分布式驱动技术的构型方案及布置

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为了响应“绿色环保、低碳节能”的号召，近年来中国、美国、欧洲、日本等国家都纷纷提出了自己的电动汽车发展战略，集成化、轻量化、模块化、高功率密度、高可靠性成为了电动汽车驱动系统技术研究的方向。

目前，商用电动汽车驱动系统构型主要以集中式为主，电机取代了原来发动机的位置，系统构型简单、易于实现，但动力从电机流向车轮，需要经过减速器、差速器、传动轴等传动机构，传递功率有一定的损失，传递效率相对较低，同时整个系统集成化、模块化、轻量化的程度都比较低。受益于电气部件布置的灵活性，分布式驱动成为了电驱动系统研究的热点，其由两个或多个驱动电机独立驱动各自的车轮，取消了差速机构，缩短了传动链长度，同时降低了对单个电机的功率和转矩需求，更有利于系统的集成化、轻量化和模块化设计。

分布式驱动系统主要结构特征是将驱动电机直接安装在车轮内或者车轮附近，根据车轮、电机和减速器/变速器的相对位置分成了三种布置方案：中央双电机构型、轮边电机构型和轮毂电机构型。

一、中央双电机构型

中央双电机构型的结构特点与集中式电机驱动构型相似，两个驱动电机和两个减速器对置布置于车架上，通过较长的半轴与车轮相连，独立驱动两侧车轮。其簧下质量小，制造技术成熟，应用安装方便，但是传动系统仍需万向节和传动半轴，且占用一定的底盘空间，造成车内设计空间有限，一般多用于高性能汽车或卡车上。

其典型应用为奥迪R8 e-tron驱动系统，如图1所示，两台永磁同步电机最高转速超过了12500rpm，对应的车速可超过250km/h。电动机驱动壳体内集成了单排行星齿轮作为减速机构，单台电机410Nm的扭矩被传动比6:1的行星齿轮组放大了6倍，而左右车轮独立驱动的巨大优势在于，轮间的转速差、动力分配可以任意调节，通过扭矩的合理分配，便能够对车辆的转向进行辅助，这比传统车辆上的轮间扭矩分配调整范围要大得多，只要控制程序够完善，那么这辆车的运动特性将远远胜过传统动力的后驱车。

图1 Audi R8 e-tron双电机驱动构型

图2 Benz中央双电机构型

图3 Magna改造的后桥双电机驱动的Tesla model s

特斯拉semi电动卡车后桥电机也采用了类似的布置方式，两个电机一前一后都安装到桥壳上，分别驱动左右半轴。整车采用双后桥结构，每套驱动轮适配1组轮边电机以及1套减速器为车辆提供驱动力，如图4所示。

图4 特斯拉semi电动卡车后桥

二、轮边电机构型

轮边电机构型是从集中式到轮毂式构型之间的过渡构型，通常轮边电机与固定速比减速器一起安装在车架上，减速器输出轴直接或通过短半轴与车轮相连来驱动车轮。轮边电机构型优势在于舍弃了传统的主减速器和差速器，不再经由长半轴部件传动，简化了机械传动结构，降低了车载自重。同时，减速器采用斜齿齿轮，相比主减常用的双曲面齿轮，传递效率提高，制动回收能力提高，传动平稳，冲击、振动和噪声较小。

