電動(dòng)汽車相對(duì)傳統(tǒng)汽車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、零排放等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)的帶載性和寬調(diào)速特性，可去掉離合器和變速箱等機(jī)械裝置，使結(jié)構(gòu)簡化，維護(hù)、保養(yǎng)方便［1-2］。在當(dāng)今能源、環(huán)境雙重問題的推動(dòng)下，世界主要汽車生產(chǎn)國都以前所未有的力度發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，科研人員對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)也獲得了絕佳機(jī)遇。因此，電動(dòng)汽車正在開創(chuàng)汽車產(chǎn)業(yè)的新格局，它將成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件，其好壞對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性都有重要影響。但汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)有別于其它工業(yè)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅受汽車結(jié)構(gòu)尺寸的影響，同時(shí)還要滿足復(fù)雜工況下的運(yùn)行條件［3-5］。因此，除了要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、質(zhì)量小、功率密度大、尺寸小、可靠性好及成本低的特點(diǎn)外，還要能夠適用汽車頻繁地啟動(dòng)、停車、爬坡、加減速等工況，這就要求其驅(qū)動(dòng)電機(jī)需具備較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，來滿足汽車低速或爬坡時(shí)高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的性能要求［6］。根據(jù)電動(dòng)汽車上驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置的不同，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式可分為單電機(jī)集中式驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)2種。分布式驅(qū)動(dòng)又可分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)接近，用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上使汽車行駛，在傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)即可，具有操作技術(shù)成熟、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。但其存在底盤結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、車內(nèi)空間狹小、體積較大、傳動(dòng)效率低、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。集中式驅(qū)動(dòng)常見傳動(dòng)方式有 3 種，如圖 1 所 示［7］。圖1a為帶有離合器的傳動(dòng)方式，采用該方式的純電動(dòng)汽車變速器一般設(shè)有2～3個(gè)擋位，換擋中離合器起中斷動(dòng)力、降低換擋沖擊的作用；圖1b的傳動(dòng)方式取消了離合器，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)軸與固定速比減速器相連，使傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量和傳動(dòng)裝置體積減小，利于增加車內(nèi)空間；圖 1c的傳動(dòng)方式則把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器和差速器集成一體，通過左、右半軸分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜用在小型汽車上。
1.2 分布式驅(qū)動(dòng)
分布式驅(qū)動(dòng)是將多個(gè)電機(jī)集成在車輪附近或輪輞內(nèi)，將動(dòng)力傳給相應(yīng)車輪。具有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)即是汽車信息單元，同樣也是快速反應(yīng)的控制執(zhí)行單元，通過獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力學(xué)控制功能。按電動(dòng)機(jī)位置和傳動(dòng)不同可分輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種。 1.2.1 輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在副車架上的驅(qū)動(dòng)輪旁邊，通過或不通過減速器直接驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪，如圖2所示［7-8］。帶減速器的驅(qū)動(dòng)方式是將電機(jī)與固定速比減速器連接，通過半軸實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)，它是從集中式驅(qū)動(dòng)到輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間的過渡形式。圖2 中，2 個(gè)電機(jī)通過對(duì)應(yīng)側(cè)減速器分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)側(cè)車輪，可對(duì)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，采用電子差速器實(shí)現(xiàn)左右半軸差速，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪有更加精準(zhǔn)的掌控力。輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車傳動(dòng)鏈和傳動(dòng)空間進(jìn)一步減小，底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，整車質(zhì)量減小且布置更合理，可使傳動(dòng)效率提高。在2015年日內(nèi)瓦車展亮相的奧迪 R8 e-tron 采用雙永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在寬泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持95%的效率，峰值轉(zhuǎn)矩為920 N·m，0～100 km/h的加速為3.9 s，最高時(shí)速可超過250 km/h。
1.2.2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)
輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為最先進(jìn)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是將2個(gè)、4個(gè)或者多個(gè)電機(jī)安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)車輪，俗稱電動(dòng)輪，特別適合于純電動(dòng)汽車。它的最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動(dòng)汽車的機(jī)械部分大大簡化。 圖3為傳統(tǒng)汽車與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車底盤比較。由圖3可見，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)徹底取消了離合器、變速器、差速器和半軸等傳動(dòng)系統(tǒng)部件，使底盤結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)效率提高，車內(nèi)獲得更多空間，同時(shí)減少了整車質(zhì)量且驅(qū)動(dòng)布置合理，便于實(shí)現(xiàn)底盤智能化和電氣化控制。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)根據(jù)有無減速機(jī)構(gòu)，又可分為直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)（減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪）［9］。直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，無減速結(jié)構(gòu)，也稱外轉(zhuǎn)子式輪轂驅(qū)動(dòng)，如圖4a［7］ 所示。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般在1500 r/min 左 右，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同。其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、成本低、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高。但在起步、爬坡等大負(fù)荷時(shí)需要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和較好的動(dòng)力性，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求較高，一般用低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。減速驅(qū)動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)和車輪之間安裝固定速比減速器，起減速增矩作用，也稱內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂驅(qū)動(dòng)。減速裝置通常采用傳動(dòng)比在10∶1左右的行星齒輪減速裝置，可以保證汽車低速時(shí)獲得足夠大的轉(zhuǎn)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(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式將更具競爭力。為獲得較高的功率密度和適應(yīng)現(xiàn)代高性能電動(dòng)汽車的運(yùn)行要求，所用電動(dòng)機(jī)工作最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000 r/min 以上，對(duì)電動(dòng)機(jī)其它性能沒有特殊要求，通常采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，電機(jī)輸出動(dòng)力減速增扭后驅(qū)動(dòng)輪轂推動(dòng)汽車行駛。電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)具有較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非簧載質(zhì)量增加對(duì)車輛平順性和其操縱穩(wěn)性產(chǎn)生影響。
2 驅(qū)動(dòng)性能與應(yīng)用分析表 1 為電動(dòng)汽車不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式性能比較，它直觀反映了不同驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車傳動(dòng)效率、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等方面的情況。結(jié)合表1和上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可知：集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相似，具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)零部件多、成本高、傳動(dòng)效率低、控制復(fù)雜等相應(yīng)缺點(diǎn)。與集中式驅(qū)動(dòng)相比，輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)鏈短、經(jīng)濟(jì)性好、車身內(nèi)部空間利用率高、制動(dòng)能量回饋損耗小，但傳動(dòng)效率不如輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)高。
輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)完全取消了傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，將電機(jī)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)放在輪輞里，使汽車結(jié)構(gòu)緊湊，重心降低，行駛穩(wěn)定性提高。輪轂電機(jī)與動(dòng)力電池及控制器間采用線束連接，見圖3b。車內(nèi)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(shí)，每個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無硬性機(jī)械連接，可通過計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)按汽車行駛狀態(tài)對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力進(jìn)行快速優(yōu)化、精確任意分配，便于實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，ABS，TCS及ESP 等功能，使得汽車轉(zhuǎn)向靈便、動(dòng)力學(xué)性能可靠、操縱穩(wěn)定性好。此外，輪轂驅(qū)動(dòng)還可實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)及制動(dòng)能量回饋，能源消耗低、制動(dòng)能量回收高，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到 90%［10］。
雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車性能優(yōu)點(diǎn)突出，但由于輪轂電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)甚至懸架系統(tǒng)同時(shí)集中在車輪上，導(dǎo)致汽車非簧載質(zhì)量和車輪旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量顯著增大，從而增加汽車垂直方向的振動(dòng)幅度，甚至影響輪胎的附著性，不利于汽車的控制，還會(huì)降低汽車的平順性和舒適性。2008年，米其林推出的主動(dòng)車輪輪轂中設(shè)有2個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)向車輪輸出轉(zhuǎn)矩，另一個(gè)則是用于控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)，從而改善舒適性、操控性和穩(wěn)定性。
輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有其它驅(qū)動(dòng)方式無法比擬的性能優(yōu)點(diǎn)，雖然現(xiàn)在還無成熟的輪轂驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)品應(yīng)用，但輪轂驅(qū)動(dòng)作為一種新的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，是當(dāng)前國內(nèi)外電動(dòng)汽車研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)技術(shù)之一。
