孫悅超，李曼，廖聰，陳敬淵

（嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048）

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展分析

孫悅超，李曼，廖聰，陳敬淵

（嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048）

通過對集中式驅(qū)動(dòng)、分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車性能特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車采用分布式驅(qū)動(dòng)中的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、車身內(nèi)部空間利用率高、整車重心低、行駛穩(wěn)定性好、便于智能控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合目前及今后電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能的發(fā)展要求，它將是未來電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的終端方式。

電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)方式；輪轂電機(jī)；發(fā)展分析

電動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)的帶載性和寬調(diào)速特性，可去掉離合器和變速箱等機(jī)械裝置，使結(jié)構(gòu)簡化，維護(hù)、保養(yǎng)方便［1-2］。在當(dāng)今能源、環(huán)境雙重問題的推動(dòng)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(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，科研人員對電動(dòng)汽車的研發(fā)也獲得了絕佳機(jī)遇。因此，電動(dòng)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(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件，其好壞對電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性都有重要影響。但汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)有別于其它工業(yè)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅受汽車結(jié)構(gòu)尺寸的影響，同時(shí)還要滿足復(fù)雜工況下的運(yùn)行條件［3-5］。因此，除了要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(diǎn)外，還要能夠適用汽車頻繁地啟動(dòng)、停車、爬坡、加減速等工況，這就要求其驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的性能要求［6］。

1 驅(qū)動(dòng)方式簡介

根據(jù)電動(dòng)汽車上驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置的不同，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式可分為單電機(jī)集中式驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)2種。分布式驅(qū)動(dòng)又可分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.1 集中式驅(qū)動(dòng)

集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)接近，用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)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(dòng)即可，具有操作技術(shù)成熟、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)效率低、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。

集中式驅(qū)動(dòng)常見傳動(dòng)方式有3種，如圖1所示［7］。圖1a為帶有離合器的傳動(dòng)方式，采用該方式的純電動(dòng)汽車變速器一般設(shè)有2～3個(gè)擋位，換擋中離合器起中斷動(dòng)力、降低換擋沖擊的作用；圖1b的傳動(dòng)方式取消了離合器，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)軸與固定速比減速器相連，使傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量和傳動(dòng)裝置體積減小，利于增加車內(nèi)空間；圖1c的傳動(dòng)方式則把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器和差速器集成一體，通過左、右半軸分別驅(qū)動(dòng)對應(yīng)側(cè)車輪，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜用在小型汽車上。

圖1 集中式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式Fig.1 Centralized drive transmission

1.2 分布式驅(qū)動(dòng)

分布式驅(qū)動(dòng)是將多個(gè)電機(jī)集成在車輪附近或輪輞內(nèi)，將動(dòng)力傳給相應(yīng)車輪。具有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)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(dú)立控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力學(xué)控制功能。按電動(dòng)機(jī)位置和傳動(dòng)不同可分輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種。

1.2.1 輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)

輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在副車架上的驅(qū)動(dòng)輪旁邊，通過或不通過減速器直接驅(qū)動(dòng)對應(yīng)側(cè)車輪，如圖2所示［7-8］。帶減速器的驅(qū)動(dòng)方式是將電機(jī)與固定速比減速器連接，通過半軸實(shí)現(xiàn)對應(yīng)側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)，它是從集中式驅(qū)動(dòng)到輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間的過渡形式。

圖2 輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)Fig.2 Wheel side motor drive

圖2 中，2個(gè)電機(jī)通過對應(yīng)側(cè)減速器分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)側(cè)車輪，可對每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，采用電子差速器實(shí)現(xiàn)左右半軸差速，對驅(qū)動(dòng)輪有更加精準(zhǔn)的掌控力。

輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車傳動(dòng)鏈和傳動(dòng)空間進(jìn)一步減小，底盤機(jī)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(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shí)速可超過250 km/h。

1.2.2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為最先進(jìn)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是將2個(gè)、4個(gè)或者多個(gè)電機(jī)安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)車輪，俗稱電動(dòng)輪，特別適合于純電動(dòng)汽車。它的最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動(dòng)汽車的機(jī)械部分大大簡化。

圖3為傳統(tǒng)汽車與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車底盤比較。由圖3可見，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)徹底取消了離合器、變速器、差速器和半軸等傳動(dòng)系統(tǒng)部件，使底盤結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)效率提高，車內(nèi)獲得更多空間，同時(shí)減少了整車質(zhì)量且驅(qū)動(dòng)布置合理，便于實(shí)現(xiàn)底盤智能化和電氣化控制。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)根據(jù)有無減速機(jī)構(gòu)，又可分為直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)（減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪）［9］。

圖3 傳統(tǒng)汽車與輪轂電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)比較Fig.3 Comparison of the drive of conventional vehicles and wheel hub electric vehicles

