電動汽車驅(qū)動方式優(yōu)缺點技術(shù)分析

電動汽車相對傳統(tǒng)汽車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、零排放等優(yōu)點，同時由于電動機的帶載性和寬調(diào)速特性，可去掉離合器和變速箱等機械裝置，使結(jié)構(gòu)簡化，維護、保養(yǎng)方便。在當(dāng)今能源、環(huán)境雙重問題的推動下，世界主要汽車生產(chǎn)國都以前所未有的力度發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)，科研人員對電動汽車的研發(fā)也獲得了絕佳機遇。因此，電動汽車正在開創(chuàng)汽車產(chǎn)業(yè)的新格局，它將成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。

驅(qū)動電機作為電動汽車的核心部件，其好壞對電動汽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性都有重要影響。但汽車驅(qū)動電機有別于其它工業(yè)電機，電機驅(qū)動系統(tǒng)不僅受汽車結(jié)構(gòu)尺寸的影響，同時還要滿足復(fù)雜工況下的運行條件。因此，除了要求驅(qū)動電機效率高、質(zhì)量小、功率密度大、尺寸小、可靠性好及成本低的特點外，還要能夠適用汽車頻繁地啟動、停車、爬坡、加減速等工況，這就要求其驅(qū)動電機需具備較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，來滿足汽車低速或爬坡時高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的性能要求。

1 驅(qū)動方式簡介

根據(jù)電動汽車上驅(qū)動電機安裝位置的不同，電動汽車驅(qū)動方式可分為單電機集中式驅(qū)動和多電機分布式驅(qū)動2種。分布式驅(qū)動又可分為輪邊電機驅(qū)動與輪轂電機驅(qū)動。

1.1 集中式驅(qū)動

集中式驅(qū)動與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)接近，用電動機代替內(nèi)燃機，通過傳動系統(tǒng)將電動機的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動輪上使汽車行駛，在傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，稍加改動即可，具有操作技術(shù)成熟、安全可靠的優(yōu)點。但其存在底盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、車內(nèi)空間狹小、體積較大、傳動效率低、控制復(fù)雜等缺點。

集中式驅(qū)動常見傳動方式有 3 種，如圖 1 所 示。圖1a為帶有離合器的傳動方式，采用該方式的純電動汽車變速器一般設(shè)有2～3個擋位，換擋中離合器起中斷動力、降低換擋沖擊的作用；圖1b的傳動方式取消了離合器，將驅(qū)動電機通過傳動軸與固定速比減速器相連，使傳動系統(tǒng)質(zhì)量和傳動裝置體積減小，利于增加車內(nèi)空間；圖 1c的傳動方式則把驅(qū)動電機、變速器和差速器集成一體，通過左、右半軸分別驅(qū)動對應(yīng)側(cè)車輪，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜用在小型汽車上。

1.2 分布式驅(qū)動

分布式驅(qū)動是將多個電機集成在車輪附近或輪輞內(nèi)，將動力傳給相應(yīng)車輪。具有驅(qū)動傳動鏈短、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點。電動機即是汽車信息單元，同樣也是快速反應(yīng)的控制執(zhí)行單元，通過獨立控制電動機驅(qū)/制動轉(zhuǎn)矩容易實現(xiàn)多種動力學(xué)控制功能。按電動機位置和傳動不同可分輪邊電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動2種。

1.2.1 輪邊電機驅(qū)動

輪邊電機驅(qū)動是將驅(qū)動電機安裝在副車架上的驅(qū)動輪旁邊，通過或不通過減速器直接驅(qū)動對應(yīng)側(cè)車輪，如圖2所示。帶減速器的驅(qū)動方式是將電機與固定速比減速器連接，通過半軸實現(xiàn)對應(yīng)側(cè)車輪的驅(qū)動，它是從集中式驅(qū)動到輪轂電機驅(qū)動之間的過渡形式。

圖2 中，2 個電機通過對應(yīng)側(cè)減速器分別驅(qū)動相應(yīng)側(cè)車輪，可對每個電機的轉(zhuǎn)速進行獨立調(diào)節(jié)控制，采用電子差速器實現(xiàn)左右半軸差速，對驅(qū)動輪有更加精準(zhǔn)的掌控力。

