電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)與應(yīng)用

高惠民一、發(fā)展分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的背景和意義發(fā)展節(jié)能、環(huán)保、安全的電動(dòng)汽車被認(rèn)為是解決混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車及其他采用電力驅(qū)動(dòng)形照動(dòng)力系統(tǒng)布局形式的不同，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)形式可以動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)兩種。集中式驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念源自于車最常用的驅(qū)動(dòng)形式。由于受到傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)理念的而隨著電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)理念的不斷深化以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，分布式驅(qū)動(dòng)具有機(jī)械環(huán)節(jié)少、傳動(dòng)鏈短、布置靈活的據(jù)分布式電機(jī)布置(輪轂電機(jī)/輪邊電機(jī))形式的全新設(shè)結(jié)構(gòu)的變革營(yíng)造了極大的空間，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車有以下幾個(gè)直接驅(qū)動(dòng)車輪，取消了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車需要的換擋操器、機(jī)械變速器或液力變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋和機(jī)中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車需要的減速器、差速器等冗長(zhǎng)的(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈接，大幅縮短了機(jī)械傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”，還能實(shí)汽車難以達(dá)到的從零到最大速度的無級(jí)變速功能，避傳動(dòng)、液力傳動(dòng)過程中傳遞功率的損失，提高了整車時(shí)也避免了傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此外，由于輪車只有少量的機(jī)械噪聲和電磁噪聲，傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及冷卻水系統(tǒng)、排氣消聲系統(tǒng)、油箱等大量機(jī)械輔助設(shè)備和裝置，減輕了整車裝備質(zhì)量，降低了車輛質(zhì)心高度，增加了整車質(zhì)量分布設(shè)計(jì)的自由度，整車的軸荷分配更趨合理；將驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)都集中在輪轂內(nèi)實(shí)現(xiàn)了緊湊的結(jié)構(gòu)，使車輛底盤結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，增加了整車總體布局和車身造型設(shè)計(jì)的自由度，擴(kuò)大了車內(nèi)乘用空間，有效提高了車身內(nèi)部的空間利用率，有助于實(shí)現(xiàn)底盤架構(gòu)承載功能與車身功能的分離。同時(shí)也能基于相同底盤開發(fā)不同系列化、多樣化的車身造型產(chǎn)品，縮短新車型的開發(fā)周期，饋，在車輛制動(dòng)過程中電機(jī)以發(fā)電方式工作，能將汽車勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)到電池中，也能實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪的電機(jī)電復(fù)合制動(dòng)，在保證車輛制動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)有效地回量，顯著提高了能源利用率和延長(zhǎng)了車輛的行布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，可以根據(jù)路面條件和電池荷電狀態(tài)(SO速地在前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)等不同驅(qū)動(dòng)形式中進(jìn)行切換，4、分布式電動(dòng)汽車使用輪轂電機(jī)/輪邊電機(jī)技術(shù)，單個(gè)車輪加車輛在惡劣路面的通過性，同時(shí)輪轂電機(jī)/輪邊電機(jī)可以通過電子差速技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)左右車輪的轉(zhuǎn)速不同甚至反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)類似履帶式車輛的差動(dòng)轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，對(duì)于如越野汽車、礦山車、工程車等邊電機(jī)既是執(zhí)行單元，也是信息單元，可以在不增加額外傳感器的情況下通過輪轂電機(jī)自身準(zhǔn)確提供車輪轉(zhuǎn)速等車輛信息，有效地拓展了車輛信息的感知范圍，更易實(shí)現(xiàn)車輛重要狀態(tài)參數(shù)(路面-輪胎力、車輛側(cè)向速度、質(zhì)心側(cè)偏角、路面附著系數(shù)等)的多源信息融合準(zhǔn)確估計(jì)，提高了車輛狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)觀測(cè)精度，為實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)主動(dòng)安全控制提供了必要的車輪的驅(qū)動(dòng)力相比，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車使電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輪，各個(gè)輪轂電機(jī)/輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控；同時(shí)，提高，伴隨著線控技術(shù)(線控驅(qū)動(dòng)、制動(dòng))的使用可實(shí)現(xiàn)各車輪驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的獨(dú)立控制，從而使車輛動(dòng)力學(xué)控制無法比擬的全新高度，車輛動(dòng)力學(xué)控制優(yōu)勢(shì)凸顯(例前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制系統(tǒng)等的集成控制，能改善車輛行駛的主動(dòng)安全穩(wěn)定性。