电动四轮驱动技术现状与趋势分析

马立砚　孙海鹏　王清海

摘要：通过分析电动四轮驱动技术主流的三种结构。总结了这三种电动四轮驱动技术的优缺点，并对其技术发展趋势进行了探讨。研究表明，电驱动桥四轮驱动技术因其结构简单、技术成熟得到广泛应用；轮毂电机四轮驱动技术相对于电驱动桥四轮驱动技术和轮边减速四轮驱动技术具有更多的优势，将成为电动四轮驱动技术未来的发展方向。

关键词：电动四轮驱动；轮毂电机驱动；技术发展趋势

当今社会，资源紧缺与环境恶化的问题日益严重，新能源汽车的开发作为面对挑战、实现可持续发展的重要途径，是未来汽车产业的发展方向。对四轮驱动汽车而言，为了应对日益严苛的汽车排放、油耗法规提出的越来越高的技术要求，与传统的机械四轮驱动系统相比，电动四轮驱动系统的开发应用日渐广泛。

在前轮驱动车辆的基础上拓展成四轮驱动车辆，根据驱动后轮所施加驱动扭矩的来源，目前实现电动四轮驱动的主流技术主要有三种，本文主要分析了这三种类型电动四轮驱动技术的结构特征、优缺点和技术发展趋势。

1.电动四轮驱动技术主流结构分析

电动四轮驱动技术总体上可分为三种结构，电驱动桥技术、轮边减速驱动技术和轮毂电机直接驱动技术。

1.1电驱动桥技术

如图1所示，电驱动桥技术①利用一个驱动电机②通过减速器③实现降速增扭，驱动扭矩将通过差速器分配给左右驱动半轴。此技术已经应用在混合动力汽车上，在前轮驱动的汽车上装设了一个电驱动后桥（图2），即可为汽车提供混合驱动能力和四轮驱动能力。应用这种技术，电池电动车辆也可以通过两个单独的电动机分别驱动两个车桥获得四轮驱动能力。

按照减速器档位数叉可分为一档电驱动桥和两档电驱动桥两大类。两档电驱动桥相对于一档电驱动桥具有如下优点：

一、加速和爬坡时可以利用一档的大速比提升扭矩，从而提升动力；车辆高速行驶时的最高车速可以利用二档的小速比得到提高。

二、两档电驱动桥可以获得更低的电机转速，有利于优化电机NVH性能，整车NVH性能也将得到提升。

三、两档电桥相对于一档电桥的效率有提升，可以提高电效率，节省电池成本。

四、使用两档电桥可以使电机小型化。

电驱动后桥在雷克萨斯RX400混合动力车和丰田Highlander混合动力车上已有应用，国内哈弗、比亚迪等也有应用该技术。图3为哈弗混动四轮驱动系统展示，其中后桥应用了电驱动桥技术，驱动电机功率为60Kw，仅使用后驱动桥驱动时为纯电动两驱，前桥传统动力与后驱动桥同时提供动力时车辆实现四驱，即实现混动四驱模式，系统最大功率可达170KW。图4为比亚迪唐，1台电动机位于后驱动桥差速器一侧，通过车身中部电池组件获取电力驱动后轮。是国内自主品牌量产车中首次应用该技术的车型。

1.2轮边减速驱动技术

轮边减速驱动方式如图5所示，电机为普通的内转子电机，电机高转速、低扭矩运行。为满足汽车行驶时车轮的实际转速要求，常在电机和车轮之间增加一套固定传动比的减速装置，起到减速、增扭的作用，保证电动车低速行驶时能够获得足够大的扭矩。

轮边减速驱动装置广泛应用于大型矿用电动轮自卸车，1963年美国的两家公司Unit-Rig和GE（通用电气）合作研制并批产了M85型77t电动轮汽车。1968年，GE公司开发、研制并成功推出了电动轮驱动机构，开创了电动轮自卸车的新时代。

国际上电动轮自卸车生产国主要集中在美国/日本和德国等工业发达的国家，Komatsu公司的960E型电动轮自卸车（图6）额定载重327t，最大功率2160kW；Liebherr在2010年4月推出T282型自卸车（图7），额定载重363t。

1.3轮毂电机直接驱动技术

轮毂电机直接驱动形式如图8所示，使用低速的外转子电机，中间无减速机构，车轮通过安装在轮辋上的外转子驱动电机直接驱动，实现车轮与电机1：1的转速。轮毂电机直接驱动在车辆上的应用如图9所示，应用四个轮毂电机即可轻松实现电动四轮驱动。

