本文系同濟(jì)智能汽車(chē)研究所智能化動(dòng)力系統(tǒng)研究室原創(chuàng)，轉(zhuǎn)發(fā)分享須注明來(lái)源。
鼓式制動(dòng)器、摩托車(chē)剎車(chē)圈、輪轂剎車(chē)圈專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫九環(huán)2020年8月30日訊 電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、電動(dòng)化動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及“三電”關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是新能源汽車(chē)的核心關(guān)鍵技術(shù)。其中，由輪轂及輪邊電機(jī)與懸架、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)集成布置于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)或輪邊的分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)高效等優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低車(chē)輛能耗；同時(shí)，因其驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)力學(xué)控制性能好，可大幅提高車(chē)輛主動(dòng)安全性能，成為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的研發(fā)熱點(diǎn)。
分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)典型構(gòu)型概述
分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)是在兩輪及以上車(chē)輛上裝備兩臺(tái)或兩臺(tái)以上驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)一定的傳遞路徑將動(dòng)力傳遞到各自對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪。目前分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)組成、底盤(pán)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型及其典型結(jié)構(gòu)主要有以下方案，如圖1～3所示。
圖1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)組成
圖2 典型分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型
圖3 四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池微型車(chē)動(dòng)力平臺(tái)（同濟(jì)大學(xué)）
分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型方案詳解及案例
目前分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大致可區(qū)分為集中對(duì)置驅(qū)動(dòng)橋、輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)吸振式驅(qū)動(dòng)輪三大類(lèi)。
集中對(duì)置式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
集中對(duì)置式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型相似，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)減速器對(duì)置布置于車(chē)架，通過(guò)控制器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右輪，典型研發(fā)案例為奧迪R8 e-tron驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，如圖4所示。集中對(duì)置式電驅(qū)動(dòng)總成布置于車(chē)架，其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有輪轂電機(jī)帶來(lái)的簧下質(zhì)量增大問(wèn)題，制造技術(shù)成熟，應(yīng)用安裝方便；缺點(diǎn)是傳動(dòng)系統(tǒng)仍需萬(wàn)向傳動(dòng)半軸，且分布電驅(qū)動(dòng)總成仍占用一定的底盤(pán)空間。
圖4 集中對(duì)置電驅(qū)動(dòng)橋
輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接或經(jīng)由減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化或省略了傳統(tǒng)的萬(wàn)向傳動(dòng)軸等部件，降低了車(chē)載自重，提高了底盤(pán)利用率和傳動(dòng)效率，以及對(duì)車(chē)輪控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，是電動(dòng)汽車(chē)的理想驅(qū)動(dòng)形式。典型構(gòu)型如圖5所示。其中，目前輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是簧下質(zhì)量顯著增加，輪轂電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造難度大。如何有效抑制輪轂電機(jī)簧下質(zhì)量負(fù)效應(yīng)，如何解決高效高可靠輕量化輪轂電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造難題，如何降低輪轂電機(jī)系統(tǒng)成本，成為其核心關(guān)鍵問(wèn)題。
圖5 典型的輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)構(gòu)型
A. 輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型
輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型多采用外傳子電機(jī)，面向電動(dòng)乘用車(chē)的輪轂電機(jī)最高轉(zhuǎn)速在1000－1500r/min左右，無(wú)需任何減速裝置，電機(jī)外轉(zhuǎn)子與車(chē)輪輪輞固定或者集成在一起，車(chē)輪轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同，其特點(diǎn)是低速大轉(zhuǎn)矩輸出；在結(jié)構(gòu)上需要考慮與制動(dòng)、懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)；由于其載荷特點(diǎn)完全不同于傳統(tǒng)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此在測(cè)試評(píng)價(jià)上需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)不同于一般車(chē)用電機(jī)的加載試驗(yàn)方法。目前，高功率/轉(zhuǎn)矩密度、高效率、高可靠的輪轂直驅(qū)電動(dòng)輪總成成為全球研發(fā)焦點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。特別是針對(duì)A和A0級(jí)電動(dòng)乘用車(chē)的輪轂電機(jī)研發(fā)，由于其輪輞內(nèi)空間十分狹小，導(dǎo)致輪轂電機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計(jì)都趨于極限，且電機(jī)載荷矢量、摩擦制動(dòng)熱源、周邊流場(chǎng)復(fù)雜多變，電動(dòng)輪簧下質(zhì)量劇增引發(fā)的振動(dòng)沖擊負(fù)效應(yīng)凸現(xiàn)，因此，高性能電動(dòng)輪總成開(kāi)發(fā)與應(yīng)用面臨重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
圖6所示為國(guó)內(nèi)外典型的輪轂電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)案例。其中，Protean采取外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)-驅(qū)動(dòng)器-內(nèi)卡鉗盤(pán)式制動(dòng)器一體化結(jié)構(gòu)；Elaphe是外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)與鼓式制動(dòng)器的集成； 舍弗勒進(jìn)行了水冷內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)-驅(qū)動(dòng)器與鼓式制動(dòng)器的集成開(kāi)發(fā)?？梢?jiàn)，輪轂直驅(qū)電動(dòng)輪集成設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是驅(qū)/制動(dòng)一體化集成設(shè)計(jì)。
圖6 輪轂直驅(qū)電動(dòng)輪構(gòu)型研究案例
B. 輪轂電機(jī)-減速驅(qū)動(dòng)構(gòu)型
圖7所示為輪轂電機(jī)-減速驅(qū)動(dòng)構(gòu)型多選用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)置于電機(jī)和車(chē)輪之間，機(jī)構(gòu)類(lèi)型包括行星傳動(dòng)、擺線針輪和定軸傳動(dòng)齒輪等，如日本慶應(yīng)義塾大學(xué)等研發(fā)的KAZ、東京大學(xué)研制的UOTMarch II、三菱公司開(kāi)發(fā)的ColtEV、豐田公司開(kāi)發(fā)的FINE—T等電動(dòng)汽車(chē)均采用行星傳動(dòng)作為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)減速機(jī)構(gòu)；NTN公司研制了擺線針輪式輪轂減速機(jī)構(gòu)；舍弗勒研發(fā)了適用于A0級(jí)轎車(chē)的行星減速輪轂電機(jī)。
圖7 輪轂電機(jī)-減速驅(qū)動(dòng)構(gòu)型研究案例
C. 輪邊電機(jī)-減速驅(qū)動(dòng)構(gòu)型
根據(jù)輪邊電機(jī)位置可分為電機(jī)固定式和電機(jī)擺動(dòng)式，前者將輪邊電機(jī)和輪邊減速器固定于車(chē)架，后者將輪邊電機(jī)和輪邊減速器與懸架集成。典型研究案例如圖8所示，其主要特點(diǎn)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效簧下質(zhì)量輕，可有效抑制系統(tǒng)簧下質(zhì)量負(fù)效應(yīng)，如圖9所示。
圖8 輪邊電機(jī)-減速驅(qū)動(dòng)構(gòu)型研究案例
圖9 一體化單擺臂懸架-輪轂減速的簧下質(zhì)量影響分析
動(dòng)態(tài)吸振式輪轂/輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)態(tài)吸振式輪轂/輪邊驅(qū)動(dòng)構(gòu)型利用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自重吸振原理，抑制輪轂/輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非簧載質(zhì)量增大對(duì)驅(qū)動(dòng)輪接地性和車(chē)身平順性的不利影響，典型構(gòu)型研究案例如圖10所示。
圖10 動(dòng)態(tài)吸振式輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型研究案例
不同類(lèi)型分布式電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)與成本對(duì)比
如下表1所示，從六個(gè)方面對(duì)比分析了不同類(lèi)型分布式電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)與成本。
表1 不同類(lèi)型分布式電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)與成本
目前，全球在輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，專(zhuān)利和技術(shù)壁壘已經(jīng)顯現(xiàn)。一方面，PROTEAN、Sch?ffler、Michelin、SIEMENS、SIM-Drive、Bridgestone、ZF上海電驅(qū)動(dòng)等公司以及同濟(jì)大學(xué)、上海大學(xué)等高校都擁有輪轂/輪邊電機(jī)及相關(guān)總成的專(zhuān)利技術(shù)；另一方面，有關(guān)輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用和概念樣機(jī)報(bào)道很多，但相關(guān)正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和協(xié)調(diào)控制的核心技術(shù)則高度保密，該方面自主探索仍具有科研及現(xiàn)實(shí)意義。
