曹洋 蒼衍

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013；2.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春130013）

主題詞：電動汽車 底盤 輪轂電機 線控技術(shù) 動態(tài)性能 創(chuàng)新性駐車

1 前言

當(dāng)今全球汽車工業(yè)在工業(yè)4.0的大背景下，正在向著電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化發(fā)展，汽車工業(yè)正在被顛覆式的創(chuàng)新技術(shù)所顛覆。智慧城市智能汽車智能交通的發(fā)展為電動汽車顛覆式技術(shù)創(chuàng)新提出了挑戰(zhàn)與需求。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化水平越來越高，中國城市發(fā)展面臨特殊性，中國土地資源有限，千人擁車數(shù)量、城市停車空間和高效率運行對對汽車的要求越來越高。

電動車技術(shù)正處在創(chuàng)新與成長階段，承載汽車運動性能的底盤技術(shù)是電動汽車顛覆式技術(shù)創(chuàng)新的核心之一。輪轂電機和線控轉(zhuǎn)向（IWMSW）技術(shù)的應(yīng)用正在推動底盤技術(shù)顛覆式創(chuàng)新，從而獲得更好的電動汽車底盤動態(tài)特性和操控性能，同時結(jié)合制動能量回收技術(shù)，更進一步實現(xiàn)節(jié)能。這種顛覆式的技術(shù)對底盤構(gòu)架、對底盤控制，包括軟件和硬件的影響將是深遠的。本文通過整理國際上創(chuàng)新技術(shù)文獻資料，論述了電動車底盤現(xiàn)狀和其技術(shù)可行性。

2 電動車底盤的技術(shù)動向

為了降低油耗和排放，動力系統(tǒng)正在從傳統(tǒng)的內(nèi)燃機（ICE）向電驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這已經(jīng)成為汽車電動化的趨勢，這是一個革命性的轉(zhuǎn)變。德國Strategy Engineers咨詢公司的Christian Koehler在2018年亞琛國際汽車與發(fā)動機技術(shù)論壇上發(fā)表了關(guān)于電動移動出行的演講，認(rèn)為2030年傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車市場占有率將下降到35%左右，電動化的動力總成（xEV）中純電動汽車將達到24%[1]。AVL咨詢公司的Brendel博士也認(rèn)為，到2037年左右，全球新注冊汽車將全部實現(xiàn)純電動和燃料電池汽車，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車將逐漸消失在人類移動出行的歷史中[2]。

在汽車革命性的電動化道路上，由于電機驅(qū)動具有低噪音、優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)和良好的控制性等優(yōu)勢，電驅(qū)動應(yīng)用在底盤技術(shù)創(chuàng)新、提升整車駕駛性方面將大有作為。在電驅(qū)動的早期結(jié)構(gòu)中（圖1），電動機只是取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，成為了動力輸出單元，沒有對底盤結(jié)構(gòu)進行改變。

圖1 傳統(tǒng)電驅(qū)動結(jié)構(gòu)

輪轂電機和線控技術(shù)的出現(xiàn)，將推動汽車電動化進入新時代，將徹底顛覆傳統(tǒng)車輛底盤構(gòu)架（表1），這種顛覆性創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)車輛運動性能，同時也大幅度提升車輛的操控性能，更加適合與智慧城市與智能交通的新挑戰(zhàn)與新需求。

表1 從排放對策到電動車創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)變

3 輪轂電機

輪轂電機是分布式驅(qū)動系統(tǒng)的一種實現(xiàn)形式，由于輪轂電機總成或者輪轂電機總成大部分結(jié)構(gòu)布置在輪輞內(nèi)部而得名。

輪轂電機的主要優(yōu)勢在于以下6個方面：

（1）輪轂電機通過取消傳統(tǒng)的傳動部件，如半軸等，減少了驅(qū)動傳遞損失，也可以優(yōu)化再生制動效率，從而實現(xiàn)整車整個系統(tǒng)的輕量化、高效率；

