特斯拉电动车专用底盘设计思想在我国电动商用车上的应用情况分析

中国2017年新能源汽车年生产规模接近80万辆。但一些专家批评，目前中国上市电动车辆，基本没有正向设计，几乎都是传统燃油车底盘结构上装上电池、电机而已，看不出有创新，基本停留在改装厂的层次，目前的纯电动货运车普遍被认为技术含量太低。

本文将通过对标特斯拉电动车专用底盘，总计并提炼其设计思想，对在我国电动商用车上的应用情况进行分析。

1、我国传统燃油商用车底盘构造及原始电驱动改款车型综述

1.2、 保留纵置传动轴的电动商用车底盘

“纯电动物流车”是商用车领域近年以来的一个热门话题，市场竞争看似平缓，实则暗流涌动。

目前，基于客车底盘改装的封闭货车和货车底盘改装的厢式运输车是电动物流车的两大主要细分市场，其中客车类封闭货车近两年占主要市场份额，电动化比例已经达到22%左右。

卡车类厢式运输车总体基数较大，可替代空间广阔。

上图仍保留了传动轴和后桥，只是在变速器位置换成了电动机。这是比较原始的改款，首先机械传动机构仍然保留，机械效率不高的缺陷仍然存在；其次传动轴等的存在，没有实现大幅轻量化减重的目标。

此种结构可以看做是电动商用车的原始第一代产品。

1.2、后桥直驱式电动载货车底盘

直驱式底盘是在上一款车型原理基础上的迭代改型。可以看做是我国电动商用车的第二代产品。

而下图这辆改进款车的底盘几乎已经看不见传统商用车底盘车架的影子，而是采用了框架式结构。

其实框架式结构在商用车领域并不陌生，客车底盘采用的就是框架式结构，好处是中部可以预留一定的空间。

对比传统的商用车车架结构来说，框架式的结构能够在保障车身强度的情况下，降低自重。最为关键的是，底盘中部的可利用空间大幅增加。

改进款的底盘中部空间，全部被电池组占领。

很显然，在第一代原始车型的基础上，取消了传动轴，中部空间大幅解放。

那么，传动轴去哪了？

“后桥直驱”

除了应该是国内首例框架式结构底盘的纯电动载货车以外，电机的安装方式应该也是目前的一大创新。

这台车采用的是一台永磁同步电机，与后桥结合为一体式结构，车架上设计有专门的水循环系统。

相比传统的卡车的传动系统来说，这种电机后桥一体式结构可靠性更高，且重量更轻。

由于取消了传统车桥的螺旋伞齿轮（弧齿锥齿轮或渐开线准双曲面齿轮），也就避免了螺旋伞齿轮复杂的安装距和接触区的调整，且避免了其复杂的加工和热处理工艺。

由渐开线圆柱齿轮组成的减速器，其可靠性更高，安装调整更加方便。

国内比亚迪重卡也是采用这种集成电机的驱动桥，虽然相比第一代有了很大改进和提升；不过，小编认为这仍然是一种过渡结构，因为此种结构虽然取消了原主减速器里的螺旋锥齿轮，但仍保留了机械式行星齿轮差速器、半轴和桥壳等零部件，仍然没有挣脱原整体式驱动后桥的桎梏，所以仍至少存在如下两个缺点：

（1）、减重（轻量化）效果有限
（2）、集成度低，传动部件多，潜在失效点多

目前国内主流电动（重型）商用车基本发展到第二代，吉利也推出了电动物流车，在此不再赘述。

笔者下面通过对特斯拉纯电动汽车底盘设计分析，有一些感悟，供大家参考。

2、特斯拉纯电动汽车底盘分析

特斯拉的第一代产品Roadster，用的是莲花Elise的底盘。这台车当时卖了2000多台。现在，这个经典的跑车底盘又被底特律电动车（Detroit Electric）拿来做另外一款“Roadster”了。

2012年，特斯拉发布Model S。底盘结构由特斯拉自主研发，并为其今后的车系奠定了基础。与燃油汽车不同，特斯拉一个底盘就可以涵盖所有级别的车型。比如2017年上市的Model 3，其底盘是在Model S的基础上缩短了轴距而已。