輪邊電機驅(qū)動的汽車傳動鏈和傳動空間進一步減小，底盤機械結(jié)構(gòu)更簡單，整車質(zhì)量減小且布置更合理，可使傳動效率提高。在2015年日內(nèi)瓦車展亮相的奧迪 R8 e-tron 采用雙永磁同步電機驅(qū)動，在寬泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持95%的效率，峰值轉(zhuǎn)矩為920 N·m，0～100 km/h的加速為3.9 s，最高時速可超過250 km/h。

1.2.2 輪轂電機驅(qū)動

輪轂電機驅(qū)動作為最先進的電動汽車驅(qū)動技術(shù)，是將2個、4個或者多個電機安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動車輪，俗稱電動輪，特別適合于純電動汽車。它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動汽車的機械部分大大簡化。

圖3為傳統(tǒng)汽車與輪轂電機驅(qū)動的電動汽車底盤比較。由圖3可見，輪轂電機驅(qū)動徹底取消了離合器、變速器、差速器和半軸等傳動系統(tǒng)部件，使底盤結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率提高，車內(nèi)獲得更多空間，同時減少了整車質(zhì)量且驅(qū)動布置合理，便于實現(xiàn)底盤智能化和電氣化控制。輪轂電機驅(qū)動根據(jù)有無減速機構(gòu)，又可分為直接驅(qū)動和減速驅(qū)動（減速驅(qū)動電動輪）。

直接驅(qū)動的電機外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機械連接，無減速結(jié)構(gòu)，也稱外轉(zhuǎn)子式輪轂驅(qū)動，如圖4a 所示。電機最高轉(zhuǎn)速一般在1500 r/min 左 右，車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同。其優(yōu)點是電機體積小、質(zhì)量輕、成本低、驅(qū)動結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高。但在起步、爬坡等大負荷時需要轉(zhuǎn)矩、大電流，容易損壞電池和永磁體。因此，為了保證足夠大的起步轉(zhuǎn)矩和較好的動力性，對電動機的要求較高，一般用低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機。

減速驅(qū)動是在電動機和車輪之間安裝固定速比減速器，起減速增矩作用，也稱內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂驅(qū)動。減速裝置通常采用傳動比在10∶1左右的行星齒輪減速裝置，可以保證汽車低速時獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩，如圖 4b所示。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式將更具競爭力。為獲得較高的功率密度和適應(yīng)現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求，所用電動機工作最高轉(zhuǎn)速可達10000 r/min 以上，對電動機其它性能沒有特殊要求，通常采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機，電機輸出動力減速增扭后驅(qū)動輪轂推動汽車行駛。電機體積小、質(zhì)量輕、高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)比功率高；減速增矩后汽車爬坡性好，并可保證汽車在低速運行時具有較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，非簧載質(zhì)量增加對車輛平順性和其操縱穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

2 驅(qū)動性能與應(yīng)用分析

2.1 驅(qū)動性能分析

表 1 為電動汽車不同電機驅(qū)動方式性能比較，它直觀反映了不同驅(qū)動方式的電動汽車傳動效率、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性等方面的情況。結(jié)合表1和上述電機驅(qū)動方式可知：集中式驅(qū)動與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相似，具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的傳動系統(tǒng)零部件多、成本高、傳動效率低、控制復(fù)雜等相應(yīng)缺點。與集中式驅(qū)動相比，輪邊電機驅(qū)動方式傳動鏈短、經(jīng)濟性好、車身內(nèi)部空間利用率高、制動能量回饋損耗小，但傳動效率不如輪轂電機驅(qū)動高。

