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      分布式電驅動系統構型分析

      本文系同濟智能汽車研究所智能化動力系統研究室原創,轉發分享須注明來源。

      鼓式制動器、摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業生產廠家無錫九環2020年8月30日訊 電動汽車整車正向設計開發、電動化動力系統集成設計及“三電”關鍵零部件的設計開發是新能源汽車的核心關鍵技術。其中,由輪轂及輪邊電機與懸架、轉向和制動系統集成布置于驅動輪內或輪邊的分布式電驅動系統,以其結構緊湊、傳動高效等優勢,能夠有效降低車輛能耗;同時,因其驅動電機動態響應快,動力學控制性能好,可大幅提高車輛主動安全性能,成為國內外研究機構和汽車企業關注的研發熱點。

           

      分布式驅動電動汽車典型構型概述


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


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      1 分布式驅動電動車組成


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      2 典型分布式驅動電動汽車底盤驅動構型


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      四輪驅動燃料電池微型車動力平臺(同濟大學)

           

      分布式電驅動系統構型方案詳解及案例


      目前分布式電驅動系統大致可區分為集中對置驅動橋、輪轂/輪邊電驅動系統及動態吸振式驅動輪三大類。

      集中對置式電驅動系統

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


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      4 集中對置電驅動橋


      輪轂/輪邊電驅動系統

      輪轂/輪邊電驅動系統由驅動電機直接或經由減速機構驅動車輪,在結構上簡化或省略了傳統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響應,是電動汽車的理想驅動形式。典型構型如圖5所示。其中,目前輪轂電機驅動的主要缺點是簧下質量顯著增加,輪轂電機系統設計制造難度大。如何有效抑制輪轂電機簧下質量負效應,如何解決高效高可靠輕量化輪轂電機系統設計制造難題,如何降低輪轂電機系統成本,成為其核心關鍵問題。

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      5  典型的輪轂/輪邊電驅動構型


      A. 輪轂電機直接驅動構型


      輪轂電機直接驅動構型多采用外傳子電機,面向電動乘用車的輪轂電機最高轉速在1000-1500r/min左右,無需任何減速裝置,電機外轉子與車輪輪輞固定或者集成在一起,車輪轉速與電機相同,其特點是低速大轉矩輸出;在結構上需要考慮與制動、懸架和轉向系統等結構一體化設計;由于其載荷特點完全不同于傳統車用驅動電機,因此在測試評價上需要開發設計不同于一般車用電機的加載試驗方法。目前,高功率/轉矩密度、高效率、高可靠的輪轂直驅電動輪總成成為全球研發焦點和競爭熱點。特別是針對AA0級電動乘用車的輪轂電機研發,由于其輪輞內空間十分狹小,導致輪轂電機電磁、結構和散熱設計都趨于極限,且電機載荷矢量、摩擦制動熱源、周邊流場復雜多變,電動輪簧下質量劇增引發的振動沖擊負效應凸現,因此,高性能電動輪總成開發與應用面臨重大的技術挑戰。


      6所示為國內外典型的輪轂電機產品研發案例。其中,Protean采取外轉子輪轂電機-驅動器-內卡鉗盤式制動器一體化結構;Elaphe是外轉子輪轂電機與鼓式制動器的集成; 舍弗勒進行了水冷內轉子輪轂電機-驅動器與鼓式制動器的集成開發??梢?,輪轂直驅電動輪集成設計的技術發展趨勢是驅/制動一體化集成設計。

      6  輪轂直驅電動輪構型研究案例


      B. 輪轂電機-減速驅動構型


      7所示為輪轂電機-減速驅動構型多選用高速內轉子電機,減速機構置于電機和車輪之間,機構類型包括行星傳動、擺線針輪和定軸傳動齒輪等,如日本慶應義塾大學等研發的KAZ、東京大學研制的UOTMarch II、三菱公司開發的ColtEV、豐田公司開發的FINE—T等電動汽車均采用行星傳動作為內轉子輪轂電機減速機構;NTN公司研制了擺線針輪式輪轂減速機構;舍弗勒研發了適用于A0級轎車的行星減速輪轂電機。


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      7  輪轂電機-減速驅動構型研究案例


      C. 輪邊電機-減速驅動構型


      根據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,其主要特點是電驅動系統的等效簧下質量輕,可有效抑制系統簧下質量負效應,如圖9所示。

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      8  輪邊電機-減速驅動構型研究案例

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      9 一體化單擺臂懸架-輪轂減速的簧下質量影響分析


      動態吸振式輪轂/輪邊驅動系統

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

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      10  動態吸振式輪轂/輪邊電驅動系統構型研究案例

           

      不同類型分布式電驅動總成技術與成本對比

       

      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動總成技術與成本。

      1 不同類型分布式電驅動總成技術與成本

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      目前,全球在輪轂/輪邊電驅動底盤系統領域的技術競爭非常激烈,專利和技術壁壘已經顯現。一方面,
      PROTEAN、Sch?ffler、Michelin、SIEMENS、SIM-Drive、Bridgestone、ZF上海電驅動等公司以及同濟大學、上海大學等高校都擁有輪轂/輪邊電機及相關總成的專利技術;另一方面,有關輪轂/輪邊電驅動底盤系統產品應用和概念樣機報道很多,但相關正向設計開發和協調控制的核心技術則高度保密,該方面自主探索仍具有科研及現實意義。

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