根据轮边电机安装位置可分为电机固定式和电机摆动式，前者将轮边电机和轮边减速器固定于车架，后者将轮边电机和轮边减速器与悬架集成。

图5 ZF AVE130轮边电驱桥

图6 比亚迪轮边电机桥

1、轮边电机固定式构型

轮边电机固定式构型通常为集成式轮边电驱桥的形式，在传统桥的基础上取消了桥壳和半轴，驱动电机安装在车轮旁边，此种结构仍然是整体刚性桥，可以使用钢板弹簧悬挂，也可以使用气囊减震和螺旋弹簧＋减震筒的悬挂。由于取消了桥包、桥壳以及半轴，结构空间和重量得以大幅减轻。其典型代表为ZF公司的AVE130轮边电驱桥，如图5所示，两个驱动电机布置在车桥两侧，通过两级减速实现减速增扭驱动车轮。其中，一级减速采用动力分流行星齿轮机构，驱动齿轮与电机输出轴相连，在最低位置与齿圈和过渡轮啮合；二级减速采用4个行星轮通过行星架输出到轮毂，如图7所示。由于轮毂内的行星齿轮结构可使轮毂设计的更宽，配置双胎后可承受较大轴荷，主要应用于低地板城市客车。

图7 AVE130减速机构

ZF公司也推出了乘用车和轻型商用车上应用的轮边驱动产品——扭力梁式半独立悬架轮边电驱桥，将半独立悬架系统与传动系统集成为一体，左右轮各拥有一套紧凑的驱动系统，将变速器和电机集成在一个单独的铝制外壳中，并和扭力梁集成在一起。其两侧各有一个可达20000 rpm的直流同步电机，经过二级减速装置驱动轮毂，采用水冷的冷却方式，如图8所示。由于电机的位置更靠近扭转梁，降低了簧下质量，操控性和平顺性有所提升。

图8 扭力梁式半独立悬架轮边电驱桥

2、轮边电机摆动式构型

轮边电机摆动式构型摒弃了整体式刚性桥结构，取而代之的是采用独立空气悬架结构，驱动电机和减速机构安装在悬架上，其构型如图9所示，减速机构可采用二级减速器或行星减速器。相比轮边电机固定式构型，取消了刚性桥结构，非簧载质量小，通过对悬架的良好设计可将电机引起的簧下质量传递给车身，悬架系统隔振性能好，操控性和平顺性较好，同时也达到了增大客车车内空间及过道宽度、降低客车地板高度的目的。但是由于多采用双横臂单胎的结构，车桥承载力较小，一般常用于10米及以下的低地板城市客车。

图9 轮边电机摆动式构型

三、轮毂电机构型

轮毂电机就是车轮内装电机技术，也就是将动力、传动装置和制动装置整合在一起放入车轮内部，直接驱动车轮行驶。由于取消了半轴、万向节、差速器、变速器等传动部件，这样会让整个驱动系统结构更加简单，可获得更好的车内空间利用率，同时布局更为灵活，不需要复杂的机械传动系统，因此传动效率也有相应提升。然而轮毂电机并不算什么新技术，从诞生到现在已有一百多年的历史了，早在1900年的巴黎世博会上，保时捷汽车的创始人——费迪南德·保时捷就展示了他所设计的一辆名为System Lohner-Porsche的车辆，这台电动车就搭载了轮毂电机，而且在当时的科技背景下，这台车可以以35km/h的速度行驶50km。现在轮毂电机也还在被广泛应用，只不过并不是应用在汽车上，而是应用在普遍常见的电动自行车上，虽然概念一致，然而电动汽车用的轮毂电机在性能、功能、安全性、可靠性等技术要求上要高得多。

根据电机转子的结构形式，可分为外转子和内转子电机，其中外转子电机是指电机主轴固定，转子和电机外壳一同旋转，而内转子电机是指电机外壳固定，转子和电机主轴一同旋转。这两种形式也决定了轮毂电机的两种构型，其中由于各系统制造商设计方案不同，各种构型中又略有差异。

1、外转子轮毂电机构型

图10 外转子轮毂电机构型

外转子轮毂电机构型将电机外转子安装或集成在车轮轮辋上直接驱动车轮转动，如图10所示。其无需任何减速机构，车轮转速与电机转速相同，面向电动乘用车的轮毂电机最高转速多在1000~1500 rpm左右，因此多采用低速大转矩电机。由于取消机械减速机构，减少了传动链条，也就减少了故障可能，同时减少了不必要的能量损耗，因此外转子轮毂电机构型系统效率较高，但在起步、爬坡或逆风等需要大转矩输出的情况下，电机需要大电流，容易对电池和电机永磁体造成损伤，同时电机效率在峰值区域小，负载电流超过一定值后效率下降很快。由于外转子轮毂电机的结构特性，决定了其体积偏大、占用空间大、重量偏大，但是由于结构相对简单、传动链条少、效率高，已经有部分企业进入量产状态。

