電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢分析

馬立硯　孫海鵬　王清海

摘要：通過分析電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)主流的三種結(jié)構(gòu)。總結(jié)了這三種電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對其技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。研究表明，電驅(qū)動(dòng)橋四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟得到廣泛應(yīng)用；輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對于電驅(qū)動(dòng)橋四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)和輪邊減速四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有更多的優(yōu)勢，將成為電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)；輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)；技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)今社會(huì)，資源緊缺與環(huán)境惡化的問題日益嚴(yán)重，新能源汽車的開發(fā)作為面對挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，是未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。對四輪驅(qū)動(dòng)汽車而言，為了應(yīng)對日益嚴(yán)苛的汽車排放、油耗法規(guī)提出的越來越高的技術(shù)要求，與傳統(tǒng)的機(jī)械四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用日漸廣泛。

在前輪驅(qū)動(dòng)車輛的基礎(chǔ)上拓展成四輪驅(qū)動(dòng)車輛，根據(jù)驅(qū)動(dòng)后輪所施加驅(qū)動(dòng)扭矩的來源，目前實(shí)現(xiàn)電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)的主流技術(shù)主要有三種，本文主要分析了這三種類型電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢。

1.電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)主流結(jié)構(gòu)分析

電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)總體上可分為三種結(jié)構(gòu)，電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)、輪邊減速驅(qū)動(dòng)技術(shù)和輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1.1電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)

如圖1所示，電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)①利用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)②通過減速器③實(shí)現(xiàn)降速增扭，驅(qū)動(dòng)扭矩將通過差速器分配給左右驅(qū)動(dòng)半軸。此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上，在前輪驅(qū)動(dòng)的汽車上裝設(shè)了一個(gè)電驅(qū)動(dòng)后橋（圖2），即可為汽車提供混合驅(qū)動(dòng)能力和四輪驅(qū)動(dòng)能力。應(yīng)用這種技術(shù)，電池電動(dòng)車輛也可以通過兩個(gè)單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車橋獲得四輪驅(qū)動(dòng)能力。

按照減速器檔位數(shù)叉可分為一檔電驅(qū)動(dòng)橋和兩檔電驅(qū)動(dòng)橋兩大類。兩檔電驅(qū)動(dòng)橋相對于一檔電驅(qū)動(dòng)橋具有如下優(yōu)點(diǎn)：

一、加速和爬坡時(shí)可以利用一檔的大速比提升扭矩，從而提升動(dòng)力；車輛高速行駛時(shí)的最高車速可以利用二檔的小速比得到提高。

二、兩檔電驅(qū)動(dòng)橋可以獲得更低的電機(jī)轉(zhuǎn)速，有利于優(yōu)化電機(jī)NVH性能，整車NVH性能也將得到提升。

三、兩檔電橋相對于一檔電橋的效率有提升，可以提高電效率，節(jié)省電池成本。

四、使用兩檔電橋可以使電機(jī)小型化。

電驅(qū)動(dòng)后橋在雷克薩斯RX400混合動(dòng)力車和豐田Highlander混合動(dòng)力車上已有應(yīng)用，國內(nèi)哈弗、比亞迪等也有應(yīng)用該技術(shù)。圖3為哈弗混動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展示，其中后橋應(yīng)用了電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為60Kw，僅使用后驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)時(shí)為純電動(dòng)兩驅(qū)，前橋傳統(tǒng)動(dòng)力與后驅(qū)動(dòng)橋同時(shí)提供動(dòng)力時(shí)車輛實(shí)現(xiàn)四驅(qū)，即實(shí)現(xiàn)混動(dòng)四驅(qū)模式，系統(tǒng)最大功率可達(dá)170KW。圖4為比亞迪唐，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)位于后驅(qū)動(dòng)橋差速器一側(cè)，通過車身中部電池組件獲取電力驅(qū)動(dòng)后輪。是國內(nèi)自主品牌量產(chǎn)車中首次應(yīng)用該技術(shù)的車型。

1.2輪邊減速驅(qū)動(dòng)技術(shù)

輪邊減速驅(qū)動(dòng)方式如圖5所示，電機(jī)為普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)高轉(zhuǎn)速、低扭矩運(yùn)行。為滿足汽車行駛時(shí)車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速要求，常在電機(jī)和車輪之間增加一套固定傳動(dòng)比的減速裝置，起到減速、增扭的作用，保證電動(dòng)車低速行駛時(shí)能夠獲得足夠大的扭矩。

輪邊減速驅(qū)動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于大型礦用電動(dòng)輪自卸車，1963年美國的兩家公司Unit-Rig和GE（通用電氣）合作研制并批產(chǎn)了M85型77t電動(dòng)輪汽車。1968年，GE公司開發(fā)、研制并成功推出了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，開創(chuàng)了電動(dòng)輪自卸車的新時(shí)代。

國際上電動(dòng)輪自卸車生產(chǎn)國主要集中在美國/日本和德國等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，Komatsu公司的960E型電動(dòng)輪自卸車（圖6）額定載重327t，最大功率2160kW；Liebherr在2010年4月推出T282型自卸車（圖7），額定載重363t。

