度的增加，驱动力比例将从后轮逐渐转移到前轮，提高车辆起步舒适度及传动效率。

4.2.3 牵引力控制

轮毂电机牵引力控制系统可以针对每个驱动轮所处的不同路面附着条件，对驱动力矩进行精确控制，且不需要配合制动系统对打滑车轮进行制动，不仅增加了湿滑泥泞路面的通过性，也提高了系统可靠性。

4.2.4 驱动防滑控制

控制模块核心： 

• 车辆状态识别 

• 滑移率计算模块

• 扭矩计算模块

低附着系数侧车轮轮速（图中绿线）得到及时控制，车辆具备加速能力，整体车速逐步提升。

4.2.5 基于动态规划的转矩分配

考虑能量效率的轮毂电机驱动转矩分配系数计算

4.3 实车测试

搭建了分布式驱动系统技术体系，完善了分布式驱动系统关键部件开发技术，完成了技术产品工程化开发，具备了系统工程服务能力。

4.3.1 加速性能测试

▲最高车速测试

▲0-50km/h加速性能试验

▲50-80km/h加速性能试验

4.3.2 扭矩响应测试

两侧驱动轮扭矩响应时间基本一致，扭矩响应时间明显缩短，均在250ms以下，扭矩输出对称性高，有利于提高车辆行驶稳定性。

第5部分

结束语

• 轮毂电机驱动电动汽车符合汽车行业“安全、环保、节能”的发展主题，代表着未来电动汽车的发展方向。

• 轮毂电机驱动电动汽车驱动转矩独立可控，便于实现线控转向、线控驱动、线控制动与线控悬架等线控技术，是探索新型车辆动力学与节能协调控制的理想载体。

• 从轮毂电机及整车工程化样机测试到量产应用还有较大距离，开发具有自主知识产权的轮毂电机及分布式驱动电动汽车，对提高我国电动汽车的国际竞争力具有重要意义。