图11 Protean轮毂电机分解示意图

外转子轮毂电机技术的代表企业是英国Protean公司，其研发的外转子轮毂电机集成度较高，将电机、电子控制单元、制动系统和冷却系统均集成在了轮毂中，如图11所示。虽然制动盘安装在电机壳体上，但与电机热隔绝，避免因制动盘温度过高引起电机永磁体退磁，此外电机可提供较大的再生制动，向电池储存能量的同时，大大降低了制动器制动扭矩，从而减少了制动盘和电机永磁体温度，试验结果表明，当制动盘温度超过600°，电机永磁体温度不超过80°。为了简化整车生产过程, 发挥最高效率，轮毂电机产品均集成功率电子模块和数字控制功能, 并封装了可兼容的摩擦制动器。Protean公司提供转矩矢量分配、90度转向和数字化控制平台，这些性能可以支持一系列人工智能和云端服务包括自动驾驶电动车上的传感器、数字化防抱死刹车系统、车辆诊断和路况数据采集。Protean公司最新的第四代轮毂电机仅36kg，能够实现1250Nm的峰值扭矩，速度可达225 km/h，各项指标均代表了行业的最高水准，但受限于单胎和悬架结构，承载力较轻，目前只适用于轻型商用车和乘用车领域。

湖北泰特制造的e-Traction轮毂电机将外转子轮毂电机的应用拓展到城市客车、卡车等商用车领域，其采用了与Protean轮毂电机同样的构型，如图12所示，将轮胎、轮毂、永磁同步外转子、定子、逆变器、压盘集成在车轮内，其峰值输出扭矩高达6000~10200Nm，最高转速却只有500rpm（85~97km/h），堪称超低速大扭矩。同时，轮毂电机与刚性桥固定在一起，采用双胎结构，承载能力大大提升，可应用于重型车辆。

图12 e-Traction轮毂电机分解示意图

2、内转子轮毂电机构型

内转子轮毂电机构型根据有无配置减速机构，也分为两类：

第一类构型同外转子轮毂电机构型，没有减速机构，仍采用低速大转矩电机，但电机壳体不转，内转子带动轮辋转动，整个驱动轮的结构紧凑，轴向尺寸小，传递效率高，适应于乘用车领域，如图13所示。

图13 舍弗勒内转子轮毂电机

▲NSK轮毂电机

第二类构型采用了高转速、小转矩电机，具有较高的比功率和效率，而且体积小、质量轻，但需要配备减速器驱动车轮。受车轮内安装空间限制，高速内转子电机配备的减速器一般采用行星齿轮减速机构，包括行星轮、太阳轮和行星架，安装在电机与轮毂之间，如图14所示。

内转子电机最高转速可达10000rpm以上，通过减速增矩后，输出转矩大，爬坡性能好，能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。但是减速机构难以实现充分润滑，会使行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快，使用寿命变短，不易散热，噪声也比较大。对于乘用车的车轮来说，狭小的空间内需要布置电机、减速器、制动系统、冷却系统等等，故内转子轮毂电机减速器的构型较少见于乘用车领域，同时由于技术过于复杂，目前尚未见到量产的产品。

图14 舍弗勒内转子轮毂电机行星排减速器

内转子轮毂电机技术的代表企业是德国舍弗勒，经过十多年轮毂电机的研发应用、产品迭代及样车验证，舍弗勒已经拥有一系列具备量产条件的轮毂驱动产品，其轮毂驱动系统采用模块化设计，集成了包括轮毂轴承、电机、行星减速机构、制动系统和冷却系统等在内的关键零部件，还可以根据客户需求单独搭配电机控制器。整个系统非常紧凑，可以完全放在一个14”的轮辋内，彻底解放了发动机等传统动力总成占有的车身空间。根据具体应用需求，可以选择搭配一级或两级行星齿轮减速。此外，系统还集成了机械制动，可采用鼓式或盘式制动系统。

