高性能直驱动力集成系统产业化的探索与实践
王瑞瑜
摘要：随着汽车产销量的快速增长，能源和环境问题日益突出。政府对汽车能耗及尾气排放标准管理日趋严格，在诸多节能减排路径中，汽车轻量化是降低汽车燃油消耗和实现节能减排的重要措施。此外，《中国制造2025》及“双积分”政策的实施也让新能源汽车得到政策青睐与支持，鼓励整车厂联合各驱动电机、传动系统等核心零部件企业研发轮边和轮毂驱动系统，充分发挥整车厂的系统集成能力和零部件企业的在各自行业的技术积累，有利于加快直驱系统在我国的应用和推广，从而改变目前我国卡车领域新能源发展滞后的局面，有利于推動柴油车新能源技术的发展，为国家节能减排事业做出更大贡献。
关键词：高性能 集成系统 产业化 节能减排
中图分类号：U469.72 文献标识码：A
1 直驱系统概况
新能源汽车直驱动力集成系统目前主要是指利用轮边电机直接将电驱动系统、传动系统、制动系统、承载系统等集成在一起，以实现驱动整车行驶、实现制动及承载整车重量等功能。
轮边驱动是在通过电机与减速装置高度集成的方式，独立控制各个车轮，各车轮独立驱动。取消了传统动力汽车的离合器、变速器、传动轴、差速器、驱动桥等传动部件，提高了传动效率，同时采用电子自适应差速取代传统的差速器。电机与车轮仅通过固定速比的减速装置相连，减速装置起减速增扭作用，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥了驱动电机的调速特性，克服了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸影响的问题，适合在商用车上使用[1]。
2 系统的核心技术
2.1多系统集成
高性能的直驱系统需要集成高性能的电驱动系统、传动系统、制动装置、承载系统等部件，要将上述系统集成在一个有限的空间内并保证各系统能够可靠地工作，见图1、2、3。
2.2高性能高可靠性驱动电机和传动系统
为减小直驱系统的重量和体积，需要不断地提高驱动电机的功率密度比和转矩体积比以及效率，同时对轮边电机的输入转速也有更高要求，这就需要高性能的传动系统。在转速提高后，需要在设计、加工精度、加工工艺、热处理等各个方面控制齿轮噪声[2]。
2.3控制系统和散热系统
分布式直驱电动车一般采用双轮或多轮驱动，需要两个或多个电机，要协调各个电机安全可靠地工作需要可靠的控制系统；面对不断提高的功率密度比，电机与传动系统和制动系统的集成，使电机工作环境的温度更加恶劣，需要考虑更先进的散热方式。
2.4轻量化要求
采用轮边电机驱动系统，虽然减少了整车重量，却会增加簧下重量，对车辆的操控有所影响，对车辆的制动性能也产生了不利。同时，增加簧下重量对车辆的操稳和平顺性均有不利的影响。因此轻量化对于轮边电机驱动系统显得
非常重要[3]。
3 市场现状
我国的轮边驱动技术主要应用在重型电动矿用自卸车领域，在新能源汽车领域大多采用传统的集中电机驱动方式。目前，轮边驱动方式在新能源客车市场才崭露头角，部分制造商已经推出了产品，如采埃孚的AVE130车桥，比亚迪的K9、C9，长江汽车系列轻型客车。
3.1 ZF采埃孚轮边电机驱动
电动化在大巴、城市公交车领域，国内目前发展得比欧洲还要好，AVE130车桥作为采埃孚最新研发的创新产品，主要应用于纯电动和串联混合动力公交车，牵引力强劲；该产品基于电动独立轮驱动，车桥两侧轮端分别内置一个水冷式三相异步感应电机，与标准低地板车桥拥有几乎相同的安装尺寸。AVE130电驱动桥由两个感应电机构成，以每侧电机125kW的功率输出，合计输出250kW，功率与传统发动机相当，加速没有任何动力中断，所以乘客们不会有顿挫感，使车辆的乘坐体验更舒适，底盘振动更低，驾乘更安静。
