轮毂电机与摩擦制动集成技术研究现状

楚博士，王奎洋

轮毂电机与摩擦制动集成技术研究现状

楚博士，王奎洋*

（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）

轮毂电机作为未来电动汽车驱动系统的发展方向，具有广阔的应用前景，轮毂电机与摩擦制动集成设计和协同控制为电动汽车制动系统亟待解决的关键技术之一。文章探讨了电动汽车轮毂电机与摩擦制动集成技术研究的必要性，分析了国内外轮毂电机技术以及轮毂电机与摩擦制动集成技术的研究现状。同时，总结了轮毂电机技术在电动汽车上的一些具体应用、轮毂电机与摩擦制动的集成设计结构、轮毂电机与摩擦制动的协同控制策略，提出了轮毂电机与摩擦制动集成技术所存在的一些问题及其发展趋势。

轮毂电机；摩擦制动；复合制动；集成技术；协调控制

分布式驱动电动汽车拥有更高的驱动效率与制动能量回收潜力，能够实现将动力系统、传动系统以及制动系统等集成于轮毂内侧，具有简化整车结构、减少机械损失、提高工作效率以及便于复杂控制等优点[1]。分布式驱动电动汽车相比于集中驱动式电动汽车、轮边电机式电动汽车更具优势，其应用给整个电动汽车底盘技术带来了革命性的变化，属于电动汽车的终极解决方案之一。

目前，摩擦制动仍是汽车制动的主要形式，轮毂电机直接驱动式电动汽车存在着簧载质量增加影响行驶平顺性能、轮毂内温度上升影响电机工作效能以及电机再生制动与机械摩擦制动互为干涉等问题，这些问题直接制约着轮毂电机直接驱动式电动汽车产业化发展[2]。摩擦制动以制动效能、制动稳定性为评价指标，而轮毂电机制动则以制动能量回收率、电机工作效率为目标，在制动过程中轮毂电机与摩擦制动作为一个复杂的整体，在一定程度上存在着相互影响和制约。因此，有必要对电动汽车轮毂电机与摩擦制动集成技术和协同控制开展研究，以期达到减小轮毂电机直接驱动式电动汽车的簧载质量、降低轮毂内温升、提高行驶平顺性、增加续驶里程以及实现轮毂电机制动与机械摩擦制动协同工作，充分发挥两者各自优点的目的。如何实现轮毂电机与摩擦制动的集成设计和协同工作，探究现有技术存在的不足之处并加以完善是相关领域科研人员的重要研究方向。

1 轮毂电机技术现状分析

1.1 国外研究现状

国外轮毂电机技术发展相对较早，美国、日本、欧洲等汽车发达国家和地区，轮毂电机技术具有较为成熟的研究基础，轮毂电机成功取代发动机的功能应用于电动汽车上，其制动及能量再生效果符合预期[3]。

德国舍费勒公司在机电一体化、动力总成及系统集成方面有着丰富经验，在多年前便开展轮毂电机技术研发并取得了一定成果，从电机直驱技术到模块化产品，可满足不同客户的需求[4]。舍费勒公司的轮毂电机产品已经在多款概念车上成功实车测试并已产业化生产。

英国Protean Electrics公司的轮毂电机在功率和转矩密度方面拥有独特的技术优势，其生产的轮毂电机已经解决多个技术难题[5]。该轮毂电机与轮辋连接安装方便，动力性能提升明显，内部采用了多个子电机增加工作可靠性，与其合作的汽车改装厂商使用该轮毂电机产品在汽车的驱动性能方面具有不错的表现。

英国Saietta公司是著名电机设计和制造商，在轮毂电机方面取得了一系列创新技术。该公司采用的轴向磁通技术相比于径向磁通电机可以节省更多的空间。轴向磁通电机在材料、尺寸、质量等方面相比于径向磁通电机使用更少、更小、更轻，同时可以提供更强的输出功率。

1.2 国内研究现状

国内在轮毂电机研发方面起步相对较晚，在电机设计、制造工艺、系统控制及技术创新等方面与国外先进技术相比仍存在较大差距。近些年，我国轮毂电机技术在研发、生产、应用等方面不断补齐短板，提升轮毂电机整体技术水平，缩短了与国外的差距[6]。

