車輛推進系統(tǒng)的技術創(chuàng)新

車輛推進系統(tǒng)的技術創(chuàng)新

汽車動力傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

汽車動力傳動系統(tǒng)（Drivetrain）包括從發(fā)動機到驅動輪的所有部件，而傳動系統(tǒng)（Drivelines）只包括變速箱到驅動輪的所有部件，采用不同動力傳動系統(tǒng)而構成不同的驅動方式（兩輪驅動、四輪驅動或全輪驅動）。種類繁多的汽車傳動系統(tǒng)都必須滿足兩項規(guī)則：（1）驅動單元特性盡量接近車輛行駛需要、（2）功率損失應盡量小，終極目標是高效地實現(xiàn)驅動單元和負載的最佳匹配。汽車傳動系統(tǒng)經(jīng)過幾代更新與完善，越來越明顯地呈現(xiàn)出傳動介質多樣化、功能集成化和傳動裝置自由度增長化的趨勢。

常用驅動單元中的內燃機柴油機功率密度較高，其性能與車輛行駛需求差別很大，柴油機轉矩適應性系數(shù)為1.05～1.25，汽油機為1.25～1.45，這些范圍遠不能滿足車輛的行駛需要；而電動機特性接近車輛行駛需求，轉矩變化范圍也不足以滿足車輛的行駛需求。由此衍生出用于改造驅動單元特性并與其匹配的傳動系統(tǒng)。

電動客車的三種動力驅動模式

電動客車的動力源是電動機，其供電方式分為兩類：（1）車外提供電源（無軌電車、隔空充電客車）和（2）車載儲存電能（電池電動客車和飛輪客車）。廣義的電動客車涵蓋所有采用電力為動力的載客車輛，狹義的電動客車則是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛的載客車輛，從這個意義上來講，混合動力也屬于電動客車范疇。

電驅動系統(tǒng)的電動機由直流轉向交流的發(fā)展, 因為交流電動機的耐用性, 高速性能都是直流電動機無法替代的；把交流電動機集成到輪轂中, 通過改變磁鐵的磁性強弱、線圈的結構，在一定程度上可提高電動機的功率或轉矩, 滿足公共巴士高轉矩和高功率的要求，車輪電機是電傳動技術發(fā)展在電動機與控制技術和動力電池組管理與應用一體化集成的結果。

種類繁多的汽車傳動系統(tǒng)都必須滿足兩項規(guī)則：（1）驅動單元特性盡量接近車輛行駛需要、（2）功率損失應盡量小，終極目標是高效地實現(xiàn)驅動單元和負載的最佳匹配。汽車傳動系統(tǒng)經(jīng)過幾代更新與完善，越來越明顯地呈現(xiàn)出傳動介質多樣化、功能集成化和傳動裝置自由度增長化的趨勢。

電動客車與傳統(tǒng)客車完全不同，其推進系統(tǒng)根據(jù)運營要求和車輛技術參數(shù)（如車速、功率、加速性能等），來確定電動客車的電動機參數(shù)。電動機是在三個不同的物理原則（磁場、靜電和壓電）運轉的，主要由定子和轉子所構成，機殼常用高導磁系數(shù)材料制成當作磁路用。按使用的電源劃分直流、交流和脈沖電機，按機械結構劃分為摩擦傳動、中軸鏈輪傳動和輪轂驅動。直流電動機按結構及工作原理細分為無刷和有刷直流電動機；交流電機分為單相和三相電機，按結構和工作原理細分為直流、異步和同步電動機。

利用電動機牽引驅動客車行駛的技術路線可以分為三大類：（1）中央式電動機驅動模式；（2）分布式電動機驅動模式；（3）輪轂電機直接驅動模式。

傳統(tǒng)的電動客車采用中央式電動機取代內燃機，電力經(jīng)由電動機輸出的動能經(jīng)過變速箱、傳動軸、主傳動器、差速器、半軸傳輸?shù)杰囕唩眚寗涌蛙囆旭?，只改變客車的動力源而沒有改變驅動系統(tǒng)。

分布式驅動電動客車將電動機分散布置到各車輪（包括輪邊、輪內和輪轂中），沒有差速器和車橋等部件，提高傳動效率，與傳統(tǒng)中央式電動機結構相比，分布式電動機的車身結構更加緊湊，車內空間利用率高。

