轮毂式电动汽车驱动系统综述
王晶晶，丁惜瀛，刘德阳，张泽宇
（沈阳工业大学 辽宁 沈阳 110870）
摘 要：纯电动汽车，由于其较低的环境、噪声污染，较高的能效和能源可回馈性，已经成为新型能源产物的代表。纯电动汽车摒弃了传统的燃油发动机，由电动机直接驱动汽车，它既能在汽车低速行驶的情况下生成转矩，也能在高速情况下通过电机的弱磁控制使其在设定的功率下工作。本文将纯电动汽车于传统汽车作对比，总结了电动汽车在各方面的优势与不足，分析了纯电动汽车的驱动特性以及轮毂电机驱动的优势。最后展望了纯电动汽车未来发展所面临的研究重点和难点。
关键词：纯电动汽车；轮毂驱动；能源
1 前言
在经济飞速发展的今天，汽车已经非常贴近人们的日常生活，而且已经成为现代社会的重要因素。但是，虽然汽车能提供给我们方便快捷的出行方式，但它却引起了严重的石油资源匮乏，而且存在石油的产出和消耗失衡问题。随着汽车保有量的不断增加，能源问题将变得越来越严重。由于电动汽车在底盘控制方面具有的巨大优势，人们环保意识的增强和石油价格的提高，电动汽车已逐渐成为汽车新的发展方向[1-2]。
目前，国内外诸多学者以及汽车生产厂商都加大力度研发电机驱动的电动汽车。东京大学的崛洋一(Yoichi Hori)实验室研制了基于传统单电机前驱动的“UOT Electric March”，之后，利用电动机快速生成转矩这一特点，又研制了“UOT Electric March Ⅱ” [3]，该车装备了4个永磁同步电机，实现完全用超级电容来驱动汽车。轮毂驱动式的电动汽车的应用越来越广泛，各大汽车厂商都投入大量资金进行研发，如丰田的FINE-N和PM、日本庆应大学研制的ELIICA、以及 GM 公司研究制的雪佛兰S-10等。在国内，由同济大学汽车学院与上海燃料电池汽车动力系统有限公司承担的国家 863 燃料电池轿车项目组，先后研制了“春晖一号”、“春晖二号”、“春晖三号”电池汽车，将电机驱动、制动、测速、悬架集成于四个相同的独立模块。
2 纯电动汽车的优势与劣势
与传统发动机驱动的汽车相比，电动汽车有以下优势：
（1）环境污染较少：由于电动汽车由电池和超级电容来提供能量，所以就不会产生汽车尾气。但是，大多数用于给纯电动汽车充电的电能仍然要靠燃烧化石燃料来产生，这同样带来了污染，加拿大电动汽车协会（EV AC）的报告指出，用于纯电动汽车充电的电能所产生的碳排放量是燃油汽车的一半。如果利用水力发电或核发电，这种排放量将减少到1%一下。所以，即使是污染最多的发电方式也远好于传统的燃油汽车。
（2）低成本：根据美国能源部的计算，一美元的电力可使纯电动汽车行驶43公里，相比之下，这只能供传统的燃油汽车行驶几公里的路程。
（3）低噪声：汽车的噪声和震动主要来源于引擎和行驶工况。相对于发动机引擎来说，
电动汽车产生更少的震动，没有燃烧环节，只有来自空气压缩机，冷却风扇和传动机械装置的声音。因此，这种噪声要远低于来自汽车引擎发出的噪声。
（4）高能效：现代汽车的发动机效率约为38%，由于频繁的制动、低速行驶和等待信号，最终得到的效率只有12%，电动汽车却不会有这种问题，汽车80%的能量会从发动机转移到汽车的运动中去。
（5）可利用多种能源：由于不受石油资源的限制，电动汽车可以从电网中获得电能。因此，通过任何方式获取的电能都能应用于电动汽车上，例如，水能，核能，热电能，风能和太阳能。
（6）能量回馈：可以将制动能量回馈给汽车。因此可以延长续航里程。近几年开发的电动汽车都装有能量回馈系统，这可以使汽车的续航里程延长10%到15%。
（7）电池的可循环性：几乎所有的纯电动汽车电池都是可循环再利用的。
纯电动汽车的主要劣势在于电池的充电时间问题。随着锂电池技术的发展，充满电的电动汽车的续航里程也会相当可观，但当电量殆尽仍需一段时间来充电而无法使用，电动汽车快速充电问题在未来将得到进一步的发展。
3 纯电动汽车驱动电机的特性
纯电动汽车的发动机要满足各种工况下行驶的需求，如瞬间加速、频繁制动、冰雪路面、爬坡等。除了发动机自身需要有良好的性能外，整车的控制系统以及驱动、制动系统都会影响汽车整体的驱动性能[4-5]。
电动汽车驱动控制系统的基本要求如下：
（1） 纯电动汽车的发动机应具有大的瞬时功率以及较强的过载能力。
（2） 纯电动汽车的发动机要有较高的输出效率以及低能量损耗。高效率、低损耗才能保证电动汽车具有足够的续航里程。
（3）发动机需要具有更大的调速范围。为满足汽车在各种不同工况下的行驶具有足够的动力，电动机需要有宽广的调速范围以满足如爬坡、砂石路面等工况的动力需求。