对轮毂电机的应用与研究，日本有着世界领先的技术水平。早在2003年就有多种轮毂电机驱动产品被推出。例如：普利司通公司推出的动力阻尼型车内装式电机系统，以及丰田公司推出的FNE-N燃料电池概念车等等。

我国在轮毂电机技术研究领域起步较晚，研究成果主要包括同济大学研制的采用四个低速永磁无刷直流轮毂电机的“春晖一号”和“春晖二号”电动车。中国科学院北京三环通用电气公司开发的7.5 kW电动汽车专用的轮毂电机。哈工大一爱英斯电动汽车研究所开发的采用多态轮毂电机的轮毂驱动系统EV96-I型电动汽车等。

2.电动四轮驱动技术的优缺点

电动四轮驱动技术相对于传统机械四轮驱动技术主要优点如下：

优点一：省去了复杂的机械四轮驱动系统，包括分动器、主传动轴等零件。整车质量因传动系统零部件的减少而减轻。传动系的振动噪声问题得到改善。

优点二：可以获得更优的驾驶性及更好的燃油经济性。

优点三：可以实现车辆的“电子主动底盘”。汽车采用前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动可依据行驶工况由车辆控制器进行适时转换与控制，每个车轮的驱动力也可根据汽车的行驶状态进行实时控制，能够真正实现车辆的“电子主动底盘”。

优点四：可广泛应用于不同车型，平台化战略有利于实现混合动力和纯电动。

三种电动四轮驱动结构的优缺点汇总如下表：

3.电动四轮驱动技术的发展趋势

2016年节能与新能源汽车技术路线的发布，提出了新能源汽车行业的发展目标，也指明了新能源汽车的发展方向。为了实现2020年纯电动乘用车续驶里程达到300km，2030年达到500km，且纯电驱动系统最高传动效率大于93%等技术目标，大力发展轮毂电机系统技术成为未来新能源汽车发展的关键技术。

轮毂电机技术适用于多种类型的车辆，可以为全新的或现有的车型改善燃油经济性、提升扭矩和功率、增加驾驶乐趣。轮毂电机布置灵活，完美适配纯电动、混合动力、插电式混合动力和燃料电池电动车等多种新能源车型。无论是基于前轮驱动还是基于后轮驱动的传统两驱车上，无需大规模改变现有动力总成体系，均可通过增加两个轮毂电机轻松实现混合动力四轮驱动，轮毂电机和传统动力并联使用，这对于混合动力车型很有意义。也可以在纯电动车辆上应用轮毂电机系统，实现纯电动四轮驱动，甚至八轮驱动。

制约轮毂电机四轮驱动技术发展及应用的主要因素同时也是轮毂电机发展的难点和热点，主要集中在控制方面，如电子差速控制技术等，本文暂不做深入探讨。从结构角度来看，机械结构方面的系统集成优化设计也是至关重要的，研制集成度高、体积小、质量轻的轮毂电机系统已经成为国内外行业关注的焦点，高度集成的轮毂电机系统，集轮毂电机、逆变器，电机控制和软件于一体，无需更换汽车原有的车轮轴承就可轻松完成电机安装。目前Protean Drive的轮毂电机可以提供81kW的功率，800N·m的扭矩，重量仅31Kg，可安装在直径为18～24英寸的常规车轮中。具有良好的再生制动性能，在制动过程中可回收85%的动能。因此车辆行驶里程在同样的电池容量下可以增加30%以上，续航里程相同的情况下可以通過降低电池容量减少成本。

轮毂电机技术因其能够独立驱动的众多优点，以及未来对车轮布置空间越来越严格的要求，随着电机转速可调范围的增加，这项技术受到了国内外越来越多整车厂商的关注，相信受需求牵引，轮毂电机直接驱动技术目前存在的技术难题会早日突破，将成为电动四轮驱动车辆的最终发展趋势。

4.小结

本文通过对主流电动四轮驱动技术的结构进行分析，探讨了三种电动四轮驱动技术的优缺点，并介绍了几种技术发展趋势。其中，电驱动桥四轮驱动技术结构较为简单，技术成熟度高，已得到广泛应用。其他几种电动四轮驱动技术，无论是从技术的结构特点，还是从技术的发展趋势来看，轮毂电机直接驱动技术都具有众多优势。虽然在目前的技术研究中，还存在很多技术难点有待攻克，但随着科技发展，轮毂电机直接驱动技术必将成为电动四轮驱动车辆的最终形式。