3.2长江轮边电机驱动
长江汽车以及天津天海同步科技公司对于轮边电机驱动桥技术投入了大量研发力量，长江公司在该领域成为全球最强最大的研发与生产基地，迄今已经形成5吨、8～10吨、13吨等规格的轮边电机驱动桥在商用车领域。长江汽车全新自主研发的轮边电机驱动桥，取代了传统车的发动机、变速器、离合器、传动轴和后桥，实现了高度集成，提高了可靠性和传动效率；同时采用低速高扭驱动电机，自带配置IMU，实现ESC主动控制策略和协调再生制动策略，由电机直接驱动减速器，并多处部件采用铝合金材料，实现轻量化设计，与传统燃油车相比，整车零部件比传统燃油车减少30%～40%，重量大大减轻。长江汽车的轮边双电机桥除去空气弹簧及悬架系统，剩下的就是电机驱动桥了，驱动电机和减速器构成动力总成，制动卡钳和制动盘构成制动系统，起承载作用的则是驱动桥体。此外，长江的轮边电机驱动桥还能够实现汽车安全系统及底盘系统的电子化、主动化，整车的安全性和可靠性显著提高，真正实现了所有新能源汽车追求的“轻”“快”“好”。
长江电动车在轮边电机驱动桥方面拥有多年的研究经验和丰富的技术储备，拥有多项专利，长江电动车通过在轮边电机驱动系统的一级减速器总成上或者半轴套管上设置液压制动器，使液压制动器与设置在轮毂上的制盘相配合，实现对轮毂液压制动，制动反应快，噪音小。通过采用这种液压制动方式，整个驱动桥结构紧凑，占用空间少，一改以往的轮边电机驱动桥诸多弊端，扩大了轮边电机驱动桥的适用范围。
3.3比亚迪轮边电机驱动
2014年起，比亚迪装载轮边电机的客车在国内问世，其后在南京、杭州、深圳等地推广，产品在深圳的运营里程已经突破了40万公里，受到了广大公交公司的欢迎。比亚迪客车品牌在业内迅速渗透，目前搭载轮边电机的K9已经有数千辆公交车在运行，并且K9大巴在海外成功运营，意味着轮边电机带减速器技术的驱动桥已经十分成熟，K9系列电动大巴采用的是比亚迪自行研发生产的轮边驱动电机，双轮驱动的结构省去了传统大巴的驱动桥和传动轴，腾出了大量空间用来降低地板高度。经过2年的磨合与改进（控制程序），匹配到K9系列电动大巴上的运转情况良好，同时这套轮边电机总成采用的是风冷自散热体系，全铝合金材质有利于快速散热，相对于以往电动车采用液冷散热结构，更加简单可靠[4]。
4 应用前景
汽车未来的发展趋势是安全、环保、智能，要实现这个目标，就要求未来汽车的驱动系统稳定可靠、效率高、控制自由度大，而轮边直驱系统由于其独特的优点，满足了未来汽车对驱动系统的要求，因此轮边直驱系统是未来汽车驱动发展的方向。
阶段直驱系统新能源汽车推广的最大阻力就是成本问题，由于直驱系统对驱动电机、控制系统都有着更高的要求，目前的技术水平还难以将高性能轮边动力集成系统、控制系统等成本大幅降低，同时动力电池的成本也占据整车成本的很大一部分，导致整车价格较高，在市场上很难推广。但采用直驱系统的新能源汽车在车辆操控、结构复杂度、空间利用率方面均有巨大进步，而且直驱系统的一体化有利于实现整车的轻量化，如果再有配套政策的引导和支持，轮边驱动系统会逐渐成为新能源客车的主要驱动方式，并不断向中重卡、轻型车领域拓展，从而改变目前我国卡车领域新能源发展滞后的局面，有利于推动柴油车新能源技术的发展，对节能减排意义更大[5]。
5 支持产业化的必要性
5.1直驱系统是新能源汽车的发展趋势
随着《中国制造2025》和重点领域技术路线图的发布，以及环境问题和能源结构的调整，传统的柴汽油汽车将会逐渐退出市场，电动化成为未来汽车发展的方向。而在动力传动的技术路线上，将会以传动路线短、传动效率高的传动方案为方向，直驱系统以其简单灵活、传动高效等优点将会受到重视和利用。从直驱系统在欧洲电动客车市场中的成功应用可以看出，直驱系统将是我国新能源汽车发展的新趋势。