其主要特点是：

①电池包与底盘一体化
②后置后驱。驱动机构位于车辆后桥，前桥配有辅助电机
③分动箱、差速器、差速锁，粘性联轴节等部件都省掉了

分析：特斯拉Model S的驱动电机和辅助电机是传统的感应电机，是由特斯拉与台湾富田公司共同研发与制造的三相交流感应电机。

与这台感应电机搭配的，是一个电流逆变器。它将电池组的直流电转换为交流电，输入到感应电机中；而感应电机的动力则通过一个9.73:1的固定齿比变速箱，将动力创送至轮端。

此外，与上述驱动机构搭配的，还有一个差速器——这是任何一辆车都必备的零件。电池、电机、逆变器，以及固定齿比的变速箱，构成了特斯拉Model S的动力总成。

特斯拉汽车之所以叫做特斯拉，就是因为他们采用了由物理学家尼古拉•特斯拉发明的感应电机。所以，电动机是特斯拉的心脏，也是这家公司核心精神的体现。但是采用的组合设计（主电机+辅助电机），实现了四驱。

分析小结：

①纯电动汽车与传统汽车有根本性区别，必须是“电动机、变矩器、差速器驱动桥”高度集成；
②要实现高度集成，电池包必须可以与车体一体化；
③多于2个电机配合工作，是省掉传统汽车的传动系统零部件的做法。

对传动系统来说，关键的困难点，是必须要有”同轴电驱动桥总成“。

我们知道，Model S是一款后置后驱的车型，它的驱动机构位于车辆后桥，这让其前轮仅负责转向。所以，对于一款标榜运动性的豪华D级车来说，还差那么一点——就是四驱系统。说起四驱系统，大家都会联想到quattro、X-Drive、4Matic这些四驱品牌，还会想到分动箱、差速器、差速锁，以及什么粘性联轴节之类的技术名词。

电动四驱系统比后驱续航里程更长？

可以说，四驱系统不亚于发动机、变速箱，是各大汽车品牌的另外一个竞技场。然而电动化的进程却改变了一些事情——四驱结构似乎不必像现在这么复杂。无论是插电式混合动力车型，还是纯电动车型，四驱结构都变得相对简单。 这是因为，电动单元的加入，让车辆可以同时拥有两个动力来源。而这两个来源，可以分别被安置在车辆的前后桥，来驱动前后轮。

比如某些插电式混动车型，选择在后桥加装一台电动机来构成四驱结构。而对于特斯拉来说，摆脱了燃油发动机、传统变速箱的束缚，实现四驱模式变得更加简单。所以，在2014年10月，配合驾驶辅助系统，特斯拉推出了全时四驱版的Model S。要知道，对于Model S这样的纯电动汽车，双电机四驱结构的应用，可不仅仅是实现四驱那么简单。

人们听到Model S上又加了一个电机，第一反应是电池的续航水平会不会下降？答案其实是相反的。与传统汽车装配四驱结构导致油耗升高不同，电动汽车实现四驱后，续航反而会提升。根据特斯拉官方的数据，全时四驱版的Model S 85D，能够比两驱版本多出5英里的续航。

原因是，大功率感应电机，虽然在起步时就能爆发最大扭矩，但当达到较高转速时，扭矩就会大幅降低。这就是为什么Model S与超级跑车对飙时，前半段遥遥领先，后半段逐渐被赶超的原因。相反，燃油发动机一般在高转速下爆发出最大扭矩。这个时候，高转速下的电机不但扭矩下降，而且功率、效率降低。

但如果采用主电机+辅助电机的组合，效果就会有所好转。其中辅助电机被设计为拥有较为平缓的扭矩曲线，虽然峰值很低，但不会因为转速的增加而出现剧烈的变化。这样，在主电机达到高转速出现扭矩下降时，辅助电机就可以补充一部分扭矩，使车辆后半段的加速也保持有力的状态。

说完这些，我们还是没有解答为何续航会增加的疑问，不要急。

前面说到，辅助电机的介入，让四驱结构整体的扭矩增加了。但同时，输出功率也增加了。这台辅助电机的设计初衷，不仅要拥有平缓的扭矩曲线，还要拥有一个在电动机转速区间内，缓慢上扬的功率曲线，要达到在主电机的功率出现下降时，辅助电机的功率依然在随着转速增加。