亚太依拉菲公司通过投资控股方式实现与依拉菲合作而成立[7]。在获得依拉菲技术支持之后，亚太依拉菲在国内轮毂电机行业处于领先地位并积极推动轮毂电机技术在新能源汽车行业的应用。亚太依拉菲通过对传统燃油车的改装推出新款轮毂电机电动汽车。

东风汽车公司在轮毂电机总成集成技术以及轮毂电机电、磁、热等多领域均有研究和突破。东风汽车商用车轮毂电机，其传动效率比高达96%，在成本降低、质量减轻、峰值扭矩等方面均比国外同类产品有所提高。

赵成提出了一种新型轮毂电机结构方案，如图1所示。该轮毂电机在满足电动汽车驱动时所需高转矩密度、强散热性能的基础上，通过指标参数确定总体设计方案，进行优化设计、模拟仿真及台架试验，所得试验结果符合研究预期[8]。

图1 一种新型轮毂电机结构

此外，上汽、广汽、奇瑞、比亚迪、宇通等国内众多企业也对轮毂电机技术开展了广泛而深入的研究。

综上所述，国外轮毂电机技术起步较早，在设计、制造等很多方面处于领先地位。近年来，随着我国新能源汽车行业的发展以及国家政策的支持，国内相关企业和高校在轮毂电机技术上有所突破，水平也在不断提升。

2 轮毂电机与摩擦制动集成结构研究现状

2.1 国外研究现状

LE SOLLIEC G等提出了在传统车辆后轮使用轮毂电机，前桥依然采用热动力总成的方案[9]。该方案可以满足减少废气排放的需求，轮毂电机控制的后轮可以单独控制转矩，具有快速响应的优点。同时，该方案通过协调轮毂电机与液压制动系统，提高了车辆的制动安全性。

沃尔沃汽车公司在探索如何实现低成本、紧凑型新能源电动汽车方面取得很多研究进展，同时致力于轮毂电机研究，并考虑如何实现再生制动与摩擦制动的集成[10]。其通过采用线控摩擦制动与轮毂电机再生制动集成方式实现了复合制动结构。该集成结构还包括转向和悬架系统，改善了汽车舒适性、制动安全性，降低了轮胎磨损。

图2 TM4公司轮毂电机电动轮

加拿大TM4公司提出了一种轮毂电机电动轮结构，如图2所示[11]。该轮毂电机采用外转子形式，外转子外壳直接与轮辋连接，摩擦制动采用鼓式制动器结构，制动蹄片与外转子集成在一起，从而将轮毂电机、轮辋及摩擦制动器集成为一个整体，集成后的电动轮具有结构紧凑、质量减轻、机动性强、响应快速等特点。

MATSUGAURA S等基于一款后轮驱动式电动汽车，提出了一种驱动轮内轮毂电机与摩擦制动器集成设计方案[12]。轮毂电机为永磁无刷直流电机，摩擦制动采用鼓式摩擦制动器，并对轮毂电机再生制动和摩擦制动的复合制动方式进行了研究，在保证制动效能的前提下，提高了电动汽车的续航里程。

GRANDONE M等针对一款混合动力电动汽车，通过将轮毂电机安装于后轮轮毂内改装成轮毂电机电动轮，添加了光伏板和锂离子电池，前轮仍采用摩擦制动方式，实现轻度并联混合动力结构[13]。该结构将轮毂电机与电池管理控制器集成到一起，与摩擦制动协调工作，提高了能量利用效率，改善了燃油经济性。

2.2 国内研究现状

王强等提出了一种新型的集成式轮毂电机设计方案，如图3所示[14]。其与传统的电机与轮辋集成结构相比，该方案将轮毂电机转子外壳和摩擦制动盘集成于一体，轮毂电机的定子通过阻尼组件与车轴相连接，简化了轮毂电机与摩擦制动结构，克服了簧载质量过大而引起的垂直振动负面影响。

1—轮胎；2—轮毂；3—定子；4—制动盘；5—阻尼组件；6—控制单元；7—转子。

陈齐平等提出了一种外转子轮毂电机电动汽车驱动制动一体化装置[15]。外转子轮毂电机制动时，利用电磁原理和机械摩擦结合的方式实现。当对车辆实施制动时，轮毂电机制动产生电磁力，执行机构产生制动力，使得车辆减速或停车。集成结构相比于传统机构更为简单，能耗损失减少，提高了能源利用率。