輪轂電機驅(qū)動完全取消了傳動系統(tǒng)零部件，將電機、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)同時放在輪輞里，使汽車結(jié)構(gòu)緊湊，重心降低，行駛穩(wěn)定性提高。輪轂電機與動力電池及控制器間采用線束連接，見圖3b。車內(nèi)空間布置更加靈活，降低車廂底板且底盤平整，增大空間，提高乘坐舒適性。同時，每個車輪運動相互獨立，無硬性機械連接，可通過計算機和電機控制系統(tǒng)按汽車行駛狀態(tài)對車輪驅(qū)動力和制動力進行快速優(yōu)化、精確任意分配，便于實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，ABS，TCS及ESP 等功能，使得汽車轉(zhuǎn)向靈便、動力學(xué)性能可靠、操縱穩(wěn)定性好。此外，輪轂驅(qū)動還可實現(xiàn)電氣制動、機電復(fù)合制動及制動能量回饋，能源消耗低、制動能量回收高，能量轉(zhuǎn)化效率可達到 90%。

雖然輪轂電機驅(qū)動的汽車性能優(yōu)點突出，但由于輪轂電機、制動系統(tǒng)甚至懸架系統(tǒng)同時集中在車輪上，導(dǎo)致汽車非簧載質(zhì)量和車輪旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量顯著增大，從而增加汽車垂直方向的振動幅度，甚至影響輪胎的附著性，不利于汽車的控制，還會降低汽車的平順性和舒適性。2008年，米其林推出的主動車輪輪轂中設(shè)有2個電動機，其中一個向車輪輸出轉(zhuǎn)矩，另一個則是用于控制主動懸架系統(tǒng)，從而改善舒適性、操控性和穩(wěn)定性。

2.2 未來發(fā)展分析

輪轂電機驅(qū)動具有其它驅(qū)動方式無法比擬的性能優(yōu)點，雖然現(xiàn)在還無成熟的輪轂驅(qū)動汽車產(chǎn)品應(yīng)用，但輪轂驅(qū)動作為一種新的先進驅(qū)動方式，是當(dāng)前國內(nèi)外電動汽車研究的重點、熱點技術(shù)之一。

現(xiàn)列舉小部分輪轂電機驅(qū)動方面的研究，比如：文獻［11］利用電機質(zhì)量構(gòu)造吸振器對非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動負效應(yīng)進行控制；文獻［12-13］通過特殊電機設(shè)計將電機定子質(zhì)量轉(zhuǎn)化到簧載質(zhì)量中去，使非簧載質(zhì)量下降；文獻［14］通過設(shè)置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機構(gòu)將輪轂電機定子質(zhì)量由簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧上質(zhì)量；文獻［15］提出將整個電機質(zhì)量作為簧載質(zhì)量的方案，即在直接驅(qū)動輪轂電機的電動系統(tǒng)中直接將電機質(zhì)量作為吸振器質(zhì)量，不另外增加質(zhì)量塊；文獻［16］開發(fā)了一種適用于輪轂電機電動車的專用懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種雙節(jié)臂式前懸架系統(tǒng)、扭桿梁式后懸架系統(tǒng)和機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

綜上可見，科研人員正在針對輪轂電機驅(qū)動存在的不足進行多方面的改進、研發(fā)，包括高轉(zhuǎn)矩輪轂電機的開發(fā)、智能化底盤的集成與控制、輕量化車身技術(shù)。相信非簧質(zhì)量對汽車性能的影響等關(guān)鍵技術(shù)，會逐步解決輪轂電機直接驅(qū)動存在的各種缺陷與不足，探索出合理的新手段，充分發(fā)揮輪轂電機直接驅(qū)動的優(yōu)點，從而使其成為電動汽車的最終驅(qū)動方式。

3 結(jié)論

通過電動汽車不同驅(qū)動方式性能分析，發(fā)現(xiàn)采用輪轂電機驅(qū)動方式的電動汽車結(jié)構(gòu)最緊湊、車身內(nèi)部空間利用率最高、整車重心低、行駛穩(wěn)定性好、便于智能控制，在維護成本、安全性、大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動等方面都有其它驅(qū)動方式所不具備的優(yōu)勢，符合當(dāng)今電動汽車驅(qū)動電機朝著小型化、高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展的要求。輪轂電機直接驅(qū)動雖然還有一定的不足之處，技術(shù)尚未成熟，但不能阻擋其成為未來電動汽車驅(qū)動方式的首選時代需求。