（2）輪轂電機的動力源直接安裝在車輪，節(jié)省了傳統(tǒng)動力總成的布置空間，解放了機艙空間；

（3）輪轂電機的四輪動力輸出可以完全獨立，實現(xiàn)真正的整車分布控制；

（4）輪轂電機對整車的軸距、輪距等敏感性遠遠小于傳統(tǒng)動力總成，有利于底盤的模塊化設(shè)計；

（5）輪轂電機釋放機艙、集成于底盤的特性可以實現(xiàn)四輪四角的整車構(gòu)型，有利于擴大乘員艙空間，拓展整車的造型風(fēng)格；

（6）輪轂電機可以實現(xiàn)相對于傳統(tǒng)汽車更大的轉(zhuǎn)向角，增加整車不同轉(zhuǎn)向功能，增強駕駛樂趣；

3.1 輪轂電機的布置形式

一般地，輪轂電機根據(jù)有無減速機構(gòu)可以分為減速電機和直驅(qū)電機。也可以根據(jù)與輪輞的布置關(guān)系分為，偏軸電機與同軸電機。各輪轂電機分類關(guān)系見圖2，代表機型見圖3～圖7，本節(jié)對各布置結(jié)構(gòu)的特點進行分析。

圖2 輪轂電機分類關(guān)系

3.1.1 偏軸輪轂電機

偏軸輪轂電機（如圖3）一般采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機配備固定傳動比的減速器從而實現(xiàn)整車對輪轂電機產(chǎn)品性能的需求。減速輪轂電機的優(yōu)勢在于體積小，輕量化更好，成本相對更低、可以通過減速器的偏軸結(jié)構(gòu)布置更靈活，對傳統(tǒng)懸架制動系統(tǒng)兼容性更高。減速輪轂電機系統(tǒng)對電機本體需求不高，但是由于減速器的加入導(dǎo)致輪轂電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，潤滑難度大，因此減速齒輪的緊湊化、低噪音、長壽命設(shè)計是整個系統(tǒng)的設(shè)計難點.另外，一般地，偏軸輪轂電機的構(gòu)型特點導(dǎo)致其電機本體與電機控制器為分體設(shè)計，控制器布置在副車架上，與傳統(tǒng)集中式電驅(qū)動系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)差別不大。

3.1.2 同軸減速電機

同軸減速電機（如圖4）是介于直驅(qū)輪轂電機與偏軸輪轂電機之間的一種方案，一般采用小速比減速器實現(xiàn)電機與輪輞的同軸輸出。綜合考慮，一般電機本體成本小于直驅(qū)電機而大于偏軸電機，電機本體體積較大，由于電機減速器同軸布置，整車懸架布置，尤其是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向輪上的布置尤其困難。

圖3 偏軸電機代表機型：豐田減速輪轂電機[3]

圖4 同軸減速電機：舍弗勒行星齒輪減速輪轂電機[4]

3.1.3 直驅(qū)輪轂電機

直驅(qū)輪轂電機（如圖5）轉(zhuǎn)子部分直接連接輪轂軸承及輪輞，電機轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速相同，無傳動機構(gòu)。直驅(qū)輪轂電機有著結(jié)構(gòu)相對簡單、無傳動損耗，總成最高效率點優(yōu)于減速方案，但是缺少減速增扭裝置，導(dǎo)致電機本體尺寸過大，成本高，永磁體退磁風(fēng)險更大，部分采用外轉(zhuǎn)子方案的輪轂電機，密封線速度高，難度大。另外由于直驅(qū)輪轂電機方案會侵占傳統(tǒng)制動盤空間，因此如何對制動系統(tǒng)進行創(chuàng)新性設(shè)計也是直驅(qū)輪轂電機應(yīng)用的主要難點。直驅(qū)輪轂電機的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，另控制器具備集成在簧下的可能性更大，采用這種集成式控制器的輪轂電機釋放機艙空間，解放整車造型的優(yōu)勢更加明顯。

圖5 典型的直驅(qū)輪轂電機（Protean PD18）[5]

3.1.4 布置結(jié)構(gòu)對整車底盤影響

（1）典型的直驅(qū)輪轂電機，需要對傳統(tǒng)盤式制動器進行較大改動或進行創(chuàng)新式設(shè)計（如圖6）。懸架的上下控制臂及轉(zhuǎn)向拉桿與電機支架的連接點多集中于輪轂軸心附近。

圖6 典型的直驅(qū)輪轂電機前懸架布置圖（Protean PD18電機）[5]