张瑞军基于摩擦制动和电磁制动的集成思想，提出了一种内置于轮毂电机的电磁与摩擦复合制动结构方案，如图4所示[16]。该结构采用三相永磁同步电机为轮毂电机，其内部包含冷却系统、摩擦制动、电磁制动等装置，实现了轮毂电机、电磁制动与摩擦制动三者的集成设计，可以发挥三种制动方式的各自优点。

图4 三种制动形式集成设计方案

ZHANG L等基于双转子电机与行星齿轮、离合器的结构匹配，提出了一种双转子轮毂电机，如图5所示[17]。该轮毂电机可以实现多种驱动及制动工况，解决了双转子电机双输出口不能直接用作轮毂电机的问题，实现了电机再生制动和液压摩擦制动的协调控制和防抱死制动功能。

图5 双转子轮毂电机与液压制动集成模型

注：电子控制单元（Electronic Control Unit,ECU）；电机（Motor,M）。

雷雨龙等提出了一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统及其控制方法[18]。该系统采用轮毂电机直接驱动车轮，相比于传统中央驱动，传递效率高。集成系统可以进行电机制动和液压复合制动，根据车轮制动力需求切换不同的制动模式。同时，双电机模式可以降低单个电机的转矩负荷，提高制动效率。

综上所述，国外多家轮毂电机企业已经可以量产轮毂电机与摩擦制动集成的电动轮，模块化的产品可以满足不同客户需求。同时，国外高校也在不断探索如何实现轮毂电机与摩擦制动的集成设计方案，并在此过程中取得不错的试验结果。而国内的研究主要集中在高校，且目前更多存在于理论研究方面。

3 轮毂电机与摩擦制动协同控制策略研究现状

3.1 国外研究现状

GODFREY A J等依据停车时间和再生能量，提出了一种基于制动踏板特性的制动策略[19]。该策略采用无刷直流电机作为轮毂电机，针对多种性能指标、运行条件，结合单开关、双开关、三开关拓扑等方法实现制动策略。利用制动踏板踩踏度的回馈切换验证了所提策略的可行性和优越性。

GRANDONE M等[13]针对混合动力电动汽车，后轮采用轮毂电机电动轮，提出了一种能够在机械摩擦制动和电机再生制动之间进行最佳权衡的再生制动控制策略。该策略考虑了前后轴制动力分配策略及车轮滑移率，通过实时控制模型研究制动策略的可行性，从而最大限度提升再生制动的作用。

VIGNATI M等提出了一种分布式电动机的控制策略，如图6所示[20]。在保证制动安全的情况下，通过控制器实现轮毂电机和液压制动之间的协同制动，利用液压制动弥补电机制动力不足的问题，综合考虑了驾驶员所要求的制动力矩、所需的横摆力矩、电机效率以及车轮法向载荷对转矩分配的影响等多种因素，相对于常规分配策略，再生制动力可达到最大值。

图6 分布式四轮毂电机控制策略

注：动力电池荷电状态（State Of Charge, SOC）。

AKSJONOV A等为了提高电动汽车在制动操作过程中的安全性和经济性，提出了一种再生防抱死制动模糊控制方法[21]。该方法利用纵向减速来估计路面附着系数，产生适当制动力矩，以保持最优滑移率，实现电机最大再生制动能量。机械摩擦制动只在轮毂电机制动转矩不足时参与工作。在干路面、湿路面和结冰路面等不同路面上进行模拟试验，验证所提方法的有效性。

GONZÁLEZ HERNÁNDEZ M I等基于轮毂电机再生制动与摩擦制动协调共存，达到高效电机制动的目的，研究了最大再生制动功率策略、最优制动力分配策略、双线再生摩擦制动策略等三种协调控制策略[22]。以四轮毂电机电动汽车为研究对象，对制动力进行计算分析，研究不同制动策略下的再生功率，以满足车轴之间再生制动与摩擦制动的最优制动力分布，同时实现最大比例的制动能量回收。

3.2 国内研究现状

PEI X等提出了一种分布式电动汽车电机再生制动与机械摩擦制动的协调控制策略[23]。为了实现再生制动和液压制动稳定性及协调性的最佳目标，其结合遗传算法和制动意图对所提策略进行试验分析，验证了该控制策略的有效性和可行性。

燕玉林等基于某车型机电联合制动系统，考虑多轮毂电机驱动车轮的能量利用率、制动力分配及制动能量回收效率等因素，提出了一种可有效分配制动力矩，提高制动效能并回收能量的模糊控制策略，如图7所示[24]。