輪轂電機沒有變速箱、差速器和車橋，也沒有外置電機，電機被安裝在輪轂內直接驅動車輪，最明顯的好處是動力傳輸?shù)穆窂酱蠓s短，能量損失減少，傳輸?shù)男蚀蠓岣?，這是公共巴士電動化發(fā)展的一個重要方向，輪轂電機除動力傳輸效率高之外，減少大量傳動組件，省下成本、重量，更讓車室內空間加大，設計的自由度大幅提高。動力源移到車輪上，沒有了傳統(tǒng)客車的發(fā)動機艙和輪包，車頭造型設計、空氣動力學曲線設計、乃至于結構補強設計，都可以有更大的彈性。

分布式電動機推進系統(tǒng)的基本特征是將牽引電機安裝在驅動輪附近（輪邊電機，Wheel Motor）或安裝在驅動輪內（輪內電機，In-Wheel），通過行星輪和齒輪機構實現(xiàn)電動機在高速運行下減速驅動車輪旋轉；或將牽引電機安裝在驅動輪內的輪轂上（輪轂電機，Hub-Motor），直接驅動車輪行駛；這些分布式的電動機通稱為車輪電機或電動輪（in-wheel-motor，IWM），包括有減速機構的間接驅動和無傳動裝置的直接驅動。這是作者基于長期關注電動客車（Electric Bus）、電動機技術（Electric Motors）和推進系統(tǒng)（Propulsion）發(fā)展，結合公共交通行業(yè)特征對相關術語提出的基本定義。通俗地講，輪轂電機是指電機轉子本身就是輪轂，在轉子上面安裝輪胎，沒有傳動裝置由電機直接驅動車輪；輪邊電機是指輪轂和電機是分離的，電機安裝在輪子旁邊，通過或者不通過減速直接驅動車輪。

在電動客車上采用分布式電動機推進系統(tǒng)具有驅動傳動鏈短、傳動高效、結構緊湊等突出優(yōu)點。減少電動客車推進系統(tǒng)的機械部件，使驅動系統(tǒng)和整車結構更加簡約，整車布局和車身造型設計的自由度增加；采用四輪轉向技術還可減小轉向半徑，提高電動客車在城市狹窄道路上的通行性。

公共巴士在城市道路上行駛，不需要很大的接近角和離去角, 最高車速相對不高，車站間距較小，車輛頻繁啟動換擋，載客量大對動力系統(tǒng)要求提供足夠大的轉矩，乘客上下車頻繁要求地板高度低。從城市公共巴士的性能特征上分析，低地板和寬通道是改善乘客通達性（Accessibility）的重要因素。地板高度是公共巴士的重要技術參數(shù)，它不僅關系到整體車廂高度，還關系到車輛空載和滿載時的重心高度差，對車輛行駛穩(wěn)定性極其重要。

電動機驅動車輪行駛的基本方式：

驅動方式基本特征機械傳動中央式電動機取代內燃機，采用傳統(tǒng)客車驅動系統(tǒng)（離合器、變速箱、傳動軸等）輪邊電機驅動取消傳統(tǒng)客車傳動系統(tǒng)中的變速箱，保留主減速器、差速器和半軸等機構輪內電機驅動雙聯(lián)式電動機分別驅動左右車輪，雙聯(lián)式電動機之間用電子差速代替機械差速器；整車采用電子集中控制，可實現(xiàn)自動化與網(wǎng)絡化輪轂電機驅動電動機直接驅動車輪，無任何齒輪，提高傳動效率；結構簡單，比功率高；靈活地布置于車輛前輪、后輪或所有車輪；全車軟連接（線）傳動，節(jié)省車內空間，減輕懸掛質量

利用電動機牽引驅動客車行駛的技術路線可以分為三大類：（1）中央式電動機驅動模式；（2）分布式電動機驅動模式；（3）輪轂電機直接驅動模式。

電推進系統(tǒng)完全滿足巴士的通達性要求：

傳統(tǒng)巴士由于發(fā)動機、傳動軸、差速器及半軸的存在，車輛從后輪起到車尾間的副地板高度無法再下降, 副地板離地高度超過800mm，使得乘坐在車輛后部的乘客上下車不便。車輛后部空間剩余十分有限, 但是輪轂里的空間卻沒有得到充分利用。分布式電動機推進系統(tǒng)可布置為全輪驅動方式，采用小尺寸車輪還可以大幅降低一級踏步的地板高度，為乘客上下車帶來極大方便，輕松地實現(xiàn)低地板和無障礙流動等功能要求。