5.2加快商用车新能源产业化步伐十分迫切
我国从事直驱系统研发的企业主要以整车企业为主，集中程度较低，技术水平参差不齐，也没有统一的标准。目前在轮边电驱动桥、轮毂电机、集成电动轮、控制系统等直驱系统的关键技术上，缺乏自主创新能力。在中重卡、轻型车等燃油消耗高、污染排放大的柴油车领域，新能源产业化的发展滞后于汽车整体水平；新能源汽车是我国汽车“弯道超车”跨入汽车强国的良好平台，加快直驱动力集成系统的产业化步伐，是新能源汽车走向世界领先水平的重要措施。
5.3形成完整的上下游产业链是推动行业发展的重要保障
我国目前新能源汽车在动力传动及控制系统方面以整车和非传统汽车零部件企业为主，而传统的零部件企业在各自领域比整车和非行业企业有更好的技术积累和行业沉淀，在新能源产业化发展中應充分发挥他们的优势，鼓励整车厂联合各驱动电机、传动系统等核心零部件企业研发轮边和轮毂驱动系统，充分发挥整车厂的系统集成能力和零部件企业的在各自行业的技术积累，有利于加快直驱系统在我国的应用和推广。
参考文献：
[1] 宁国宝.电动车轮边驱动系统的发展[J].上海汽车，2006（11）：2- 6.
[2] 王贵明，王金懿.电动汽车及其性能优化[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3] 陈清泉.现代电动车、电机驱动及电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 王玲.比亚迪K9纯电动大巴正式交付悉尼[J].人民公交，2016（9）：101.
[5] 徐国卿.电动汽车技术发展趋势与展望[J].先进技术研究通报，2010（2）：84- 88.
摘要：随着汽车产销量的快速增长，能源和环境问题日益突出。政府对汽车能耗及尾气排放标准管理日趋严格，在诸多节能减排路径中，汽车轻量化是降低汽车燃油消耗和实现节能减排的重要措施。此外，《中国制造2025》及“双积分”政策的实施也让新能源汽车得到政策青睐与支持，鼓励整车厂联合各驱动电机、传动系统等核心零部件企业研发轮边和轮毂驱动系统，充分发挥整车厂的系统集成能力和零部件企业的在各自行业的技术积累，有利于加快直驱系统在我国的应用和推广，从而改变目前我国卡车领域新能源发展滞后的局面，有利于推動柴油车新能源技术的发展，为国家节能减排事业做出更大贡献。
关键词：高性能 集成系统 产业化 节能减排
中图分类号：U469.72 文献标识码：A
1 直驱系统概况
新能源汽车直驱动力集成系统目前主要是指利用轮边电机直接将电驱动系统、传动系统、制动系统、承载系统等集成在一起，以实现驱动整车行驶、实现制动及承载整车重量等功能。
轮边驱动是在通过电机与减速装置高度集成的方式，独立控制各个车轮，各车轮独立驱动。取消了传统动力汽车的离合器、变速器、传动轴、差速器、驱动桥等传动部件，提高了传动效率，同时采用电子自适应差速取代传统的差速器。电机与车轮仅通过固定速比的减速装置相连，减速装置起减速增扭作用，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥了驱动电机的调速特性，克服了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸影响的问题，适合在商用车上使用[1]。
2 系统的核心技术
2.1多系统集成
高性能的直驱系统需要集成高性能的电驱动系统、传动系统、制动装置、承载系统等部件，要将上述系统集成在一个有限的空间内并保证各系统能够可靠地工作，见图1、2、3。
