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分布式電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型分析

本文系同濟智能汽車研究所智能化動力系統(tǒng)研究室原創(chuàng),轉(zhuǎn)發(fā)分享須注明來源。

鼓式制動器、摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2020年8月30日訊 電動汽車整車正向設(shè)計開發(fā)、電動化動力系統(tǒng)集成設(shè)計及“三電”關(guān)鍵零部件的設(shè)計開發(fā)是新能源汽車的核心關(guān)鍵技術(shù)。其中,由輪轂及輪邊電機與懸架、轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)集成布置于驅(qū)動輪內(nèi)或輪邊的分布式電驅(qū)動系統(tǒng),以其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動高效等優(yōu)勢,能夠有效降低車輛能耗;同時,因其驅(qū)動電機動態(tài)響應(yīng)快,動力學(xué)控制性能好,可大幅提高車輛主動安全性能,成為國內(nèi)外研究機構(gòu)和汽車企業(yè)關(guān)注的研發(fā)熱點。

     

分布式驅(qū)動電動汽車典型構(gòu)型概述


分布式驅(qū)動電動車是在兩輪及以上車輛上裝備兩臺或兩臺以上驅(qū)動電機,每個驅(qū)動電機通過一定的傳遞路徑將動力傳遞到各自對應(yīng)的驅(qū)動輪。目前分布式驅(qū)動電動汽車組成、底盤驅(qū)動構(gòu)型及其典型結(jié)構(gòu)主要有以下方案,如圖1~3所示。


鼓式制動器,摩托車剎車圈,輪轂剎車圈,Drum brake,摩托車制動鐵套

1 分布式驅(qū)動電動車組成


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2 典型分布式驅(qū)動電動汽車底盤驅(qū)動構(gòu)型


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四輪驅(qū)動燃料電池微型車動力平臺(同濟大學(xué))

     

分布式電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型方案詳解及案例


目前分布式電驅(qū)動系統(tǒng)大致可區(qū)分為集中對置驅(qū)動橋、輪轂/輪邊電驅(qū)動系統(tǒng)及動態(tài)吸振式驅(qū)動輪三大類。

集中對置式電驅(qū)動系統(tǒng)

集中對置式電驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與集中電機驅(qū)動構(gòu)型相似,兩個驅(qū)動電機和兩個減速器對置布置于車架,通過控制器獨立驅(qū)動左右輪,典型研發(fā)案例為奧迪R8 e-tron驅(qū)動系統(tǒng)等,如圖4所示。集中對置式電驅(qū)動總成布置于車架,其優(yōu)點是沒有輪轂電機帶來的簧下質(zhì)量增大問題,制造技術(shù)成熟,應(yīng)用安裝方便;缺點是傳動系統(tǒng)仍需萬向傳動半軸,且分布電驅(qū)動總成仍占用一定的底盤空間


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4 集中對置電驅(qū)動橋


輪轂/輪邊電驅(qū)動系統(tǒng)

輪轂/輪邊電驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機直接或經(jīng)由減速機構(gòu)驅(qū)動車輪,在結(jié)構(gòu)上簡化或省略了傳統(tǒng)的萬向傳動軸等部件,降低了車載自重,提高了底盤利用率和傳動效率,以及對車輪控制的動態(tài)響應(yīng),是電動汽車的理想驅(qū)動形式典型構(gòu)型如圖5所示。其中,目前輪轂電機驅(qū)動的主要缺點是簧下質(zhì)量顯著增加,輪轂電機系統(tǒng)設(shè)計制造難度大。如何有效抑制輪轂電機簧下質(zhì)量負效應(yīng),如何解決高效高可靠輕量化輪轂電機系統(tǒng)設(shè)計制造難題,如何降低輪轂電機系統(tǒng)成本,成為其核心關(guān)鍵問題。

