輪邊驅動技術在公交客車上應用探究

摘要：輪邊驅動公交客車采用4個永磁同步電機，由減速驅動將驅動力傳輸到驅動輪上，合理的扭矩分布控制策略能提高車輛的經濟性能。基于此，對公交客車輪邊驅動的驅動方式進行了介紹，并對其與常規車輛驅動系統的優缺點進行了分析，同時對其發展進行展望。

關鍵詞：公交客車;輪邊驅動;應用;發展趨勢

中圖分類號：U463收稿日期：2022-06-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.012

隨著汽車的普及，人們的生活方式發生了很大的變化，生活品質也得到了極大的改善。尤其是在最近20年間，全球能源危機和環境問題日趨嚴重，促進了對石油替代品的研究。電動汽車因其具有低排放、低能耗、能源廣泛、環境友好等優點而受到廣泛關注，與常規汽車相比，公交客車不僅在能量上有差別，在行駛模式上也存在著很大的差別。

1 公交客車的驅動方式

公交客車采用蓄電池、燃料電料、超級電容器等替代傳統的汽油、柴油發動機等動力來源，整車的動力系統與傳統的車輛有很大的區別。

1.1單個集中電機驅動

該驅動系統采用了一系列的機械驅動、差速和制動系統，只采用了電機和相應的控制元件。這種驅動模式由一臺馬達來提供電力，它的差速系統與內燃機汽車的差速系統是一樣的，而且它的操作方法和一般的汽車也是一樣的，只需要控制一個擋桿即可。通過改變馬達調速器的加速、制動、停車、倒車、空擋等信號，使其進行正、反轉、停止等操作，從而帶動車輛。

1.2 電動輪驅動

該方法拋棄了傳統的驅動式發動機的差速器和半軸，將其與電動機結合在一起即為電動輪，然后將電動輪直接裝到輪子上。這種驅動方式以電子差速取代機械式差速，要求將方向盤角度及左右兩個車輪的轉速信號傳送至馬達調速器，由馬達進行運算，再由馬達進行不同的控制，使兩邊馬達以不同的速度轉動，以達到差速。

1.3 輪轂電機驅動

在汽車改裝中，一般都是以軸伸電動機為動力，以電動機帶動輪子。輪轂電動機的驅動模式是將電動機裝在輪轂中，以扭矩為動力，從而使輪邊驅動裝置具有革新意義。這種方法還要求通過電子調速器把方向盤角度的信號傳輸到兩邊的車輪，以達到差速或者轉向的目的。通過對汽車的整體狀況和方向盤信號的檢測，對左右輪轂電機控制器進行不同的控制，從而使其能夠適應多種工況下的行車需求。

1.4 分布式驅動技術

輪邊獨立懸架驅動系統，將電機與減速箱直接安裝在獨立懸架輪邊結構中，實現高效輪邊驅動。這種驅動方式取消了傳統直驅橋的牙包和工字梁結構，實現一級踏步、全平地板，車內空間類似于地鐵，大大提高了車內的通過性能和車內站立面積，減少車內擁擠，提升乘客乘車感受。采用與獨立懸架適配的超級單胎，增加了車廂通道寬度，加快乘客在車內的流通速度，同時減少了滾動阻力，節省了輪胎使用成本。分布式驅動技術優勢如圖1所示。

單個集中電機驅動方式具有成熟的經驗，其設計和改裝時間較短，易于解決電機冷卻、防振、EMI等問題，但其主要缺陷在于驅動鏈長、占用空間大、驅動效率低，且無法獨立地控制左右驅動輪的扭矩，從而影響汽車的行駛性能。輪轂電機驅動和分布式驅動技術都屬于輪邊驅動，只是輪轂馬達是直接安裝在輪轂上的，這種結構拋棄了傳統的離合器、減速驅動、驅動系統等機械零件，降低了整車質量，降低了重心，改善了汽車的平穩性，增強了汽車的結構和空間的利用率。采用雙輪獨立控制，使汽車具有較短的驅動鏈條，具有較高的效率和較好的經濟性。但是，由于輪轂電機受到車輪大小的制約，使得電機設計、車輛運行控制等問題變得越來越復雜。

隨著電子技術、控制理論和電動機設計與制造技術的飛速發展，輪轂式電動汽車已成為眾多汽車生產廠家的首選，并有廣闊的發展空間。許多汽車公司和科研單位都對其進行了大量的研究，并將其應用于實際。美國通用公司于2005年發布了一款具有輪邊驅動的燃料電池電動車Sequel，深圳比亞迪公司研發的四輪輪邊驅動電動概念車ET，其動力為25kW，0～100km/h/小時加速8.5s。

