電動汽車傳動方案的選擇*

徐威 張若平

（上海工程技術(shù)大學(xué)）

加快培育和發(fā)展節(jié)能汽車與新能源汽車，既是有效緩解能源和環(huán)境壓力、推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)，也是加快汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和國際競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略舉措[1]。底盤傳動系統(tǒng)作為電動汽車主要系統(tǒng)之一，對電動汽車的機(jī)械效率、整車結(jié)構(gòu)布置、行駛性能與汽車維修等有著重要的影響。我國目前動力電池和其他一些關(guān)鍵性技術(shù)還沒有取得有效的突破，動力電池的續(xù)航里程和充電時(shí)間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及，因此在電池問題解決之前，如何合理地選擇傳動方案將是現(xiàn)階段需要解決的問題。

1 驅(qū)動方式的選擇

電動汽車動力設(shè)備由電池、充電器、電源控制設(shè)備及驅(qū)動電機(jī)組成，如圖1所示。其比普通汽車發(fā)動機(jī)的布置位置更加靈活多樣，既可組合，也可以分開，使整車質(zhì)量分配得更加合理且結(jié)構(gòu)更加緊湊，完全突破了普通汽車發(fā)動機(jī)位置相對固定的設(shè)計(jì)方案。文章不考慮對電池、電源控制設(shè)備的布置位置，僅對驅(qū)動輪布置方式進(jìn)行初步探討[2]。

1.1 前驅(qū)動方式

前驅(qū)動方式使整車結(jié)構(gòu)緊湊，有利于其他總成系統(tǒng)的安排，在轉(zhuǎn)向和加速時(shí)行駛穩(wěn)定性較好。缺點(diǎn)：上坡時(shí)前輪附著力減小，易打滑；前輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使汽車維修不便。同軸機(jī)電集成式、電動橋及電動輪式的傳動系統(tǒng)均可作前驅(qū)動。中級及中級以下的電動轎車選擇前驅(qū)動方式比較合適。

1.2 后驅(qū)動方式

后驅(qū)動方式是傳統(tǒng)的布置方式，適合中高級電動轎車和各種類型電動客貨車，有利于車軸負(fù)荷分配均勻，汽車操縱穩(wěn)定性、行駛平順性比較好。

1.3 全驅(qū)動方式

1）全驅(qū)動方式其中一種方案是采用同一種的傳動系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是制造工藝單一，有利于幾種力量進(jìn)一步開展技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)，便于提高汽車維修技術(shù)，特別是采用電動橋或電動輪傳動的汽車，其改裝與變型十分方便。2）另一種方案是采用2 種不同的傳動系統(tǒng)，即一軸一種傳動系統(tǒng)的全驅(qū)動方案，其特點(diǎn)是有利于優(yōu)化和靈活采用不同的傳動系統(tǒng)，更好地滿足電動汽車使用性能的要求，但要求制造廠家具備綜合、全面的研制能力，且汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于降低傳動系統(tǒng)的成本，維修工藝復(fù)雜。

2 動力傳動系統(tǒng)布置

電動汽車在進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)布置時(shí)，根據(jù)電氣系統(tǒng)和機(jī)械傳動系統(tǒng)的不同組合，動力傳動系統(tǒng)的布置形式主要有以下幾種[3]。

2.1 機(jī)械驅(qū)動布置形式

機(jī)械驅(qū)動布置形式與傳統(tǒng)汽車的布置形式基本相同，通常是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上改裝而成的，根據(jù)電動汽車有無離合器，可分為2 種形式，如圖2所示。圖2a為帶有離合器的機(jī)械驅(qū)動布置形式，該形式的純電動汽車的變速器通常有2～3 個(gè)擋位，其在變速器換擋過程中，可以起到中斷動力，降低換擋沖擊的作用。圖2b中電動機(jī)直接通過傳動軸與固定速比的減速器相連，該種布置形式減少了傳動系的質(zhì)量，可以進(jìn)一步減少傳動裝置的體積。

2.2 機(jī)電集成驅(qū)動布置形式

機(jī)電集成驅(qū)動布置形式把電動機(jī)、固定速比的減速器和差速器集成為一個(gè)整體，通過2 個(gè)半軸來驅(qū)動車輪，如圖3所示，此種布置形式的整個(gè)傳動長度比較短，傳動裝置體積小，占用空間小，容易布置，可以進(jìn)一步降低整車的質(zhì)量。