現(xiàn)列舉小部分輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的研究，比如：文獻(xiàn)［11］利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制；文獻(xiàn)［12-13］通過特殊電機(jī)設(shè)計(jì)將電機(jī)定子質(zhì)量轉(zhuǎn)化到簧載質(zhì)量中去，使非簧載質(zhì)量下降；文獻(xiàn)［14］通過設(shè)置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機(jī)構(gòu)將輪轂電機(jī)定子質(zhì)量由簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧上質(zhì)量；文獻(xiàn)［15］提出將整個(gè)電機(jī)質(zhì)量作為簧載質(zhì)量的方案，即在直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)系統(tǒng)中直接將電機(jī)質(zhì)量作為吸振器質(zhì)量，不另外增加質(zhì)量塊；文獻(xiàn)［16］開發(fā)了一種適用于輪轂電機(jī)電動(dòng)車的專用懸架和轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。綜上可見，科研人員正在針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的不足進(jìn)行多方面的改進(jìn)、研發(fā)，包括高轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)的開發(fā)、智能化底盤的集成與控制、輕量化車身技術(shù)。相信非簧質(zhì)量對(duì)汽車性能的影響等關(guān)鍵技術(shù)，會(huì)逐步解決輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，從而使其成為電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)方式。
通過電動(dòng)汽車不同驅(qū)動(dòng)方式性能分析，發(fā)現(xiàn)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)最緊湊、車身內(nèi)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(hù)成本、安全性、大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)等方面都有其它驅(qū)動(dòng)方式所不具備的優(yōu)勢，符合當(dāng)今電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)雖然還有一定的不足之處，技術(shù)尚未成熟，但不能阻擋其成為未來電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式的首選時(shí)代需求。［1］ 柴海波，鄢治國，況明偉，等. 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 微特電機(jī)，2013，41（4）：52-57. ［2］ 周逢軍.基于雙層架構(gòu)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車綜合控制策略研究［D］. 北京：北京理工大學(xué)，2014. ［3］ 劉金峰，張學(xué)義，扈建龍.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展展望［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（10）：35-38. ［4］ Santiago J，Bernhoff H，Ekergrrd B，et al. Electrical MotorDrivelines in Commercial All- electric Vehicles：A Review［J］. IEEE Trans. Veh. Technol.，2012，61（2）：475-484. ［5］ 劉剛. 電傳動(dòng)車輛開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2015. ［6］ 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo). 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010. ［7］ 徐威，張若平. 電動(dòng)汽車傳動(dòng)方案的選擇［J］. 汽車工程師，2014（8）：54-56. ［8］ 劉浩，鐘再敏，敬輝，等. 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車輪邊電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真［J］. 汽車工程，2014，36（5）：597-607. ［9］ 何仁，張瑞軍. 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與進(jìn)展［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2015，29（7）：10-18. ［10］ Hori Y. Future Vehicle Driven by Electricity and Control-re?search on 4 Wheel Motored UOT March Ⅱ［J］. IEEE Transac?tions on Industrial Electronics，2004，51（5）：954-962. ［11］ Nagaya G，Wakao Y，Abe A. Development of an In- wheelDrive with Advanced Dynamic-damper Mechanism［J］. JSAEReview，2003，24（4）：477-481. ［12］ Johansen P R，Pattersib D，O′ keefe C. The Use of an AxialFlux Permanent Magnet In-wheel Direct Drive In an ElectricBicycle［J］. Renewable Energy，2001，22（1）：151-157. ［13］ Yang Y P，Luh Y P，Cheng C H. Design and Control of AxialFlux Brushless DC Wheel Motors for Electric Vehicles—PartⅠ ：Multi- objective Optimal Design and Analysis［J］. IEEETransaction on Magnetics，2004，40（4）：1873-1882. ［14］趙艷娥，張建武，韓旭. 輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（3）：395-398. ［15］羅虹，謝丹，馬英. 動(dòng)力吸振型電動(dòng)輪動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（2）：249-253. ［16］史天澤. 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能匹配［D］. 長春：吉林大學(xué)，2015. ［17］譚迪. 內(nèi)置懸置的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］. 廣州：華南理工大學(xué)，2013. ［18］ Wang R，Chen Y，Feng D，et al. Development and Perfor?mance Characterization of an Electric Ground Vehicle with In?dependently Actuated In-wheel Motors［J］. Journal of PowerSources，2011（8）：3962-3971. ［19］ Yu Chih-Hsien，Tseng Chyuan-Yow，Chang Chih-Ming. Studyon Power Train of Two Axles Four Wheel Drive Electric Vehi?cle［J］. Energy Procedia，2012（14）：1528-1535.
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