2.2高性能高可靠性驱动电机和传动系统
为减小直驱系统的重量和体积，需要不断地提高驱动电机的功率密度比和转矩体积比以及效率，同时对轮边电机的输入转速也有更高要求，这就需要高性能的传动系统。在转速提高后，需要在设计、加工精度、加工工艺、热处理等各个方面控制齿轮噪声[2]。
2.3控制系统和散热系统
分布式直驱电动车一般采用双轮或多轮驱动，需要两个或多个电机，要协调各个电机安全可靠地工作需要可靠的控制系统；面对不断提高的功率密度比，电机与传动系统和制动系统的集成，使电机工作环境的温度更加恶劣，需要考虑更先进的散热方式。
2.4轻量化要求
采用轮边电机驱动系统，虽然减少了整车重量，却会增加簧下重量，对车辆的操控有所影响，对车辆的制动性能也产生了不利。同时，增加簧下重量对车辆的操稳和平顺性均有不利的影响。因此轻量化对于轮边电机驱动系统显得
非常重要[3]。
3 市场现状
我国的轮边驱动技术主要应用在重型电动矿用自卸车领域，在新能源汽车领域大多采用传统的集中电机驱动方式。目前，轮边驱动方式在新能源客车市场才崭露头角，部分制造商已经推出了产品，如采埃孚的AVE130车桥，比亚迪的K9、C9，长江汽车系列轻型客车。
3.1 ZF采埃孚轮边电机驱动
电动化在大巴、城市公交车领域，国内目前发展得比欧洲还要好，AVE130车桥作为采埃孚最新研发的创新产品，主要应用于纯电动和串联混合动力公交车，牵引力强劲；该产品基于电动独立轮驱动，车桥两侧轮端分别内置一个水冷式三相异步感应电机，与标准低地板车桥拥有几乎相同的安装尺寸。AVE130电驱动桥由两个感应电机构成，以每侧电机125kW的功率输出，合计输出250kW，功率与传统发动机相当，加速没有任何动力中断，所以乘客们不会有顿挫感，使车辆的乘坐体验更舒适，底盘振动更低，驾乘更安静。
3.2长江轮边电机驱动
长江汽车以及天津天海同步科技公司对于轮边电机驱动桥技术投入了大量研发力量，长江公司在该领域成为全球最强最大的研发与生产基地，迄今已经形成5吨、8～10吨、13吨等规格的轮边电机驱动桥在商用车领域。长江汽车全新自主研发的轮边电机驱动桥，取代了传统车的发动机、变速器、离合器、传动轴和后桥，实现了高度集成，提高了可靠性和传动效率；同时采用低速高扭驱动电机，自带配置IMU，实现ESC主动控制策略和协调再生制动策略，由电机直接驱动减速器，并多处部件采用铝合金材料，实现轻量化设计，与传统燃油车相比，整车零部件比传统燃油车减少30%～40%，重量大大减轻。长江汽车的轮边双电机桥除去空气弹簧及悬架系统，剩下的就是电机驱动桥了，驱动电机和减速器构成动力总成，制动卡钳和制动盘构成制动系统，起承载作用的则是驱动桥体。此外，长江的轮边电机驱动桥还能够实现汽车安全系统及底盘系统的电子化、主动化，整车的安全性和可靠性显著提高，真正实现了所有新能源汽车追求的“轻”“快”“好”。
长江电动车在轮边电机驱动桥方面拥有多年的研究经验和丰富的技术储备，拥有多项专利，长江电动车通过在轮边电机驱动系统的一级减速器总成上或者半轴套管上设置液压制动器，使液压制动器与设置在轮毂上的制盘相配合，实现对轮毂液压制动，制动反应快，噪音小。通过采用这种液压制动方式，整个驱动桥结构紧凑，占用空间少，一改以往的轮边电机驱动桥诸多弊端，扩大了轮边电机驱动桥的适用范围。
3.3比亚迪轮边电机驱动