（4）需要有高压保护装置来保证整车的行驶安全。
（5）发动机多采用铝合金外壳，一方面减轻电动机自身的重量，另一方面也可保证良好的散热。
（6）具有高可靠性。发动机要具有适应各种环境的能力，系统可以在恶劣的环境下更加可靠的工作。
4 纯电动汽车驱动系统的驱动控制
与集中动力驱动方式相比，轮毂电机驱动方式具有很大的优势，对于电动汽车的研发，轮毂电机也得到了广泛的应用。电动轮驱动模式彻底的改变了传统燃油汽车集成驱动模式。电机被安装在车轮上，节省了传动机构的空间。而从汽车的控制角度来看，电动汽车采用轮毂电机控制车轮转矩，与传统汽车相比，由轮毂电机直接驱动，在设定的转矩和功率之间无减速齿轮的调节。控制响应更加快速精确，更能发挥汽车底盘集成控制的优势。
电动轮驱动模式的特点和优势如下：
（1）取消了机械差速装置，让汽车结构更简单，提高传动效率，降低传动噪声。
（2）由于连结电动轮和动力源为结构灵活的线缆，所以大大节省了空间，有利于整车总
布置的优化和整车动力学性能的匹配优化。
（3）应用电动轮驱动后，整车驱动技术也被大大的简化。
（4）此模式采用能量回收系统，在制动时，回收每个车轮的能量，提升了能量的利用率。与集中动力驱动汽车相比，该模式可以回收能多的能量。
（5）由于全轮驱动汽车基于轮毂电机驱动模式，所以，可以轻易的在各种驱动模式之间转化，从而使汽车适合在各种路况下行驶。
目前，三菱公司的纯电动汽车“Lancer Evolut MIEV”采用轮毂四轮驱动方式；日本庆应大学研发的轮毂电机电动汽车“SIM-LEI”的性能和功率都已达到世界最高水平；福特公司正开发eWheelDrive轮毂电机驱动技术。这都表明轮毂电机驱动方式在学术界以及各大汽车生产厂商受到极大的关注。未来在电动汽车开发中，轮毂电机驱动技术将具有广阔的发展前景。
5 总结
纯电动汽车的发展现状及技术特点决定了今后汽车产业的发展方向。与传统汽车相比，纯电动汽车的整车结构、传动效率、动力性能等都有明显优势。但是，纯电动汽车的研发也面临一些难点，比如涉及到续航里程的电池问题和涉及驾驶员安全的各部件绝缘问题等。同时，电动汽车的转向，驱动以及对电机的控制仍是未来研究的重点和难点。
纯电动汽车动力控制响应速度快，整车轻量化、智能化等，这些技术上的发展和创新都势必大大增加汽车的安全性和节能效果，进一步推进汽车产业设计理念的变革。然而，目前电动汽车研制费用太高，生产成本也偏高，纯电动汽车的价格让大多数消费者望而却步，也为纯电动汽车的普及增加了阻碍。从技术角度来看，电动汽车的技术性能有待提高，电池及管理系统有待完善，充电技术有待提高，整车技术也不够完善。随着未来纯电动汽车技术的发展，各方面性能的完善，克服了技术和经济方面的不足，相信由于其带来的环境利益和使用成本低廉，纯电动汽车将会得到快速长远的发展。
参考文献
[1] 丁惜瀛,张洪月,张钦爽,张泽宇.基于鲁棒模型匹配的电动汽车转向稳定性控制[J].大功率变流技术,
2011,6:49-53.
[2] 堀 洋一.すべてのクルマが電気自動車になる日[J].OHM bulletin, 2009, 46 (184):20-23.
[3] Yoichi Hori, Future Vehicle Driven by Electricity and Control -Research on Four-Wheel-Motored “UOT Electric
March II”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2004, V ol. 51(5):954-962.
[4] 郑金凤,胡冰乐,张翔.纯电动汽车驱动电机应用概述[J]. 机电技术,2009年增刊.
[5] 鶴岡 慶雅,豊田 靖,堀 洋一.電気自動車のトラクションコントロールに関する基礎研究[J].IEEJ
Transactions on Industry Applications. 1998,118(1):45-50.
作者简介
王晶晶，女，沈阳工业大学电气学院，硕士，主要研究方向为电动汽车牵引及安全性控制。通讯地址：沈阳经济技术开发区沈辽西路111号，邮编：110870，电话：138********，邮箱：dove870830@https://www.doczj.com/doc/3216343877.html, ，基金项目：沈阳市科学计划项目电动汽车双馈全驱差速及操纵稳定性控制关键技术研究（F12-277-1-11）资助。