图15 米其林内转子轮毂电机

轮毂电机结构相对来说较为复杂和占据轮毂空间，重量、体积都成为了其发展的掣肘。虽然可以减轻整车重量，但簧下质量却提高了，这就对整车的操控、舒适性和悬挂的可靠性带来了非常大的影响。为了减少簧下质量的影响，米其林研发了“主动轮”技术的的内转子轮毂电机，集成了嵌入式主动悬架、驱动电机、悬挂电机及盘式制动器，如构型图15所示，通过主动悬架技术提升舒适性和操控性能，但复杂的结构对可靠性和重量控制提出了挑战。

无论是外转子还是内转子轮毂电机都省去了大部分的传统传动部件，实现了更高的传动效率、更佳的操控性能、更灵活的设计、更强的成本优势，因此轮毂电机技术也被公认为是电动汽车驱动系统的“终极方案”。目前，高功率/转矩密度、高效率、高可靠性的轮毂直驱电动轮总成成为全球研发焦点和竞争热点。特别是针对A和A0级电动乘用车的轮毂电机研发，由于其轮辋内空间十分狭小，导致轮毂电机电磁、结构和散热设计都趋于极限，且电机载荷矢量、摩擦制动热源、周边流场复杂多变，电动轮簧下质量剧增引发的振动冲击负效应凸显，因此，高性能轮毂电机的开发与应用面临重大的技术挑战。

四、总结

从以上各种构型的共同点可知，在分布式驱动系统中，每个车轮的驱动转矩可单独控制，各个驱动轮之间的运动状态相对独立。分布式驱动系统与集中式驱动系统相比，其优点可概括总结如下：

（1）同等总功率需求下，单台电机功率降低，尺寸和质量均减小，使得整车布置的灵活性和车身造型设计的自由度增大，易于实现同底盘不同造型产品的多样化，缩短产品开发周期，降低生产成本。

（2）机械传动系统部分减少或全部取消，可简化驱动系统传动链。各驱动轮力矩的控制方式由硬连接变成软连接，能满足无级变速需求及实现电子差速功能。

（3）电机驱动力矩响应迅速，正反转灵活切换，驱动力矩瞬时响应快，恶劣工况的适应能力强。

（4）在硬件及软件控制方面，更容易实现电气制动、机电复合制动及再生制动，经济性更高，续驶里程更长。

（5）在行驶稳定性方面，通过电机力矩的独立控制，更容易实现对横摆力矩、纵向力矩的控制，从而提高整车的操纵稳定性及行驶安全性。

虽然分布式驱动系统作为新兴的驱动系统，在动力学控制、整车结构设计、能量效率及其它性能方面均有很多优点，但仍有一些基础问题和关键技术亟需解决：

（1）难以降低簧下质量。簧下质量指是车轮、轮胎以及相关附带的一些零部件的运动质量。如果簧下质量很重，舒适性就很差，会导致车身的明显晃动。

（2）散热困难。由于集成度高，结构紧凑，散热环境差，容易导致电机过热。而电机过热会导致永磁体退磁，显著降低电机的寿命。

（3）对可靠性的要求很高。因为车辆在行驶中受到沙石、泥水的冲击破坏，甚至有涉水的可能性，对电机的安全防护要求较高。

（4）高效、高安全性整车控制技术。在电机输出能力范围内精确、快速地实现单个车轮驱/制动力矩控制、轴间和轮间转矩分配，实现全轮制动能量回收、驱动防滑、主动转向与直接横摆力矩控制等主动控制策略，有效提升车辆的经济性和安全性。