这样一来，双电机组合下的功率曲线，相比主电机的曲线，就能够做到在更高的转速下才有所下滑。如果采取单个电机驱动，那么这个电机一定是一个大功率电机，它的功率比上述的主电机、辅助电机分别都要大很多，最大输出功率相当与后两者之和。这时，与双电机组合曲线相比，单个大功率电机在某个高转速点就会出现功率下降，而双电机组合曲线则可以“坚挺”到更高的转速。

那么用一句话概括，就是两个电机配合，可以优化功率输出，相互配合提高能量的利用效率。其实，要想优化电机的输出功率，有一个办法可以解决，就是为电动车装上拥有多个档位的变速箱。不过，这样一来电动汽车动力总成的结构就会变得更加复杂，同时动力输出到轮端的流畅度、驾驶感受也会大打折扣。双电机结构不仅优化了电机效率，还实现了四驱，是最完美的方案。

在这里小编大段文字讨论特斯拉四驱技术并不是凑篇幅，新技术的应用和导入都是一个由简单到复杂、成本不断降低性能不断提高的过程；随着产品不断迭代更新，相信若干年之后，电动商用车也会出现全轮驱动（AWD），因为对汽车工程师来说，极致的性能是永远的追求；特斯拉电动卡车用四个电机分别驱动四个车轮就是例证。

3、特斯拉同轴电驱底盘对我国电动商用车设计开发的启发

基本设计理念：采用用模块化，将“电动机、变矩器、差速器、驱动桥”高度集成在同一根轴上，与轮毂(含ABS)构成整体式车桥，直接安装在汽车底盘上，构成新能源汽车的驱动系统

结构形式：采用动力中置、直联直驱，结构布置均衡

直接目标：节省了汽车底盘空间和减轻了整车的整备质量，提升了整车的性价比和驾乘体验

3.1、同轴电驱动桥总成研发与推广的意义

①说明中国纯电动新能源技术路线是可以成功的
②中国轻型货运车纯电动化时代已经到来
③同轴电驱动桥总成推广应用，可以提升轻型货运车持续里程

3.2、同轴电驱动桥总成代表电动汽车发展方向

特斯拉纯电动汽车底盘布置模式对同行来说，具有较高价值的借鉴意义。对中国而言，货运卡车是重要的运输工具，尤其是城市配送货运卡车，与大众日常生活密切相关。

同轴电驱动桥总成研发的成功，尤其是东风汽车股份有限公司、东风襄阳旅行车有限公司等企业开始批量装车，表明中国新能源发展不仅规模会在上一个台阶，同时产品质量同样会上一个大台阶。

同轴电驱动桥总成必须系列化，只有系列化成功了，才能算真正成功。同轴电驱动桥总成必须系列化，一定要求更多车桥参与产品研发和生产。

笔者理解，同轴电驱动桥总成推广上规模了，质量稳定了。如果要上一个台阶，才是轮边电机系统的推广应用。

4、奔驰重卡同轴直驱和ZF电驱动桥

照传统燃油车的布局，车架中间的电池位置应该是有一根传动轴，国内不少纯电动物流车套用燃油车底盘节约成本，保留了传动轴，奔驰能无视传动轴布置电池是因为驱动方式做了一些改动。

奔驰电动重卡eActros第二轴为驱动轴，双电机驱动，单个电机功率125kw，扭矩485Nm，总的动力输出相当于340马力和970Nm扭矩，峰值扭矩输出1100Nm，动力输出比2016年的概念车略有提升，与柴油车相当。

奔驰纯电动车后桥上有2个驱动电机，专门为纯电动车设计的车桥，基于采埃孚AVE 130电驱动桥改进而来，离地间隙增加到200mm以上，内置电机集成在车桥内部，左右车轮各一个，轴头看上去就和轮减桥一样。

本来这项设计是用于客车，可以降低客车地板高度，现在被奔驰用到卡车上，让底盘空间更加紧凑，还有助于轻量化。

200公里的续航成绩，大约2吨重的电池组，最快3小时充满电，奔驰电动卡车的数据不怎么出彩，目前行业正常水平，与国内纯电动卡车的续航成绩也相差无几，吨公里0.066kWh耗电量和国内比也差不多。

虽然国内电动商用物流车已经如雨后春笋，国内纯电动卡车早在城市配送工况遍地开花，等到2021年，欧卡厂商们才磨磨蹭蹭开始量产，但是谁敢说我们“弯道超车”成功了？