根據輪子是否直接由馬達來驅動，輪邊驅動又可分為兩類：直接驅動和減速驅動。

a.直接驅動（transmission）。該驅動系統馬達的輸出力矩不通過減速驅動而直接施加到輪緣上，故常使用外轉子馬達。由于汽車在啟動時的扭矩很大，所以直驅式車輪驅動系統的電機在低速時必須具有很高的扭矩，而且電機必須具有很大的扭矩和轉速調整范圍，以確保汽車的動力性能。直接驅動式電動輪所使用的外轉子電動機具有軸向較小、結構簡單、比功率大、轉速范圍大、扭矩大、響應迅速等優點。不帶減速驅動的情況下，無簧的重量大幅降低，而且具有更高的驅動效率。但是為了提高電機的扭矩，需要加大電機的容積和重量。另外，直驅式的電動車輪在加速過程中效率較低，噪音較大。

b.減速驅動。這是礦用汽車最早使用的輪邊驅動裝置。與傳統的直接驅動方式相比，減速式驅動系統在電機和輪緣之間加入了一個行星驅動裝置。采用常規的內轉子電機，在適當的行星減速驅動的作用下，對車輪進行減振。這樣的驅動器可以使電機具有更高的旋轉速度，一般在4000～20000r/min之間，從而達到更高的比功率。減速驅動式輪邊驅動使電動機具有更高的旋轉速度，所以比直接驅動式的輪邊驅動系統具有更大的動力，從而使電動機的體積和質量變得更小，并且具有效率高、噪聲低、費用低廉等優點。但由于電動機的轉速較高，需要采用減速驅動來帶動輪子的轉動，因此，非簧的重量相對較大。減速驅動一般都用行星齒輪減速驅動，其結構緊湊，減速驅動的速度相對較大。

2 輪邊驅動系統的特點

輪邊驅動是一種新型的驅動形式，它具有很大的靈活性，可以按照車輛的驅動模式，將其配置在前、后、四輪的輪轂內，從而實現了前輪、后輪和四輪驅動。與常規的機械驅動相比，輪邊驅動具有如下優點：a.布置更靈活。同等總功率需求下，單臺電機功率降低，尺寸和質量均減小，使得整車布置的靈活性和車身造型設計的自由度增大，易于實現同底盤不同造型產品的多樣化，縮短產品開發周期，降低研發成本。b.驅動更簡單。機械傳動系統部分減少或全部取消，可簡化驅動系統。各驅動輪力矩的控制方式由硬連接變成軟連接，能滿足無級變速需求及實現電子差速功能。c.響應速度更快。電機驅動力矩響應迅速，正反轉靈活切換，驅動力矩瞬時響應快，惡劣工況的適應能力強。d.能耗更低。在硬件及軟件控制方面，更容易實現電氣制動、機電復合制動及再生制動，經濟性更高，續駛里程更長。e.操縱更穩定。在行駛穩定性方面，通過電機力矩的獨立控制，更容易實現對橫擺力矩、縱向力矩的控制，從而提高整車的操縱穩定性及行駛安全性。

輪邊驅動也存在以下不足：a.傳統的輪邊驅動電動汽車的輪轂馬達與輪子是剛性連接的，它的重量構成了整車的非簧載質量，導致整車的簧載與非簧載的比例偏小，從而影響整車的垂向、縱向和橫向性能，并在一定程度上影響了汽車的使用范圍和裝配。b.輪轂馬達安裝位置較低，轉動元件的密封困難增大，導致整體的涉水性能下降。c.不能將輪轂馬達完全放置在輪圈中，從而增大了汽車的迎風面積，增大了空氣的阻力，從而降低了整車的經濟性和動力性。d.由于采用了輪轂馬達，使得輪子位置的各個零件難以裝配。e.因為輪轂馬達是直接與輪子連接的，所以它受到地面不平的影響很大，尤其是對輪轂馬達的壽命有較高的要求。f.輪邊驅動系統的重量太大，對整車的舒適性有很大的影響，特別是在道路條件較差的情況下。g.由于輪邊驅動系統的重量太大，使車輪的動態負荷明顯增大，從而對車輛的安全性能和車輛的轉向性能產生不利的影響。

3 輪邊驅動系統發展趨勢

汽車輪邊驅動系統因其具有動態控制和結構布置等優點逐漸成為今后汽車發展的重點。但是，到目前為止，對輪轂電動機的研究還不夠深入，而且輪轂電動機的設計與汽車的輪轂結構設計密切相關，存在許多問題，限制了其在汽車中的應用和發展。因此，在今后的發展中，仍需進一步加強：

a.輪轂馬達技術。輪轂電動機是汽車輪邊驅動的關鍵部件，其性能的好壞將直接影響到汽車的運行。電動機車中常用的電動機，如異步電動機、永磁無刷電動機、開式磁電動機、側磁電動機等，都要根據不同的工況，對電動機的性能進行綜合考慮。另外，應加強電機的定子繞組設計、定子裂比、齒槽數優化、磁鋼尺寸優化、永磁材料的研制與保護。