1.3輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)形式如圖8所示，使用低速的外轉(zhuǎn)子電機(jī)，中間無減速機(jī)構(gòu)，車輪通過安裝在輪輞上的外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輪與電機(jī)1：1的轉(zhuǎn)速。輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)在車輛上的應(yīng)用如圖9所示，應(yīng)用四個(gè)輪轂電機(jī)即可輕松實(shí)現(xiàn)電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)。

對輪轂電機(jī)的應(yīng)用與研究，日本有著世界領(lǐng)先的技術(shù)水平。早在2003年就有多種輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品被推出。例如：普利司通公司推出的動(dòng)力阻尼型車內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)，以及豐田公司推出的FNE-N燃料電池概念車等等。

我國在輪轂電機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域起步較晚，研究成果主要包括同濟(jì)大學(xué)研制的采用四個(gè)低速永磁無刷直流輪轂電機(jī)的“春暉一號”和“春暉二號”電動(dòng)車。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司開發(fā)的7.5 kW電動(dòng)汽車專用的輪轂電機(jī)。哈工大一愛英斯電動(dòng)汽車研究所開發(fā)的采用多態(tài)輪轂電機(jī)的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EV96-I型電動(dòng)汽車等。

2.電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對于傳統(tǒng)機(jī)械四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)一：省去了復(fù)雜的機(jī)械四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括分動(dòng)器、主傳動(dòng)軸等零件。整車質(zhì)量因傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的減少而減輕。傳動(dòng)系的振動(dòng)噪聲問題得到改善。

優(yōu)點(diǎn)二：可以獲得更優(yōu)的駕駛性及更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

優(yōu)點(diǎn)三：可以實(shí)現(xiàn)車輛的“電子主動(dòng)底盤”。汽車采用前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)或四輪驅(qū)動(dòng)可依據(jù)行駛工況由車輛控制器進(jìn)行適時(shí)轉(zhuǎn)換與控制，每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力也可根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能夠真正實(shí)現(xiàn)車輛的“電子主動(dòng)底盤”。

優(yōu)點(diǎn)四：可廣泛應(yīng)用于不同車型，平臺(tái)化戰(zhàn)略有利于實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力和純電動(dòng)。

三種電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)缦卤恚?/p>

3.電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

2016年節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線的發(fā)布，提出了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，也指明了新能源汽車的發(fā)展方向。為了實(shí)現(xiàn)2020年純電動(dòng)乘用車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到300km，2030年達(dá)到500km，且純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最高傳動(dòng)效率大于93%等技術(shù)目標(biāo)，大力發(fā)展輪轂電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)成為未來新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

輪轂電機(jī)技術(shù)適用于多種類型的車輛，可以為全新的或現(xiàn)有的車型改善燃油經(jīng)濟(jì)性、提升扭矩和功率、增加駕駛樂趣。輪轂電機(jī)布置靈活，完美適配純電動(dòng)、混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)車等多種新能源車型。無論是基于前輪驅(qū)動(dòng)還是基于后輪驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)兩驅(qū)車上，無需大規(guī)模改變現(xiàn)有動(dòng)力總成體系，均可通過增加兩個(gè)輪轂電機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力四輪驅(qū)動(dòng)，輪轂電機(jī)和傳統(tǒng)動(dòng)力并聯(lián)使用，這對于混合動(dòng)力車型很有意義。也可以在純電動(dòng)車輛上應(yīng)用輪轂電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)，甚至八輪驅(qū)動(dòng)。

制約輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的主要因素同時(shí)也是輪轂電機(jī)發(fā)展的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，主要集中在控制方面，如電子差速控制技術(shù)等，本文暫不做深入探討。從結(jié)構(gòu)角度來看，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，研制集成度高、體積小、質(zhì)量輕的輪轂電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，高度集成的輪轂電機(jī)系統(tǒng)，集輪轂電機(jī)、逆變器，電機(jī)控制和軟件于一體，無需更換汽車原有的車輪軸承就可輕松完成電機(jī)安裝。目前Protean Drive的輪轂電機(jī)可以提供81kW的功率，800N·m的扭矩，重量僅31Kg，可安裝在直徑為18～24英寸的常規(guī)車輪中。具有良好的再生制動(dòng)性能，在制動(dòng)過程中可回收85%的動(dòng)能。因此車輛行駛里程在同樣的電池容量下可以增加30%以上，續(xù)航里程相同的情況下可以通過降低電池容量減少成本。

輪轂電機(jī)技術(shù)因其能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，以及未來對車輪布置空間越來越嚴(yán)格的要求，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍的增加，這項(xiàng)技術(shù)受到了國內(nèi)外越來越多整車廠商的關(guān)注，相信受需求牽引，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前存在的技術(shù)難題會(huì)早日突破，將成為電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)車輛的最終發(fā)展趨勢。

4.小結(jié)

本文通過對主流電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討了三種電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了幾種技術(shù)發(fā)展趨勢。其中，電驅(qū)動(dòng)橋四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡單，技術(shù)成熟度高，已得到廣泛應(yīng)用。其他幾種電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，無論是從技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還是從技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)都具有眾多優(yōu)勢。雖然在目前的技術(shù)研究中，還存在很多技術(shù)難點(diǎn)有待攻克，但隨著科技發(fā)展，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)必將成為電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)車輛的最終形式。