2014年起，比亚迪装载轮边电机的客车在国内问世，其后在南京、杭州、深圳等地推广，产品在深圳的运营里程已经突破了40万公里，受到了广大公交公司的欢迎。比亚迪客车品牌在业内迅速渗透，目前搭载轮边电机的K9已经有数千辆公交车在运行，并且K9大巴在海外成功运营，意味着轮边电机带减速器技术的驱动桥已经十分成熟，K9系列电动大巴采用的是比亚迪自行研发生产的轮边驱动电机，双轮驱动的结构省去了传统大巴的驱动桥和传动轴，腾出了大量空间用来降低地板高度。经过2年的磨合与改进（控制程序），匹配到K9系列电动大巴上的运转情况良好，同时这套轮边电机总成采用的是风冷自散热体系，全铝合金材质有利于快速散热，相对于以往电动车采用液冷散热结构，更加简单可靠[4]。
4 应用前景
汽车未来的发展趋势是安全、环保、智能，要实现这个目标，就要求未来汽车的驱动系统稳定可靠、效率高、控制自由度大，而轮边直驱系统由于其独特的优点，满足了未来汽车对驱动系统的要求，因此轮边直驱系统是未来汽车驱动发展的方向。
阶段直驱系统新能源汽车推广的最大阻力就是成本问题，由于直驱系统对驱动电机、控制系统都有着更高的要求，目前的技术水平还难以将高性能轮边动力集成系统、控制系统等成本大幅降低，同时动力电池的成本也占据整车成本的很大一部分，导致整车价格较高，在市场上很难推广。但采用直驱系统的新能源汽车在车辆操控、结构复杂度、空间利用率方面均有巨大进步，而且直驱系统的一体化有利于实现整车的轻量化，如果再有配套政策的引导和支持，轮边驱动系统会逐渐成为新能源客车的主要驱动方式，并不断向中重卡、轻型车领域拓展，从而改变目前我国卡车领域新能源发展滞后的局面，有利于推动柴油车新能源技术的发展，对节能减排意义更大[5]。
5 支持产业化的必要性
5.1直驱系统是新能源汽车的发展趋势
随着《中国制造2025》和重点领域技术路线图的发布，以及环境问题和能源结构的调整，传统的柴汽油汽车将会逐渐退出市场，电动化成为未来汽车发展的方向。而在动力传动的技术路线上，将会以传动路线短、传动效率高的传动方案为方向，直驱系统以其简单灵活、传动高效等优点将会受到重视和利用。从直驱系统在欧洲电动客车市场中的成功应用可以看出，直驱系统将是我国新能源汽车发展的新趋势。
5.2加快商用车新能源产业化步伐十分迫切
我国从事直驱系统研发的企业主要以整车企业为主，集中程度较低，技术水平参差不齐，也没有统一的标准。目前在轮边电驱动桥、轮毂电机、集成电动轮、控制系统等直驱系统的关键技术上，缺乏自主创新能力。在中重卡、轻型车等燃油消耗高、污染排放大的柴油车领域，新能源产业化的发展滞后于汽车整体水平；新能源汽车是我国汽车“弯道超车”跨入汽车强国的良好平台，加快直驱动力集成系统的产业化步伐，是新能源汽车走向世界领先水平的重要措施。
5.3形成完整的上下游产业链是推动行业发展的重要保障
我国目前新能源汽车在动力传动及控制系统方面以整车和非传统汽车零部件企业为主，而传统的零部件企业在各自领域比整车和非行业企业有更好的技术积累和行业沉淀，在新能源产业化发展中應充分发挥他们的优势，鼓励整车厂联合各驱动电机、传动系统等核心零部件企业研发轮边和轮毂驱动系统，充分发挥整车厂的系统集成能力和零部件企业的在各自行业的技术积累，有利于加快直驱系统在我国的应用和推广。
参考文献：
[1] 宁国宝.电动车轮边驱动系统的发展[J].上海汽车，2006（11）：2- 6.
[2] 王贵明，王金懿.电动汽车及其性能优化[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3] 陈清泉.现代电动车、电机驱动及电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 王玲.比亚迪K9纯电动大巴正式交付悉尼[J].人民公交，2016（9）：101.
[5] 徐国卿.电动汽车技术发展趋势与展望[J].先进技术研究通报，2010（2）：84- 88.