德國ZF AVE 130輪邊電機的結構示意圖

荷蘭e-Traction公司的輪轂電機

輪邊電機推進系統(tǒng)

輪邊電機推進系統(tǒng)通常由電動機、行星減速機構、制動器與散熱系統(tǒng)等組成，其結構形式細分為基于內轉子型的輪邊推進系統(tǒng)和基于外轉子型電動機的輪邊推進系統(tǒng)。內轉子型輪邊驅動系統(tǒng)采用高轉速范圍、低轉矩特性的電動機，為滿足車輪實際的轉速要求，需匹配一個行星齒輪減速機構；外轉子型輪邊推進系統(tǒng)則采用低轉速、高轉矩特性的電動機。采埃孚基于單獨輪邊的電機驅動開發(fā)的AVE 130電驅門式橋，專門應用于經(jīng)濟和節(jié)能型城市巴士，可匹配應用于混合動力、無軌電車，純電動或燃料電池巴士。

輪內電機推進系統(tǒng)

輪內電機推進系統(tǒng)將電動機、傳動和制動裝置整合到輪輞內。減速驅動型輪轂電機優(yōu)點是轉速高、質量輕、效率高、噪聲小、成本低；其缺點是電動機的轉速較高，必須另外采用行星齒輪減速裝置以獲得較大的轉矩和較低的轉速，因此驅動輪的質量比傳統(tǒng)汽車車輪質量大些，從而導致汽車的非簧載質量增力口，不利于汽車的行駛穩(wěn)定性和平順性；行星齒輪機構的機械磨損降低了傳動效率。米其林的主動車輪（Active Wheel）、舍弗勒的電動輪（eWheelDrive）、普利斯通的輪內電機（In-wheel Motor）等屬于這類。

從車輪驅動控制的觀點來看，采用輪內電機具有一些先天優(yōu)勢。四個車輪都安裝輪內電機，客車立刻變成四輪驅動車，且各車輪的動力還是完全獨立控制，哪一個車輪需要動力時，電機控制器可以直接提高輸出電流、提升特定車輪驅動電機動力；當感測到某一輪胎開始打滑時，電機控制器也可以調整電流輸出，降低特定車輪驅動電機動力。四輪獨立動力控制可以完全用軟件程控的方式輕松但精確地達成，不需要像傳統(tǒng)機械式的傳動系統(tǒng)，得靠差速器復雜又有些勉強地對車輪作動力分配。

制動能量回收系統(tǒng)（Braking Energy Recovery System）是將車輛制動時的動能回收儲存起來并且為以后使用的系統(tǒng)。理論上講，輪內電動機還可以轉變成發(fā)電機，車輛在制動或慣性滑行中釋放出的多余能量，通過發(fā)電機將其轉化為電能，存儲在電池或超級電容中。由于電容的充放電速度比較快，在客車制動減速的瞬間可以吸收更多的電能。而電池經(jīng)過頻繁的充放電后容易衰退，現(xiàn)代的制動能量回收系統(tǒng)越來越多地采用超級電容來儲能，一般認為，在車輛非緊急制動的普通制動情況下，約1/5的能量可以回收，制動能量回收也成為電動客車的重要技術和特點之一。

在輪輞內有限的空間布置制動盤、制動卡鉗、減速器、電動機、叉臂連接點等，造成結構復雜，增加制造難度，生產(chǎn)成本上升，也增加車輪重量，影響避震、加速、剎車等，電機工作環(huán)境惡劣。

輪轂電機推進系統(tǒng)

輪轂電機推進系統(tǒng)沒有行星齒輪減速機構，采用與車輪轉速范圍相當?shù)牡娃D速高轉矩特性外轉子電動機，將電動機定子與車輪軸合二為一，直接將外轉子電動機的轉子部分安裝在車輪的輪輞上，完全消除機械式齒輪傳輸環(huán)節(jié)，電動機直接驅動車輪旋轉，驅動車輛行駛。輪轂電機集驅動、制動和承載等多種功能于一體，輪轂電機利用霍爾效應的磁極偵測信號及電動機電流回授，估測轉子磁場角位置，配合磁場導向控制以完成向量控制，并減少轉矩抖動的波動。具有高效率與節(jié)能的優(yōu)勢，較大的車內空間配置，優(yōu)化設計難度大，荷蘭e-Traction的公司的TheWheel輪轂電機為直接傳動同步電機推進解決方案。