（2）典型的減速輪轂電機，基本對傳統(tǒng)底盤進行避讓設(shè)計（如圖7）。多采用傳統(tǒng)制動盤，懸架的上下控制臂及轉(zhuǎn)向拉桿與電機支架的連接點相對于傳統(tǒng)底盤的改動量也遠小于直驅(qū)輪轂電機。

圖7 典型的減速輪轂電機前懸架整車布置（NTN輪轂電機）[6]

3.2 輪轂電機帶來的性能革新

輪轂電機可以實現(xiàn)左右輪/前后輪獨立控制，所以，可以通過控制電機扭矩來提升ABS、TCS、ESC的性能水平。并且由于電機的高響應(yīng)性，接近零延遲響應(yīng)的特性可以實現(xiàn)車輛敏銳的控制，輪轂電機給整車性能的影響也是巨大的，主要是對性能的6大方面帶來好處，詳見表2，典型的輪轂電機控制平臺與傳統(tǒng)驅(qū)動總成控制平臺對比見圖8。

圖8 典型的輪轂電機控制平臺與傳統(tǒng)驅(qū)動總成控制平臺對比

3.2.1 縮短制動距離

由于采用電機控制幾乎沒有延遲，側(cè)滑控制精度大大提升，可以縮短停止距離，在50 km/h車速，摩擦系數(shù)μ≈0.1路面上時，如圖9所示，集成輪轂電機的制動距離縮短了6 m，占7%左右。

表2 輪轂電機對整車性能的影響

圖9 典型的輪轂電機控制平臺與傳統(tǒng)驅(qū)動總成控制平臺制動性能對比[3]

3.2.2 降低對液壓制動器的需求

由于電機本身也能產(chǎn)生制動力，因此油壓制動分擔(dān)的部分也可以減小。并且，輪端的電機控制沒有延遲，制動起效延遲也會減?。▓D10）。

圖10 典型的輪轂電機與傳統(tǒng)驅(qū)動總成制動力分配對比[3]

3.2.3 輪轂電機對整車牽引力控制系統(tǒng)的影響

由于輪轂電機的高響應(yīng)性特性以及能夠區(qū)別與傳統(tǒng)動力總成，可以左右輪分別控制的特征，在理論上可以提高低附路面的汽車加速性能。并且通過左右輪單獨控制，可以使得整車的平擺變化減少，從而使車輛可以更加穩(wěn)定的直線行駛。在0～100 km/h加速過程中，在摩擦系數(shù)μ≈0.1路面上時，如圖11所示，集成輪轂電機整車的所需時間少用0.5秒，占加速性能3%左右。

3.2.4 集成輪轂電機，可以補正不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向

如圖12，在轉(zhuǎn)向不足的過程中，整車控制系統(tǒng)通過給右后側(cè)輪胎分配扭矩，可以驅(qū)動整車沿著右側(cè)正確道路行駛。在轉(zhuǎn)彎過度危險的過度轉(zhuǎn)向過程中，給右后側(cè)輪胎分配扭矩，可以驅(qū)動整車沿著左側(cè)正確道路行駛。

圖11 典型的輪轂電機平臺與傳統(tǒng)驅(qū)動總成平臺直線加速性能對比[3]

圖12 依靠扭矩矢量控制改善整車轉(zhuǎn)向性能

3.2.5 依靠接地面驅(qū)動力控制來進行車輛姿勢的控制

由于輪轂電機與傳統(tǒng)動力總成的驅(qū)動力作用點位置不同，輪轂電機驅(qū)動力作用點在輪胎的接地點。因此，如圖13～15，通過上下分力的控制，如果活用在前后輪上的話就可以控制俯仰，如果活用在左右輪上的話就可以控制側(cè)傾。因此，通過輪轂電機的轉(zhuǎn)矩分配可以控制車輛姿勢/舒適性。對于4輪驅(qū)動的整車構(gòu)架，車輛姿態(tài)控制效果更佳明顯。

圖13 輪轂電機接地面的驅(qū)動力產(chǎn)生的上下方向分力

圖14 俯仰控制

圖15 側(cè)傾控制

3.2.6 簧下質(zhì)量上升給舒適性帶來的影響[5]