2.3 機(jī)電一體化驅(qū)動布置形式

機(jī)電一體化布置形式，如圖4所示，該布置形式最大的特點(diǎn)是取消了機(jī)械式差速器，采用2 個(gè)電機(jī)，通過固定的減速器，分別驅(qū)動2 個(gè)車輪，每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)控制，通過電子差速器來解決左右半軸的差速問題。此種布置形式使得電動汽車更加靈活，在復(fù)雜的路況上可以獲得更好的整車動力性能。由于采用電子差速器，傳動系體積進(jìn)一步減小，節(jié)省了空間，質(zhì)量也進(jìn)一步減輕，提高了傳動效率。但是，由于增加了電動機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器，增加了成本，且在不同條件下，對2 個(gè)電動機(jī)進(jìn)行精確控制的可靠性，也需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.4 電動橋的驅(qū)動布置形式

電動橋驅(qū)動系統(tǒng)布置形式有2 種常見的結(jié)構(gòu)，其中一種，如圖3所示，另一種是將兩部分驅(qū)動電機(jī)安裝在驅(qū)動橋內(nèi)，并在輸出齒輪之間安裝差速器。這種安裝差速器的傳動方案和傳統(tǒng)汽車的傳動方案工作原理一樣，汽車直線行駛時(shí)，差速器不工作，汽車轉(zhuǎn)彎是通過差速器控制左右輪的轉(zhuǎn)速。在驅(qū)動電機(jī)輸出功率相同的情況下，雙電機(jī)的外形尺寸比單電機(jī)小得多。這種電動橋結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)電集成度和傳動效率高，整車的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單。由于汽車行駛工況復(fù)雜多變，驅(qū)動電機(jī)要求較寬的轉(zhuǎn)矩變化范圍，這就要求較好的控制和較高的加工技術(shù)，電動橋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就變得復(fù)雜，成本也隨之增加。同時(shí)這種高度集成的傳動布置形式維修不方便，一般要采用整體拆裝來維修更換。

2.5 輪轂電動機(jī)驅(qū)動布置形式

輪轂電動機(jī)驅(qū)動布置形式，如圖5所示。

此種布置形式將驅(qū)動電機(jī)直接安裝在車輪上，進(jìn)一步縮短了電機(jī)和車輪之間的機(jī)械傳動裝置。根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍不同，該布置形式又可以分為2 種情況：若采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，此種電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min 左右，應(yīng)在電機(jī)和車輪之間，采用固定速比的減速裝置來降低車速，一般采用高減速比的行星齒輪減速裝置，使其安裝在電動機(jī)輸出軸和車輪邊緣之間，如圖5a所示；若采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，則就可以去掉減速裝置，外轉(zhuǎn)子直接安裝在車輪邊緣上，如圖5b所示。由于這2 種電機(jī)一般采用永磁無刷電動機(jī)，具有很高的功率密度，比其它電動機(jī)性能更好[4]。

電動汽車動力傳動系統(tǒng)的布置形式，主要有以上5 種布置形式，而每種布置形式都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。綜上所述，1）2 種電機(jī)驅(qū)動布置形式雖然都占用很小的空間，能夠減少整車的質(zhì)量，但是由于增加了設(shè)備，使整車的成本也有所提高；2）電動橋的驅(qū)動布置形式和輪轂電動機(jī)驅(qū)動布置形式，雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、驅(qū)動控制靈活，但卻都需要很高的加工技術(shù)和維修成本；3）傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動布置形式，由于可以在現(xiàn)有底盤上直接用電動機(jī)替換發(fā)動機(jī)，具有設(shè)計(jì)周期短、改動小及造價(jià)低的特點(diǎn)，更適合現(xiàn)在純電動汽車的驅(qū)動布置形式的需求。

3 結(jié)論

相比綜上幾種形式，機(jī)械驅(qū)動布置形式更適合轉(zhuǎn)速高、輸出轉(zhuǎn)矩小、控制技術(shù)簡單的驅(qū)動電機(jī)，并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下就可以批量生產(chǎn)。雖然這種傳動系統(tǒng)無法滿足電動汽車的使用性能要求，但是只需合理地設(shè)計(jì)電動汽車傳動參數(shù)，便能有效地滿足整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)殡妱悠嚱?jīng)常行駛在城市較好的路面上，且車流密度較大，車速經(jīng)常在40～60 km/h，故采用兩擋變速比的傳動系是可行的。