表1為電動(dòng)動(dòng)方式性能比較，它直觀反映了不同驅(qū)動(dòng)方式基于上述優(yōu)點(diǎn)，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車被國(guó)際公認(rèn)為新最終解決方案，已成為各國(guó)汽車領(lǐng)域研究發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一些造車新勢(shì)力研究開發(fā)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，加快建立從整車到關(guān)鍵零部件的完整新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的我國(guó)新能源電動(dòng)汽車行業(yè)擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，從而提升整個(gè)汽車工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)自主品牌新能源電動(dòng)汽車的節(jié)能能源危機(jī)和環(huán)境污染問題逐漸凸顯，汽車動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型已成為汽車的發(fā)展趨勢(shì)。近年來，國(guó)內(nèi)外相繼研究開發(fā)了不少各具特色的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。在21世紀(jì)初，美國(guó)通用的概念車車設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)控制的全新變革。隨后，應(yīng)用分布式驅(qū)威MARVELX等；汽車零部件巨頭紛紛開發(fā)了用于分子的eCorner、米其林的ActiveWheel、采埃孚的e適合采用分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。分布式驅(qū)動(dòng)已成為電動(dòng)大客車制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外大客車企業(yè)紛紛投入研發(fā)：戴姆勒公司搭年德國(guó)漢諾威IAA車展資分布式驅(qū)動(dòng)的比亞迪K9純電動(dòng)客車，如于車輛的模塊化設(shè)計(jì)提出了更強(qiáng)烈的需求。舍弗勒基于機(jī)開發(fā)了集成智能轉(zhuǎn)向電驅(qū)模塊，并應(yīng)用于未來交通具有非常高的適應(yīng)性，可靈活匹配不同的車身，從而二、分布式電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)定義及系統(tǒng)構(gòu)成式”驅(qū)動(dòng)而言，指對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源大于1的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分配。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車根據(jù)電機(jī)布置位置主要可分動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用輪邊電機(jī)方案實(shí)用性更強(qiáng)。輪是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在輪邊，通過電機(jī)軸和減速裝置將電連。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)是直接將電機(jī)嵌入輪轂內(nèi)，電機(jī)可直前進(jìn)。分布式驅(qū)動(dòng)更易于擴(kuò)展成為多軸或多輪獨(dú)立電驅(qū)主要依靠電機(jī)及其控制系統(tǒng)完成車輪驅(qū)動(dòng)功能，并由電壓制動(dòng)系統(tǒng)完成制動(dòng)功能。電機(jī)及其控制系統(tǒng)可通過測(cè)機(jī)內(nèi)部的電壓和電流等物理量對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行的實(shí)時(shí)估計(jì)，這就為車輛動(dòng)力學(xué)控制提供了更為優(yōu)質(zhì)的輸出反饋，使先進(jìn)的控制理論和控制方法能夠在車輛動(dòng)中加以應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)的精確控制。圖9所示輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將傳統(tǒng)燃油汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的剛性電氣，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由整車控制器、電機(jī)輪邊電機(jī)和車輪之間安裝減速機(jī)構(gòu)，起到降低轉(zhuǎn)速、增加作用。通常采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機(jī)，該電機(jī)可在高速區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，通過減速裝置滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。圖10所示為典型結(jié)構(gòu)示意圖。輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了主減速器和差速器機(jī)置于輪邊單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪。在汽車運(yùn)行過程中，整車控制機(jī)轉(zhuǎn)矩指令分別發(fā)送至左右輪邊電機(jī)控制器，從而控制輪根據(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。電機(jī)和輪邊減速器固定于車架，輪邊電機(jī)固定式構(gòu)型通常為集成式輪邊電驅(qū)橋的形式，如圖11所示。后者將輪邊電機(jī)和輪邊減速器與懸架集成，如圖12所示。它們的主要特點(diǎn)是電驅(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)輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一種特殊結(jié)構(gòu)。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)置布置于車架上，通過控制器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左、右輪，典型總成布置于車架，其優(yōu)點(diǎn)是沒有輪轂電機(jī)帶來的簧下質(zhì)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)仍一級(jí)減速采用動(dòng)力分流行星齒輪機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)齒輪與電機(jī)連，在最低位置與齒圈和過渡嚙合；二級(jí)減速采用四個(gè)過行星架輸出到輪轂。由于輪轂內(nèi)的行星輪結(jié)構(gòu)可使輪動(dòng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是簧下質(zhì)量顯著增加。如何有效抑制輪轂電機(jī)簧下質(zhì)量負(fù)效應(yīng)，解決輪轂電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輕量化，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)輪是直接將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在汽車的車輪里。主要有一種是內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子直接安裝在車常要求電機(jī)為低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，乘用車的輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，輸出特性需滿足不同工況特別是針對(duì)A級(jí)和A0級(jí)電動(dòng)乘