一般來說，簧下質(zhì)量增加將導(dǎo)致舒適性惡化。雖然輪轂電機一個車輪相當(dāng)于簧下配置了30～35 kg的電機，但是實際上對舒適性的影響較小。Anderson通過在原型車2007 Ford Focus輪胎上增加30 kg砝碼，進行了對比試驗并進行了主觀評價（Vehicle Evalua-tion Rating，VER）證明了這一點[5]，即達到了市場上常見的6～8分的一般舒適性水平，見圖16。

圖16 傳統(tǒng)汽車與車輪增加砝碼的實車舒適性評價[5]

3.3 輪轂電機對整車質(zhì)量的影響

采用輪轂電機的整車構(gòu)架可以顯著降低整車質(zhì)量。以A級車為例，計算底盤與驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量進行對比，搭載輪轂電機的整車質(zhì)量降低100 kg左右，其中，底盤質(zhì)量降低25 kg，驅(qū)動傳動相關(guān)部分減重78 kg（圖17～圖18），輪轂電機比集中式電機輕34.5%。

圖17 搭載輪轂電機對底盤與驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的影響

圖18 兩輪驅(qū)動的傳統(tǒng)驅(qū)動傳動總成與輪轂電機質(zhì)量對比

4 線控轉(zhuǎn)向

制約輪轂電機推廣的一個重大難點就在于，絕大多數(shù)輪轂電機，尤其是直驅(qū)輪轂電機為了滿足整車正常行駛的驅(qū)動性能需求，在輪輞內(nèi)占用過多空間。整車使用輪轂電機就必須移動一些傳統(tǒng)懸架原本布置在輪輞內(nèi)的結(jié)構(gòu)位置，如下控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿等，而這些結(jié)構(gòu)硬點位置與懸架性能等密切相關(guān)。因此一些以傳統(tǒng)懸架為基礎(chǔ)的整車，由于無法找到既能夠避讓輪轂電機又能滿足懸架性能需求的解決方案而放棄輪轂電機方案。

主銷轉(zhuǎn)向技術(shù)如果可以實現(xiàn)商用化，可以在很大程度上解決上述問題。主銷轉(zhuǎn)向技術(shù)是將傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)取消，利用轉(zhuǎn)向電機將以懸架主銷為軸的轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向的一種技術(shù)，這種技術(shù)對輪轂電機的最大好處就在于，其更容易將懸架的主要零部件都從輪輞內(nèi)部移動至輪輞外部，為輪轂電機提供更大的布置空間，增大了輪轂電機在整車應(yīng)用上的可行性。另外，由于主銷轉(zhuǎn)向沒有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向拉桿對車輪轉(zhuǎn)向角的限制，更有利于采用輪轂電機的整車實現(xiàn)蟹行、360°轉(zhuǎn)向等獨特功能，增加應(yīng)用輪轂電機整車的商品魅點。

線控轉(zhuǎn)向是以輪轂電機為前提，去掉轉(zhuǎn)向軸，通過配置在主銷上的轉(zhuǎn)向電機，實現(xiàn)輪胎轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)，圖19～圖21展示了從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展到線控轉(zhuǎn)向的歷史。

4.1 線控轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的變遷

（1）方向盤與輪胎通過轉(zhuǎn)向軸連接的現(xiàn)行系統(tǒng)

現(xiàn)行系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向輸入力與輪胎反作用力（反饋)干涉，駕駛產(chǎn)生不協(xié)調(diào)感覺。另外，由于機械系統(tǒng)的扭曲和摩擦使得方向盤到輪胎轉(zhuǎn)向產(chǎn)生延遲（圖19）。

圖19 現(xiàn)行方向盤與輪胎直連系統(tǒng)

（2）改善轉(zhuǎn)向感覺的線控轉(zhuǎn)向

為了改善轉(zhuǎn)向感覺，在現(xiàn)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上去掉轉(zhuǎn)向軸，輪胎轉(zhuǎn)向由機械式改為電子控制式（圖20）。

圖20 能夠帶來轉(zhuǎn)向感覺改善的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

3）依靠轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向線控化

依靠輪邊轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向線控化，取消轉(zhuǎn)向器，依靠主銷上部的轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)（圖21）。通過這樣，轉(zhuǎn)向感覺改善，并且消除了應(yīng)答延遲，車軸間完全空出空間，輪胎的限制也消失了。

圖21 依靠轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)的輪胎轉(zhuǎn)向機構(gòu)

4.2 集成輪轂電機的線控轉(zhuǎn)向的實例—The Schaefller Mover[7]