無傳動裝置直接傳動的輪轂電機省去了帶傳動齒輪所必要的所有維護時間和維護措施，也沒有受系統(tǒng)所制約的可能出現(xiàn)的齒輪箱漏油問題。在某種程度上可以說，現(xiàn)代與傳統(tǒng)電動客車推進系統(tǒng)的本質差異在于是否使用傳動裝置。輪轂電機的轉子直接驅動輪轂旋轉（轉速較低），電動能轉化為動能驅動車輪行駛，減少車輛滾動阻力47%，充分體現(xiàn)其能源效率，完全擺脫機械傳動系統(tǒng)的約束，使電氣化集成控制成為可能。通過電子控制器實現(xiàn)每個輪轂從零到最大速度之間的無級變速和輪轂之間的差速要求，動力控制成為軟連接，理論上，輪轂電機系統(tǒng)是電動汽車發(fā)展的最終驅動形式，與內燃機和中央式電動機等傳統(tǒng)集中驅動方式相比, 其動力配置、傳動結構、操控性能、能源利用等方面的技術優(yōu)勢極為明顯。

德國工程師費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）早在1900年就開發(fā)出世界上第一部采用輪內電機推進系統(tǒng)（前輪分別用輪內電機）的電動汽車（Lohner Porsche），時速可達56公里，在巴黎世界博覽會上展出并賣出300多輛。而內燃機動力的大幅提升，超越了輪內電機在傳動效率上的優(yōu)勢，汽車動力技術走向內燃機一統(tǒng)天下的局面。

內燃機與電動機的百年PK

德國工程師費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）早在1900年就開發(fā)出世界上第一部采用輪內電機推進系統(tǒng)（前輪分別用輪內電機）的電動汽車（Lohner Porsche），時速可達56公里，在巴黎世界博覽會上展出并賣出300多輛。而內燃機動力的大幅提升，超越了輪內電機在傳動效率上的優(yōu)勢，汽車動力技術走向內燃機一統(tǒng)天下的局面。

100多年后的今天，因為環(huán)保的原因，高性能電池和輪轂電機等技術的發(fā)展應用，電動汽車的商業(yè)化推廣應用再度受到關注。20世紀90年以來，許多汽車制造商都推出采用輪轂電機系統(tǒng)驅動的概念車，如TEPCO的IZA，NIES的Eco，Luciole，三菱的Colt、Lancer Evolut MIEV，本田FCX concept，通用AUTOnomy、Squel等等，汽車部件商也加大研發(fā)力度，高性能的新型輪轂電機系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，輪轂電機的門類不斷豐富，性能不斷提高，加拿大的TM4、美國的Wavecrest等。（插圖3）

電動客車的電力系統(tǒng)潮流示意圖:

100多年后的今天，因為環(huán)保的原因，高性能電池和輪轂電機等技術的發(fā)展應用，電動汽車的商業(yè)化推廣應用再度受到關注。

輪轂電機驅動系統(tǒng)把動力獨立發(fā)送到每個車輪，用軟件監(jiān)測每個車輪的運行狀況，穩(wěn)定性和牽引控制也可以嵌入，免除傳統(tǒng)汽車內的電機槽，沒必要用傳動軸和其它不同部件進行機械動力傳輸，輪轂電機因此節(jié)省車內空間和車身重量。理論上分析車輪置入電機將對汽車的操作產(chǎn)生不利影響，因為這種汽車的很多部位可以進行配置，可以彌補上述不足。

遺憾的是許多中國客車制造商和部件商選擇走捷徑的方式來發(fā)展電動客車，大多采用傳統(tǒng)客車底盤和傳動系統(tǒng)改裝而成新能源客車，整體的設計思考還是依循內燃機客車模式，把動力源從內燃機轉換成電動機，簡單地把各種性能的電池裝拼起來取代發(fā)動機裝配到客車上，電能通過中央電動機和傳動裝置（離合器、變速箱、緩速器、傳動軸、差速器和車橋等）驅動客車行駛，完全沒有根據(jù)電動客車的需求進行全新的車輛結構設計，也沒有采用新的車身材料和制造工藝（如模塊輕量化夾層板車身）。

誰才是未來的技術創(chuàng)新方向？內燃機與電動機在歐洲的百年PK歷史或許已經(jīng)給出了答案。