直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，無減速結(jié)構(gòu)，也稱外轉(zhuǎn)子式輪轂驅(qū)動(dòng)，如圖4a［7］所示。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般在1 500 r/min左右，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同。其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、成本低、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高。但在起步、爬坡等大負(fù)荷時(shí)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(dòng)力性，對電動(dòng)機(jī)的要求較高，一般用低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。

減速驅(qū)動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)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(dòng)。減速裝置通常采用傳動(dòng)比在10∶1左右的行星齒輪減速裝置，可以保證汽車低速時(shí)獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩，如圖4b［7］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(jī)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(dòng)汽車的運(yùn)行要求，所用電動(dòng)機(jī)工作最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min以上，對電動(dòng)機(jī)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(jī)，電機(jī)輸出動(dòng)力減速增扭后驅(qū)動(dòng)輪轂推動(dòng)汽車行駛。電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、高轉(zhuǎn)速運(yùn)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(yùn)行時(shí)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。

圖4 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)布置形式Fig.4 Layout of wheel hub motor drive

2 驅(qū)動(dòng)性能與應(yīng)用分析

2.1 驅(qū)動(dòng)性能分析

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

表1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式性能比較Tab.1 Performance comparison of electric vehicles′drive modes

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)完全取消了傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，將電機(jī)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)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(jī)與動(dòng)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(shí)，每個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無硬性機(jī)械連接，可通過計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)按汽車行駛狀態(tài)對車輪驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力進(jìn)行快速優(yōu)化、精確任意分配，便于實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，ABS，TCS及ESP等功能，使得汽車轉(zhuǎn)向靈便、動(dòng)力學(xué)性能可靠、操縱穩(wěn)定性好。此外，輪轂驅(qū)動(dòng)還可實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)及制動(dòng)能量回饋，能源消耗低、制動(dòng)能量回收高，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到90%［10］。

雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車性能優(yōu)點(diǎn)突出，但由于輪轂電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)甚至懸架系統(tǒng)同時(shí)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(dòng)慣量顯著增大，從而增加汽車垂直方向的振動(dòng)幅度，甚至影響輪胎的附著性，不利于汽車的控制，還會(huì)降低汽車的平順性和舒適性。2008年，米其林推出的主動(dòng)車輪輪轂中設(shè)有2個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)向車輪輸出轉(zhuǎn)矩，另一個(gè)則是用于控制主動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)具有其它驅(qū)動(dòng)方式無法比擬的性能優(yōu)點(diǎn)，雖然現(xiàn)在還無成熟的輪轂驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)品應(yīng)用，但輪轂驅(qū)動(dòng)作為一種新的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，是當(dāng)前國內(nèi)外電動(dòng)汽車研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)技術(shù)之一。

現(xiàn)列舉小部分輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的研究，比如：文獻(xiàn)［11］利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制；文獻(xiàn)［12-13］通過特殊電機(jī)設(shè)計(jì)將電機(jī)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(xiàn)［14］通過設(shè)置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機(jī)構(gòu)將輪轂電機(jī)定子質(zhì)量由簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧上質(zhì)量；文獻(xiàn)［15］提出將整個(gè)電機(jī)質(zhì)量作為簧載質(zhì)量的方案，即在直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)系統(tǒng)中直接將電機(jī)質(zhì)量作為吸振器質(zhì)量，不另外增加質(zhì)量塊；文獻(xiàn)［16］開發(fā)了一種適用于輪轂電機(jī)電動(dòng)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(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

綜上可見，科研人員正在針對輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的不足進(jìn)行多方面的改進(jìn)、研發(fā)，包括高轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)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(huì)逐步解決輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，從而使其成為電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)方式。

3 結(jié)論

通過電動(dòng)汽車不同驅(qū)動(dòng)方式性能分析，發(fā)現(xiàn)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)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(hù)成本、安全性、大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)等方面都有其它驅(qū)動(dòng)方式所不具備的優(yōu)勢，符合當(dāng)今電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式的首選時(shí)代需求。

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Analysis of Motor Drive Development in Electric Vehicles

SUN Yuechao，LI Man，LIAO Cong，CHEN Jingyuan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Lingnan Normal University，Zhanjiang 524048，Guangdong，China）

Based on the comparative analysis of the performance characteristics of centralized and distributed drive electric vehicles，found that the direct driving mode of the wheel hub motor in the distributed drive has the advantages of compact structure，high utilization rate of the internal space，low gravity center，good stability，ease of intelligent control and many other advantages，it meets the current and future development requirements of the driving performance of electric vehicles，it will be the mainstream mode of electric vehicle drive in the future.

electric vehicle；drive mode；wheel hub motor；development analysis

U463.23

A

10.19457/j.1001-2095.20171001

廣東省自然科學(xué)基金（S2013010012107）；嶺南師范學(xué)院人才基金（ZL1305）

孫悅超（1974-），男，博士研究生，教授，Email：yuechaosun@163.com

2016-09-24

修改稿日期：2016-11-19