電動四輪驅動技術現狀與趨勢分析

馬立硯　孫海鵬　王清海

摘要：通過分析電動四輪驅動技術主流的三種結構。總結了這三種電動四輪驅動技術的優缺點，并對其技術發展趨勢進行了探討。研究表明，電驅動橋四輪驅動技術因其結構簡單、技術成熟得到廣泛應用；輪轂電機四輪驅動技術相對于電驅動橋四輪驅動技術和輪邊減速四輪驅動技術具有更多的優勢，將成為電動四輪驅動技術未來的發展方向。

關鍵詞：電動四輪驅動；輪轂電機驅動；技術發展趨勢

當今社會，資源緊缺與環境惡化的問題日益嚴重，新能源汽車的開發作為面對挑戰、實現可持續發展的重要途徑，是未來汽車產業的發展方向。對四輪驅動汽車而言，為了應對日益嚴苛的汽車排放、油耗法規提出的越來越高的技術要求，與傳統的機械四輪驅動系統相比，電動四輪驅動系統的開發應用日漸廣泛。

在前輪驅動車輛的基礎上拓展成四輪驅動車輛，根據驅動后輪所施加驅動扭矩的來源，目前實現電動四輪驅動的主流技術主要有三種，本文主要分析了這三種類型電動四輪驅動技術的結構特征、優缺點和技術發展趨勢。

1.電動四輪驅動技術主流結構分析

電動四輪驅動技術總體上可分為三種結構，電驅動橋技術、輪邊減速驅動技術和輪轂電機直接驅動技術。

1.1電驅動橋技術

如圖1所示，電驅動橋技術①利用一個驅動電機②通過減速器③實現降速增扭，驅動扭矩將通過差速器分配給左右驅動半軸。此技術已經應用在混合動力汽車上，在前輪驅動的汽車上裝設了一個電驅動后橋（圖2），即可為汽車提供混合驅動能力和四輪驅動能力。應用這種技術，電池電動車輛也可以通過兩個單獨的電動機分別驅動兩個車橋獲得四輪驅動能力。

按照減速器檔位數叉可分為一檔電驅動橋和兩檔電驅動橋兩大類。兩檔電驅動橋相對于一檔電驅動橋具有如下優點：

一、加速和爬坡時可以利用一檔的大速比提升扭矩，從而提升動力；車輛高速行駛時的最高車速可以利用二檔的小速比得到提高。

二、兩檔電驅動橋可以獲得更低的電機轉速，有利于優化電機NVH性能，整車NVH性能也將得到提升。

三、兩檔電橋相對于一檔電橋的效率有提升，可以提高電效率，節省電池成本。

四、使用兩檔電橋可以使電機小型化。

電驅動后橋在雷克薩斯RX400混合動力車和豐田Highlander混合動力車上已有應用，國內哈弗、比亞迪等也有應用該技術。圖3為哈弗混動四輪驅動系統展示，其中后橋應用了電驅動橋技術，驅動電機功率為60Kw，僅使用后驅動橋驅動時為純電動兩驅，前橋傳統動力與后驅動橋同時提供動力時車輛實現四驅，即實現混動四驅模式，系統最大功率可達170KW。圖4為比亞迪唐，1臺電動機位于后驅動橋差速器一側，通過車身中部電池組件獲取電力驅動后輪。是國內自主品牌量產車中首次應用該技術的車型。

1.2輪邊減速驅動技術

輪邊減速驅動方式如圖5所示，電機為普通的內轉子電機，電機高轉速、低扭矩運行。為滿足汽車行駛時車輪的實際轉速要求，常在電機和車輪之間增加一套固定傳動比的減速裝置，起到減速、增扭的作用，保證電動車低速行駛時能夠獲得足夠大的扭矩。

輪邊減速驅動裝置廣泛應用于大型礦用電動輪自卸車，1963年美國的兩家公司Unit-Rig和GE（通用電氣）合作研制并批產了M85型77t電動輪汽車。1968年，GE公司開發、研制并成功推出了電動輪驅動機構，開創了電動輪自卸車的新時代。

國際上電動輪自卸車生產國主要集中在美國/日本和德國等工業發達的國家，Komatsu公司的960E型電動輪自卸車（圖6）額定載重327t，最大功率2160kW；Liebherr在2010年4月推出T282型自卸車（圖7），額定載重363t。

1.3輪轂電機直接驅動技術

輪轂電機直接驅動形式如圖8所示，使用低速的外轉子電機，中間無減速機構，車輪通過安裝在輪輞上的外轉子驅動電機直接驅動，實現車輪與電機1：1的轉速。輪轂電機直接驅動在車輛上的應用如圖9所示，應用四個輪轂電機即可輕松實現電動四輪驅動。

