四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)線控電動(dòng)汽車的技術(shù)淺析

朱小春、羅釗杰、李穎全

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 518055)

面對(duì)能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題，中國(guó)已將電動(dòng)汽車列為重點(diǎn)發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。迫切需要針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的共性和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展深入研究，支撐電動(dòng)汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。近年來(lái)，四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者較早就開(kāi)展了相關(guān)研究，比如日本慶應(yīng)義塾大學(xué)Matsugaura S課題組，推出了交流同步輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)轎車KAZ，最高時(shí)速達(dá)到311 km/h[2]。國(guó)內(nèi)高校近年來(lái)也加大了相關(guān)研究，比如清華大學(xué)和吉林大學(xué)等，對(duì)輪轂電機(jī)、電控及整車性能等方面進(jìn)行了研究[3-4]。

四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)線控電動(dòng)汽車技術(shù)，是無(wú)人駕駛汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的基礎(chǔ)，可顯著改善交通安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排并提高交通效率等，對(duì)促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大戰(zhàn)略意義。

1 四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)介紹

傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車（圖1），是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給變速器，然后利用分動(dòng)器把動(dòng)力分配給前后傳動(dòng)軸，接著通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給前后差速器，最后傳遞給與各個(gè)差速器相連接的半軸，使4個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車的問(wèn)題是，4個(gè)輪的驅(qū)動(dòng)力受與地面摩擦力最小輪的限制，需要設(shè)置差速鎖。

四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖2），是利用4個(gè)獨(dú)立控制的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)汽車的4個(gè)車輪，省掉了離合器、變速器及傳動(dòng)軸等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)效率更高，整車質(zhì)量也得到降低，更便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。另外，由于動(dòng)力傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)減少，傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)及噪聲得到改善，甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)聲行駛。

2 四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 更方便的底盤布置，更靈活的供電系統(tǒng)

省去了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)之后，四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車底盤的布置將更加靈活，使得車內(nèi)空間更大，底盤的設(shè)計(jì)也就具有更大的通用性。同時(shí)，電動(dòng)汽車的電源供電系統(tǒng)也更加靈活，無(wú)論是采用燃料電池、超級(jí)電容或者動(dòng)力電池，甚至是它們的組合形式，都將更加靈活而不受限制，動(dòng)力傳動(dòng)形式也由原來(lái)的機(jī)械硬連接變?yōu)橹恍枰娎|就可進(jìn)行供電的軟連接形式。

2.2 更好的汽車底盤主動(dòng)控制性能

傳統(tǒng)汽車的操縱穩(wěn)定性，主要是通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車身動(dòng)態(tài)特性的調(diào)節(jié)，但發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)電磁閥的控制存在延時(shí)性，控制會(huì)存在一定的滯后。最近，也開(kāi)發(fā)出了新的底盤主動(dòng)控制方法，像超級(jí)全輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)、限滑差速器技術(shù)，但是由于需要增加復(fù)雜機(jī)械和電控系統(tǒng)，使得成本較高，只有在高端轎車中才會(huì)采用。

圖1 傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的電動(dòng)汽車中，汽車的電動(dòng)輪是可以獨(dú)立控制的，汽車底盤的主動(dòng)控制通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)。電機(jī)控制響應(yīng)快、精度高，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由各自的控制器控制，可以在不增加額外裝置的情況下，完成底盤主動(dòng)控制的功能，實(shí)現(xiàn)最理想的控制效果。

2.3 最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力分配

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的差速器一般只能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平均分配，所以不具有驅(qū)動(dòng)力的主動(dòng)分配功能。即使是四驅(qū)系統(tǒng)，其前后軸的動(dòng)力分配也是固定的比例，不能調(diào)節(jié)。因此，驅(qū)動(dòng)力不能按照汽車的實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整。而四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的電動(dòng)汽車，由于驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力是可以單獨(dú)調(diào)節(jié)的，可以通過(guò)分析各輪的轉(zhuǎn)矩效率，選擇最經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)，四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的電動(dòng)汽車，可以通過(guò)電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，提高能量利用效率，節(jié)能環(huán)保。

圖2 四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 線控電動(dòng)汽車研究平臺(tái)介紹

四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)線控電動(dòng)汽車（圖3），每個(gè)車輪都配備輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。該線控電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部件，汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化[5]。

四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)線控電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)，共有5個(gè)電子控制單元，分別是整車控制器、左前輪驅(qū)動(dòng)控制器、右前輪驅(qū)動(dòng)控制器、左后輪驅(qū)動(dòng)控制器和右后輪驅(qū)動(dòng)控制器。這5個(gè)電控單元之間通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的線控。

圖3 四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)線控電動(dòng)汽車的實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)然，四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有其不足之處。第一，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用輪轂電機(jī)，增大了非簧載質(zhì)量，這會(huì)對(duì)整車的操控產(chǎn)生一定的不利影響；第二，雖然電子制動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)能量回收，但是其制動(dòng)能力有限，所以仍需要有液壓制動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有了內(nèi)燃機(jī)，需要附加電動(dòng)真空泵，這也增加了電量的消耗。但是，四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的，也被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)形式。因此，高質(zhì)量的四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品及其控制系統(tǒng)，已經(jīng)是國(guó)際電氣和汽車工程界研究的重要方向。