b.對輪邊驅動系統進行整體輕量化設計的探討。1900年保時捷提出了一種新型的輪邊驅動系統集成設計理念。整體式輪邊驅動比傳統的輪邊驅動系統具有更高的能量密度，為系統的優化設計提供了技術支持。解決無簧超重問題的根本在于從源頭上降低輪轂馬達和其他零件的質量。采用鎂合金、鋁合金、鈦合金和復合材料等輕質、高強度材料，可以在一定程度上減輕因增加非簧載質量而帶來的不利影響。

c.一種新型的輪邊驅動系統設計方案。除前輪驅動、后輪驅動和四輪驅動外，輪邊驅動系統還可以包括2個傳統驅動輪+2個側驅動輪、2個前輪短側輪+輪轂電機+2后輪側驅動模式和短側驅動模式。合理地選用輪邊驅動方案，可以有效地減少車輛的動載和車體的加速度，改善汽車的垂直性能。

d.對控制體系的研究。控制系統是汽車輪邊驅動系統的重要組成部分，其主要內容是對控制系統進行軟硬件的研究。硬件部分為處理器、連接線、各種傳感器等;軟件部分包括算法、控制策略等相關系統。控制系統要與微電子、電腦技術相結合，向精密、復雜、耐用、靈敏、可靠的方向發展。另外，還要對系統的成本、空間布局、過載保護等問題進行深入的探討。

e.一種電子差速器的研制。雖然采用了輪邊驅動，但是為了保證汽車的操控穩定性和乘坐舒適性，也必須采用差速機構。由于車輪是直接由電機來驅動，所以采用差速控制是最好的選擇。電子差速系統是利用一系列的算法，通過電子調速器的不同指令，來控制左右車輪的差速，從而使差速系統的差速性能受到很大的影響。

4 半實物仿真與實車試驗

4.1 硬件在環試驗

在DSPACE平臺上進行了硬件在環實驗，利用Simulink 構建了基于Simulink的CAN接口，利用Simu- link 構建了一個基于DSI104的駕駛員模型，并利用In-fineon.TriCore芯片實現了車輛的仿真。在0～40km/h的加速條件下，對路面附著系數為0.8且速度為40km/h進行了試驗，并將駕駛員的駕駛信息裝載到dSPACEI104中。在環路上的硬件速度曲線與軟件模擬曲線進行了比較，結果表明車輛行駛速度與所期望的行駛狀態基本一致。在加速踏板開度大的情況下，根據所計算的最優扭矩分布比例，對四臺電動機進行扭矩分配。在速度達到40km/h，需要電動機提供更少的扭矩來抵消運行阻力，以確保車輛在接近均勻的速度下運行，與所期望的設計目標相一致。由上述結果可以看出，這種方法在實際測試中具有很好的實時性。

4.2 實車試驗

本樣車是從一家汽車制造廠提供的樣車改裝而來，測試樣車和測試場地如圖2所示，具體參數已在上文進行了說明。

4.2.1 踏板平滑處理實車試驗與分析

在車速為26km/h，在同一路段獲取的加速器板信號，表1中顯示了在踏板處理之前和之后的能量消耗。從加速踏板曲線的比較可以看出，在處理之后，油門信號的起伏要比處理之前小得多。在經過光滑的踏板之后，輸出的電流比較穩定。能量消耗方面，如表1所示，在使用油門踏板進行光滑處理后，能量消耗比未經處理的減少了9.32%。

4.2.2最佳轉矩分配實車試驗與分析

進行了40 km/h均勻轉速的現場實驗，并對均勻轉速下的轉矩分布和經濟扭矩分布進行了研究。因為是在現場進行的，所以盡量滿足試驗條件，以確保安全。根據經濟扭矩分布的實際汽車測試速度，在達到目標速度時進行等速測試，在表2中給出了能量消耗比較的結果。在油門踏板開度大的情況下是四輪驅動，而在油門踏板開度小的情況下是后輪驅動。四個電動機扭矩與油門踏板的開啟趨勢基本吻合，具有很好的實時性。在汽車進入等速狀態時，分別采用了平均扭矩分配和經濟扭矩分配兩種方法。在達到目標速度之后，電動機僅需要輸出很小的扭矩就能克服運行阻力，然后根據經濟性的扭矩分布把扭矩分配給后兩臺電動機。當電池剩余電量（SOC）相近時，相同的預期扭矩和不同的分配模式所產生的能量消耗也會有差異，而以經濟為基礎的扭矩分布所產生的電流比平均扭矩分布要小。如表2所示，與平均扭矩分配模式相比，以經濟為基礎的扭矩分配模式可以減少2.35% 。

5結語

汽車輪邊驅動是公交車車輛的關鍵部件，它在車輛動力學控制﹑整車結構布局、車輛性能等方面具有顯著的優越性，因此，開展輪邊驅動系統的研制，對于促進公交車輛的快速發展具有重要意義。目前，輪邊驅動技術已成為當今世界各國汽車和輪胎生產企業發展的重要技術。

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作者簡介：

潘利丹，女，1985年生，高級講師，研究方向為汽車技術。