電動汽車電機驅動發(fā)展分析

孫悅超，李曼，廖聰，陳敬淵

（嶺南師范學院 機電工程學院，廣東 湛江 524048）

電動汽車電機驅動發(fā)展分析

孫悅超，李曼，廖聰，陳敬淵

（嶺南師范學院 機電工程學院，廣東 湛江 524048）

通過對集中式驅動、分布式驅動的電動汽車性能特點進行比較分析，發(fā)現(xiàn)電動汽車采用分布式驅動中的輪轂電機驅動方式具有結構緊湊、車身內部空間利用率高、整車重心低、行駛穩(wěn)定性好、便于智能控制等諸多優(yōu)點，符合目前及今后電動汽車驅動性能的發(fā)展要求，它將是未來電動汽車驅動的終端方式。

電動汽車；驅動方式；輪轂電機；發(fā)展分析

電動汽車相對傳統(tǒng)汽車具有能量轉換效率高、噪聲小、零排放等優(yōu)點，同時由于電動機的帶載性和寬調速特性，可去掉離合器和變速箱等機械裝置，使結構簡化，維護、保養(yǎng)方便［1-2］。在當今能源、環(huán)境雙重問題的推動下，世界主要汽車生產國都以前所未有的力度發(fā)展電動汽車產業(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)汽車產業(yè)的新格局，它將成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。

驅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、經濟性、安全性都有重要影響。但汽車驅動電機有別于其它工業(yè)電機，電機驅動系統(tǒng)不僅受汽車結構尺寸的影響，同時還要滿足復雜工況下的運行條件［3-5］。因此，除了要求驅動電機效率高、質量小、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，這就要求其驅動電機需具備較寬的轉速范圍和較高的過載系數，來滿足汽車低速或爬坡時高轉矩、高速低轉矩的性能要求［6］。

1 驅動方式簡介

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

1.1 集中式驅動

集中式驅動與傳統(tǒng)汽車結構接近，用電動機代替內燃機，通過傳動系統(tǒng)將電動機的轉矩傳遞到驅動輪上使汽車行駛，在傳統(tǒng)汽車結構的基礎上，稍加改動即可，具有操作技術成熟、安全可靠的優(yōu)點。但其存在底盤結構相對復雜、車內空間狹小、體積較大、傳動效率低、控制復雜等缺點。

集中式驅動常見傳動方式有3種，如圖1所示［7］。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)質量和傳動裝置體積減小，利于增加車內空間；圖1c的傳動方式則把驅動電機、變速器和差速器集成一體，通過左、右半軸分別驅動對應側車輪，結構緊湊，適宜用在小型汽車上。

圖1 集中式驅動傳動方式Fig.1 Centralized drive transmission

1.2 分布式驅動

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

1.2.1 輪邊電機驅動

輪邊電機驅動是將驅動電機安裝在副車架上的驅動輪旁邊，通過或不通過減速器直接驅動對應側車輪，如圖2所示［7-8］。帶減速器的驅動方式是將電機與固定速比減速器連接，通過半軸實現(xiàn)對應側車輪的驅動，它是從集中式驅動到輪轂電機驅動之間的過渡形式。

圖2 輪邊電機驅動Fig.2 Wheel side motor drive

圖2 中，2個電機通過對應側減速器分別驅動相應側車輪，可對每個電機的轉速進行獨立調節(jié)控制，采用電子差速器實現(xiàn)左右半軸差速，對驅動輪有更加精準的掌控力。

輪邊電機驅動的汽車傳動鏈和傳動空間進一步減小，底盤機械結構更簡單，整車質量減小且布置更合理，可使傳動效率提高。在2015年日內瓦車展亮相的奧迪R8 e-tron采用雙永磁同步電機驅動，在寬泛的轉速范圍內都能保持95%的效率，峰值轉矩為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 輪轂電機驅動