對輪轂電機的應用與研究，日本有著世界領先的技術水平。早在2003年就有多種輪轂電機驅動產品被推出。例如：普利司通公司推出的動力阻尼型車內裝式電機系統，以及豐田公司推出的FNE-N燃料電池概念車等等。

我國在輪轂電機技術研究領域起步較晚，研究成果主要包括同濟大學研制的采用四個低速永磁無刷直流輪轂電機的“春暉一號”和“春暉二號”電動車。中國科學院北京三環通用電氣公司開發的7.5 kW電動汽車專用的輪轂電機。哈工大一愛英斯電動汽車研究所開發的采用多態輪轂電機的輪轂驅動系統EV96-I型電動汽車等。

2.電動四輪驅動技術的優缺點

電動四輪驅動技術相對于傳統機械四輪驅動技術主要優點如下：

優點一：省去了復雜的機械四輪驅動系統，包括分動器、主傳動軸等零件。整車質量因傳動系統零部件的減少而減輕。傳動系的振動噪聲問題得到改善。

優點二：可以獲得更優的駕駛性及更好的燃油經濟性。

優點三：可以實現車輛的“電子主動底盤”。汽車采用前輪驅動、后輪驅動或四輪驅動可依據行駛工況由車輛控制器進行適時轉換與控制，每個車輪的驅動力也可根據汽車的行駛狀態進行實時控制，能夠真正實現車輛的“電子主動底盤”。

優點四：可廣泛應用于不同車型，平臺化戰略有利于實現混合動力和純電動。

三種電動四輪驅動結構的優缺點匯總如下表：

3.電動四輪驅動技術的發展趨勢

2016年節能與新能源汽車技術路線的發布，提出了新能源汽車行業的發展目標，也指明了新能源汽車的發展方向。為了實現2020年純電動乘用車續駛里程達到300km，2030年達到500km，且純電驅動系統最高傳動效率大于93%等技術目標，大力發展輪轂電機系統技術成為未來新能源汽車發展的關鍵技術。

輪轂電機技術適用于多種類型的車輛，可以為全新的或現有的車型改善燃油經濟性、提升扭矩和功率、增加駕駛樂趣。輪轂電機布置靈活，完美適配純電動、混合動力、插電式混合動力和燃料電池電動車等多種新能源車型。無論是基于前輪驅動還是基于后輪驅動的傳統兩驅車上，無需大規模改變現有動力總成體系，均可通過增加兩個輪轂電機輕松實現混合動力四輪驅動，輪轂電機和傳統動力并聯使用，這對于混合動力車型很有意義。也可以在純電動車輛上應用輪轂電機系統，實現純電動四輪驅動，甚至八輪驅動。

制約輪轂電機四輪驅動技術發展及應用的主要因素同時也是輪轂電機發展的難點和熱點，主要集中在控制方面，如電子差速控制技術等，本文暫不做深入探討。從結構角度來看，機械結構方面的系統集成優化設計也是至關重要的，研制集成度高、體積小、質量輕的輪轂電機系統已經成為國內外行業關注的焦點，高度集成的輪轂電機系統，集輪轂電機、逆變器，電機控制和軟件于一體，無需更換汽車原有的車輪軸承就可輕松完成電機安裝。目前Protean Drive的輪轂電機可以提供81kW的功率，800N·m的扭矩，重量僅31Kg，可安裝在直徑為18～24英寸的常規車輪中。具有良好的再生制動性能，在制動過程中可回收85%的動能。因此車輛行駛里程在同樣的電池容量下可以增加30%以上，續航里程相同的情況下可以通過降低電池容量減少成本。

輪轂電機技術因其能夠獨立驅動的眾多優點，以及未來對車輪布置空間越來越嚴格的要求，隨著電機轉速可調范圍的增加，這項技術受到了國內外越來越多整車廠商的關注，相信受需求牽引，輪轂電機直接驅動技術目前存在的技術難題會早日突破，將成為電動四輪驅動車輛的最終發展趨勢。

4.小結

本文通過對主流電動四輪驅動技術的結構進行分析，探討了三種電動四輪驅動技術的優缺點，并介紹了幾種技術發展趨勢。其中，電驅動橋四輪驅動技術結構較為簡單，技術成熟度高，已得到廣泛應用。其他幾種電動四輪驅動技術，無論是從技術的結構特點，還是從技術的發展趨勢來看，輪轂電機直接驅動技術都具有眾多優勢。雖然在目前的技術研究中，還存在很多技術難點有待攻克，但隨著科技發展，輪轂電機直接驅動技術必將成為電動四輪驅動車輛的最終形式。