電動汽車主要驅(qū)動方式對比

電動汽車作為一種工業(yè)產(chǎn)品，以電池為主要能量源，動力源全部或部分由電動機提供，涉及機械、電力電子、通信、嵌入式控制等多個學科領(lǐng)域。電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，能量源、驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了極大的改變。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置的不同，電動汽車可分為兩種：單電機集中驅(qū)動型式電動汽車(簡稱集中驅(qū)動式電動汽車)和多電機分布驅(qū)動型式電動汽車(簡稱分布式驅(qū)動電動汽車)。

1、傳統(tǒng)集中式驅(qū)動結(jié)構(gòu)類型

集中驅(qū)動式電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動結(jié)構(gòu)布置方式相似，用電動機及相關(guān)部件替換內(nèi)燃機，通過變速器、減速器等機械傳動裝置，將電動機輸出力矩，傳遞到左右車輪驅(qū)動汽車行駛。集中驅(qū)動式電動汽車操作實現(xiàn)技術(shù)成熟、安全可靠，但存在體積較重，效率相對不高等不足。隨著技術(shù)研究的深入，純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)也逐漸由單一動力源的集中式驅(qū)動系統(tǒng)向多動力源的分布式驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展。圖1.1為電動汽車不同驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1.1(a)為單電動機集中驅(qū)動型式，由電動機、減速器和差速器等構(gòu)成，由于沒有離合器和變速器，可以減少傳動裝置的體積及質(zhì)量。圖1.1(b)也為單集中驅(qū)動型式，與發(fā)動機橫向前置前驅(qū)的內(nèi)燃機汽車結(jié)構(gòu)布置方式相似，將電動機、減速器和差速器集成一體，通過左右半軸分別驅(qū)動兩側(cè)車輪，該布置型式結(jié)構(gòu)緊湊，多用于小型電動汽車上。圖1.1(c)為雙電機分布驅(qū)動型式，兩個驅(qū)動電機通過減速器分別驅(qū)動左右兩側(cè)車輪，可通過電子差速控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向行駛，以取代機械差速器，該驅(qū)動方式為目前研究的熱點。圖1.1(d)為輪轂電機分布式驅(qū)動型式，電動機和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，省去傳動軸和差速器，從而使傳動系統(tǒng)得到簡化。該驅(qū)動方式對驅(qū)動電機的要求較高，同時控制算法也比較復雜。

2、分布式驅(qū)動電動汽車結(jié)構(gòu)類型

分布式驅(qū)動電動汽車按照動力系統(tǒng)的組織構(gòu)型不同可分為兩種：電機與減速器組合驅(qū)動型式，輪邊電機或輪轂電機驅(qū)動型式。

(1)電機與減速器組合驅(qū)動型式

在該驅(qū)動型式中，電機與固定速比減速器連接，通過半軸實現(xiàn)對應側(cè)車輪的驅(qū)動，由于電機和減速箱布置在車架上，因此在現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，稍加改動，該驅(qū)動型式即可推廣應用。圖2.1中的兩種電動汽車均采用該驅(qū)動型式。其中，圖2.1(a)為北京理工大學研發(fā)的具有防滑差速功能的雙電機分布式驅(qū)動車輛結(jié)構(gòu)示意圖;圖2.1(b)為美國特斯拉公司推出的Tesla Model S型電動汽車及結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.1(c)德國的奧迪R8e-tron純電動跑車，采用四臺異步電動機分布式驅(qū)動，百公里加速僅4.8s。

(2)輪邊或輪轂電機驅(qū)動型式

輪邊電機驅(qū)動型式是將驅(qū)動電機安放于副車架上，驅(qū)動輪從其對應側(cè)輸出軸獲取驅(qū)動力。輪轂電機驅(qū)動型式是將電機和減速機構(gòu)直接放在輪輞中，取消了半軸、萬向節(jié)、差速器、變速器等傳動部件。輪邊電機驅(qū)動型式或輪轂電機驅(qū)動型式均具有結(jié)構(gòu)緊湊、車身內(nèi)部空間利用率高、整車重心低、行駛穩(wěn)定性好等優(yōu)點。圖2.2(a)為一體化輪邊驅(qū)動系統(tǒng)，由悉尼科技大學與澳大利亞國立科學機構(gòu)CSIRO共同開發(fā)完成，并在三輪太陽能電動車Aurora中得到實際應用，該車通過電機本體和車輪輪輞的一體化設(shè)計，最高車速可達72km/h。圖2.2(b)為同濟大學研制出采用輪邊驅(qū)動型式的“春暉二號”純電動車，該電動車的四個車輪通過低速永磁直流無刷輪轂電機直接驅(qū)動，并匹配了相應的盤式制動器用于制動。圖2.2(c)為比亞迪公司推出的采用輪邊電機驅(qū)動的純電動大巴。

3、分布式驅(qū)動的優(yōu)點

從以上論述中不難發(fā)現(xiàn)，在分布式驅(qū)動電動汽車中，每個車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可單獨控制，各個驅(qū)動輪之間的運動狀態(tài)相對獨立。分布式驅(qū)動電動汽車與集中式驅(qū)動電動汽車相比，其優(yōu)點可概括總結(jié)如下：

(1)同等總功率需求下，單臺電機功率降低，尺寸和質(zhì)量均減小，使得整車布置的靈活性和車身造型設(shè)計的自由度增大，易于實現(xiàn)同底盤不同造型產(chǎn)品的多樣化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本;

(2)機械傳動系統(tǒng)部分減少或全部取消，可簡化驅(qū)動系統(tǒng)。各驅(qū)動輪力矩的控制方式由硬連接變成軟連接，能滿足無級變速需求及實現(xiàn)電子差速功能;

(3)電機驅(qū)動力矩響應迅速，正反轉(zhuǎn)靈活切換，驅(qū)動力矩瞬時響應快，惡劣工況的適應能力強;

(4)在硬件及軟件控制方面，更容易實現(xiàn)電氣制動、機電復合制動及再生制動，經(jīng)濟性更高，續(xù)駛里程更長;

(5)在行駛穩(wěn)定性方面，通過電機力矩的獨立控制，更容易實現(xiàn)對橫擺力矩、縱向力矩的控制，從而提高整車的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性。

綜上所述，雖然目前集中驅(qū)動型式占電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流，但分布式驅(qū)動型式作為新興的驅(qū)動系統(tǒng)，在動力學控制、整車結(jié)構(gòu)設(shè)計、能量效率及其它性能方面均有很多優(yōu)點，因此研究分布式驅(qū)動電動汽車技術(shù)有助于電動汽車的發(fā)展及推廣。