輪轂電機驅動作為最先進的電動汽車驅動技術，是將2個、4個或者多個電機安裝在車輪內部，直接驅動車輪，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，因此將電動汽車的機械部分大大簡化。

圖3為傳統(tǒng)汽車與輪轂電機驅動的電動汽車底盤比較。由圖3可見，輪轂電機驅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，使底盤結構簡單，傳動效率提高，車內獲得更多空間，同時減少了整車質量且驅動布置合理，便于實現(xiàn)底盤智能化和電氣化控制。輪轂電機驅動根據有無減速機構，又可分為直接驅動和減速驅動（減速驅動電動輪）［9］。

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

直接驅動的電機外轉子直接與輪轂機械連接，無減速結構，也稱外轉子式輪轂驅動，如圖4a［7］所示。電機最高轉速一般在1 500 r/min左右，車輪的轉速與電機相同。其優(yōu)點是電機體積小、質量輕、成本低、驅動結構緊湊、傳遞效率高。但在起步、爬坡等大負荷時需要轉矩、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矩和較好的動力性，對電動機的要求較高，一般用低速外轉子永磁同步電機。

減速驅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，也稱內轉子式輪轂驅動。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)，內轉子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉子式將更具競爭力。為獲得較高的功率密度和適應現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求，所用電動機工作最高轉速可達10 000 r/min以上，對電動機其它性能沒有特殊要求，通常采用高速內轉子永磁同步電機，電機輸出動力減速增扭后驅動輪轂推動汽車行駛。電機體積小、質量輕、高轉速運轉比功率高；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)轉矩，但其結構相對復雜，非簧載質量增加對車輛平順性和其操縱穩(wěn)性產生影響。

圖4 輪轂電機驅動布置形式Fig.4 Layout of wheel hub motor drive

2 驅動性能與應用分析

2.1 驅動性能分析

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

表1 電動汽車驅動方式性能比較Tab.1 Performance comparison of electric vehicles′drive modes

輪轂電機驅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，使汽車結構緊湊，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)線控轉向，ABS，TCS及ESP等功能，使得汽車轉向靈便、動力學性能可靠、操縱穩(wěn)定性好。此外，輪轂驅動還可實現(xiàn)電氣制動、機電復合制動及制動能量回饋，能源消耗低、制動能量回收高，能量轉化效率可達到90%［10］。

雖然輪轂電機驅動的汽車性能優(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，導致汽車非簧載質量和車輪旋轉部件的轉動慣量顯著增大，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有2個電動機，其中一個向車輪輸出轉矩，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

輪轂電機驅動具有其它驅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動汽車產品應用，但輪轂驅動作為一種新的先進驅動方式，是當前國內外電動汽車研究的重點、熱點技術之一。

現(xiàn)列舉小部分輪轂電機驅動方面的研究，比如：文獻［11］利用電機質量構造吸振器對非簧載質量引發(fā)的垂向振動負效應進行控制；文獻［12-13］通過特殊電機設計將電機定子質量轉化到簧載質量中去，使非簧載質量下降；文獻［14］通過設置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機構將輪轂電機定子質量由簧下質量轉化為簧上質量；文獻［15］提出將整個電機質量作為簧載質量的方案，即在直接驅動輪轂電機的電動系統(tǒng)中直接將電機質量作為吸振器質量，不另外增加質量塊；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)和機械轉向系統(tǒng)。

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

3 結論

通過電動汽車不同驅動方式性能分析，發(fā)現(xiàn)采用輪轂電機驅動方式的電動汽車結構最緊湊、車身內部空間利用率最高、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、大轉矩驅動等方面都有其它驅動方式所不具備的優(yōu)勢，符合當今電動汽車驅動電機朝著小型化、高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展的要求。輪轂電機直接驅動雖然還有一定的不足之處，技術尚未成熟，但不能阻擋其成為未來電動汽車驅動方式的首選時代需求。

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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

廣東省自然科學基金（S2013010012107）；嶺南師范學院人才基金（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