图7 机电联合制动模糊控制策略

XU W等提出了一种四轮毂电机电动汽车再生制动转矩分配策略[25]。该策略通过协调轮毂电机再生制动和液压摩擦制动，考虑安全性和再生效率来解决多重目标约束等问题，优化前后轮的制动转矩，在保证四个车轮总制动转矩满足制动要求的前提下，最大限度地提高再生制动效率。

刘晋霞等提出了一种基于轮毂电机与模糊逻辑的再生制动控制策略，如图8所示[26]。其中，max为最大制动力；F为整车总制动力与电机提供的最大制动力之差；为电机制动力与整车总制动力之比。该策略考虑了轮毂电机、电池SOC、制动强度对再生制动系统的影响以及理想制动力曲线、欧洲经济委员会（Economic Commission for Europe, ECE）制动法规的约束，实现了轮毂电机制动力和摩擦制动器制动力的合理分配。

图8 基于模糊逻辑的再生制动控制策略

顾钰等根据轮毂电机在制动过程中的制动控制效果，基于轮毂电机再生制动，提出一种适用于再生制动与液压摩擦制动的协调控制策略[27]。所提策略充分考虑了制动意图、路面条件及典型工况等情况，利用电机制动精度高、响应快等优势，以保证轮毂电机制动效果。

综上所述，国外对轮毂电机与摩擦制动协同控制策略的研究相对较少，主要集中在制动力分配和制动能量回收效率等方面。国内的研究则相对较多，主要是在国外研究的基础上，进一步提高了控制系统的鲁棒性和精度。

4 轮毂电机与摩擦制动集成技术发展展望

近年来，国内外学者对轮毂电机技术的研究，推动了分布式驱动电动汽车的发展，轮毂电机与摩擦制动从单一形式朝着高度集成化、一体化、轻量化的方向发展。目前，对轮毂电机与摩擦制动的集成方面研究还相对较少，如何协调两者共存并发挥各自的最大优势，还有很多问题亟待解决。

轮毂电机与摩擦制动集成技术的发展趋势及需要解决的问题可总结为以下几个方面：

（1）轮毂电机电动汽车具有结构紧凑、易于智能控制等优点。因此，如何让轮毂电机更好地与电动汽车整体融合在一起，提高空间利用率，降低车辆重心及车轮的簧载质量，需要更加深入的研究。

（2）现有轮毂电机冷却系统受轮内结构、系统功能等因素的影响，冷却效果有待进一步提高。未来需要对新的冷却方式、工艺等进行更多的探索和试验，力求寻找新的方法来解决这一难题，研发出更加可靠的轮毂电机冷却系统。

（3）轮毂电机再生制动与机械摩擦制动互为干涉，轮毂电机制动时会施加一定程度的回馈制动力矩于车轮之上，因此，需要对轮毂电机再生制动与机械摩擦制动在控制逻辑上进行重新设计。

（4）轮毂电机与摩擦制动的集成结构使汽车底盘变得更加简洁、紧凑，将有更多的空间来布置其他机构或装置。

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Research Status of Hub Motor and Friction Braking Integration Technology

CHU Boshi, WANG Kuiyang*

( School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China )

As the development direction of the drive system of electric vehicle in the future, the hub motor has a broad application prospect. The integrated design and cooperative control of the hub motor and the friction braking system is one of the key technologies to be solved urgently in the electric vehicle brake system. In this paper, the necessity of research on the integration technology of hub motor and friction brake was discussed in the electric vehicle, the research status of hub motor technology at home and abroad and the integration technology and friction brake were analyzed.Meanwhile, some specific applications of hub motor technology in electric vehicles, the integrated design structure of hub motor and friction brake, and the cooperative control strategy of hub motor and friction brake were summarized, and some problems and development trends of the integration technology of hub motor and friction brake were put forward.

Hub motor; Friction braking;Regenerative brake;Integrated technology; Coordination control

U463.53

A

1671-7988(2023)03-204-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.038

楚博士（1994—），男，硕士研究生，研究方向为新能源汽车控制与运用，E-mail:chuboshi@163.com。

王奎洋（1979—），男，博士，副教授，研究方向为汽车机电一体化技术，E-mail:wkuiy@126.com。

江苏省产学研合作项目（BY2019062）；江苏省研究生实践创新计划项目（SJCX22_1486）。