2018年，舍弗勒公司發(fā)布了The Schaefller Mover系統(tǒng)（圖22），該技術(shù)已經(jīng)接近成熟，滿足整車需求，轉(zhuǎn)向軸心位于輪輞內(nèi)部，車輪轉(zhuǎn)向包絡(luò)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方案基本一致。該方案匹配的輪轂電機可以實現(xiàn)24 kW，500 N·m的輪端性能。

圖22 舍弗勒公司輪轂電機及The Schaefller Mover系統(tǒng)[7]

4.3 線控結(jié)合輪邊轉(zhuǎn)向的創(chuàng)新技術(shù)

4.3.1 性能方面

通過輪轂電機和線控轉(zhuǎn)向的組合，四輪獨立扭矩控制與轉(zhuǎn)向控制成為可能。與現(xiàn)在汽油車和集中式電機電動車相比，無論是干燥路面還是冰雪路面，更好的運動性能值得人們期待。另外，由于沉重的電池布置在地板下，車輛重心降低，行駛穩(wěn)定性提升。

4.3.2 轉(zhuǎn)向方式方面

由于集成輪轂電機的全新輪邊轉(zhuǎn)向取消了轉(zhuǎn)向器，使得多種特殊的轉(zhuǎn)向模式成為了可能（圖23），包括快速換道、側(cè)方停車、小半徑轉(zhuǎn)彎和原地掉頭。

圖23 輪邊轉(zhuǎn)向優(yōu)勢[7]

4.3.3 拓展整車構(gòu)型

（1）模塊化實現(xiàn)多種尺寸車輛

集成輪轂電機系統(tǒng)可以模塊化為配置在四角的集成模塊，從而使得輪距和軸距自由變換，車輛尺寸可以自由改變，這一點對于商品規(guī)劃和生產(chǎn)方面具有巨大好處（圖24）。

圖24 通用的控制模塊實現(xiàn)車寬和車長的變換[7]

（2）作為多功能車的靈活應(yīng)用

不僅僅是傳統(tǒng)的轎車，還可以作為移動、物流、售貨車等多功能車輛擴展。由于沒有驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向軸，可以實現(xiàn)平而低的地板平臺（圖25～26）。豐田已經(jīng)發(fā)布了類似的車型e-Palette（圖27）[8]。

圖25 集成輪轂電機的低地板平臺

圖26 傳統(tǒng)底盤

圖27 豐田的e-Palette 系列[8]

5 結(jié)束語—基于底盤創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)的全新課題

輪轂電機技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)汽車底盤技術(shù)，為開發(fā)顛覆性的多用途汽車產(chǎn)品提供了廣闊的空間，顛覆性的底盤技術(shù)為研發(fā)智慧城市需要的可擴展的智慧汽車提供了技術(shù)基礎(chǔ)，但是顛覆性的輪轂電機匹配的底盤為底盤控制技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

輪轂電機底盤要實現(xiàn)創(chuàng)新的電子控制，離不開成熟的控制技術(shù)。

在性能方面，輪轂電機矢量扭矩控制、側(cè)滑控制和線控轉(zhuǎn)向4輪獨立轉(zhuǎn)彎控制、轉(zhuǎn)角速度控制、大轉(zhuǎn)角駐車控制為輪轂電機汽車性能控制提出了新要求，要實現(xiàn)輪轂電機的高性能，要完成的很多控制技術(shù)。

比如安全方面，由于電氣系統(tǒng)失靈導(dǎo)致無法轉(zhuǎn)彎時，如何修復(fù)？由于控制系統(tǒng)不良導(dǎo)致系統(tǒng)誤啟動時如何修復(fù)？

此時，是否要加入適當(dāng)?shù)氖ПＵ系龋酱_認(rèn)的問題為輪轂電機底盤控制技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的考驗。

另外，安全性即使在開發(fā)階段被解決，批量產(chǎn)品仍需要經(jīng)過市場考驗，如何在產(chǎn)品投放市場后持續(xù)改進是輪轂電機底盤技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

雖然輪轂電機底盤技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但是各汽車主機廠正在集結(jié)力量研究解決方法，期待不久的將來會有越來越多的基于輪轂電機的創(chuàng)新底盤技術(shù)的汽車產(chǎn)品投放市場。