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5  典型的輪轂/輪邊電驅(qū)動構(gòu)型


A. 輪轂電機直接驅(qū)動構(gòu)型


輪轂電機直接驅(qū)動構(gòu)型多采用外傳子電機,面向電動乘用車的輪轂電機最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min左右,無需任何減速裝置,電機外轉(zhuǎn)子與車輪輪輞固定或者集成在一起,車輪轉(zhuǎn)速與電機相同,其特點是低速大轉(zhuǎn)矩輸出;在結(jié)構(gòu)上需要考慮與制動、懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計;由于其載荷特點完全不同于傳統(tǒng)車用驅(qū)動電機,因此在測試評價上需要開發(fā)設(shè)計不同于一般車用電機的加載試驗方法。目前,高功率/轉(zhuǎn)矩密度、高效率、高可靠的輪轂直驅(qū)電動輪總成成為全球研發(fā)焦點和競爭熱點。特別是針對AA0級電動乘用車的輪轂電機研發(fā),由于其輪輞內(nèi)空間十分狹小,導(dǎo)致輪轂電機電磁、結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計都趨于極限,且電機載荷矢量、摩擦制動熱源、周邊流場復(fù)雜多變,電動輪簧下質(zhì)量劇增引發(fā)的振動沖擊負效應(yīng)凸現(xiàn),因此,高性能電動輪總成開發(fā)與應(yīng)用面臨重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。


6所示為國內(nèi)外典型的輪轂電機產(chǎn)品研發(fā)案例。其中,Protean采取外轉(zhuǎn)子輪轂電機-驅(qū)動器-內(nèi)卡鉗盤式制動器一體化結(jié)構(gòu);Elaphe是外轉(zhuǎn)子輪轂電機與鼓式制動器的集成; 舍弗勒進行了水冷內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機-驅(qū)動器與鼓式制動器的集成開發(fā)??梢?,輪轂直驅(qū)電動輪集成設(shè)計的技術(shù)發(fā)展趨勢是驅(qū)/制動一體化集成設(shè)計。

6  輪轂直驅(qū)電動輪構(gòu)型研究案例


B. 輪轂電機-減速驅(qū)動構(gòu)型


7所示為輪轂電機-減速驅(qū)動構(gòu)型多選用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機,減速機構(gòu)置于電機和車輪之間,機構(gòu)類型包括行星傳動、擺線針輪和定軸傳動齒輪等,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、三菱公司開發(fā)的ColtEV、豐田公司開發(fā)的FINE—T等電動汽車均采用行星傳動作為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機減速機構(gòu);NTN公司研制了擺線針輪式輪轂減速機構(gòu);舍弗勒研發(fā)了適用于A0級轎車的行星減速輪轂電機。


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7  輪轂電機-減速驅(qū)動構(gòu)型研究案例


C. 輪邊電機-減速驅(qū)動構(gòu)型


根據(jù)輪邊電機位置可分為電機固定式和電機擺動式,前者將輪邊電機和輪邊減速器固定于車架,后者將輪邊電機和輪邊減速器與懸架集成。典型研究案例如圖8所示,其主要特點是電驅(qū)動系統(tǒng)的等效簧下質(zhì)量輕,可有效抑制系統(tǒng)簧下質(zhì)量負效應(yīng),如圖9所示。

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8  輪邊電機-減速驅(qū)動構(gòu)型研究案例

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9 一體化單擺臂懸架-輪轂減速的簧下質(zhì)量影響分析


動態(tài)吸振式輪轂/輪邊驅(qū)動系統(tǒng)

動態(tài)吸振式輪轂/輪邊驅(qū)動構(gòu)型利用電驅(qū)動系統(tǒng)自重吸振原理,抑制輪轂/輪邊驅(qū)動系統(tǒng)非簧載質(zhì)量增大對驅(qū)動輪接地性和車身平順性的不利影響,典型構(gòu)型研究案例如圖10所示。

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10  動態(tài)吸振式輪轂/輪邊電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型研究案例

     

不同類型分布式電驅(qū)動總成技術(shù)與成本對比

 

如下表1所示,從六個方面對比分析了不同類型分布式電驅(qū)動總成技術(shù)與成本。

1 不同類型分布式電驅(qū)動總成技術(shù)與成本

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目前,全球在輪轂/輪邊電驅(qū)動底盤系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)競爭非常激烈,專利和技術(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)動等公司以及同濟大學(xué)、上海大學(xué)等高校都擁有輪轂/輪邊電機及相關(guān)總成的專利技術(shù);另一方面,有關(guān)輪轂/輪邊電驅(qū)動底盤系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用和概念樣機報道很多,但相關(guān)正向設(shè)計開發(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)實意義。

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