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(jī) 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(jì)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(jī)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(jìn)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(yuǎn)的。本文通過整理國際上創(chuàng)新技術(shù)文獻(xiàn)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(jī)（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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)只是取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，成為了動力輸出單元，沒有對底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。

圖1 傳統(tǒng)電驅(qū)動結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)和線控技術(shù)的出現(xiàn)，將推動汽車電動化進(jìn)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(jī)

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

輪轂電機(jī)的主要優(yōu)勢在于以下6個方面：

（1）輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)艙空間；

（3）輪轂電機(jī)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(jī)對整車的軸距、輪距等敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)釋放機(jī)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(kuò)大乘員艙空間，拓展整車的造型風(fēng)格；

（6）輪轂電機(jī)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(qiáng)駕駛樂趣；

3.1 輪轂電機(jī)的布置形式

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

圖2 輪轂電機(jī)分類關(guān)系

3.1.1 偏軸輪轂電機(jī)

偏軸輪轂電機(jī)（如圖3）一般采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)配備固定傳動比的減速器從而實現(xiàn)整車對輪轂電機(jī)產(chǎn)品性能的需求。減速輪轂電機(jī)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(jī)系統(tǒng)對電機(jī)本體需求不高，但是由于減速器的加入導(dǎo)致輪轂電機(jī)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(jī)的構(gòu)型特點導(dǎo)致其電機(jī)本體與電機(jī)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(jī)

同軸減速電機(jī)（如圖4）是介于直驅(qū)輪轂電機(jī)與偏軸輪轂電機(jī)之間的一種方案，一般采用小速比減速器實現(xiàn)電機(jī)與輪輞的同軸輸出。綜合考慮，一般電機(jī)本體成本小于直驅(qū)電機(jī)而大于偏軸電機(jī)，電機(jī)本體體積較大，由于電機(jī)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(jī)代表機(jī)型：豐田減速輪轂電機(jī)[3]

圖4 同軸減速電機(jī)：舍弗勒行星齒輪減速輪轂電機(jī)[4]

3.1.3 直驅(qū)輪轂電機(jī)

直驅(qū)輪轂電機(jī)（如圖5）轉(zhuǎn)子部分直接連接輪轂軸承及輪輞，電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速相同，無傳動機(jī)構(gòu)。直驅(qū)輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)，密封線速度高，難度大。另外由于直驅(qū)輪轂電機(jī)方案會侵占傳統(tǒng)制動盤空間，因此如何對制動系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計也是直驅(qū)輪轂電機(jī)應(yīng)用的主要難點。直驅(qū)輪轂電機(jī)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(jī)釋放機(jī)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(jī)（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(jī)，需要對傳統(tǒng)盤式制動器進(jìn)行較大改動或進(jìn)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(jī)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(jī)前懸架布置圖（Protean PD18電機(jī)）[5]

（2）典型的減速輪轂電機(jī)，基本對傳統(tǒng)底盤進(jìn)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(jī)支架的連接點相對于傳統(tǒng)底盤的改動量也遠(yuǎn)小于直驅(qū)輪轂電機(jī)。

圖7 典型的減速輪轂電機(jī)前懸架整車布置（NTN輪轂電機(jī)）[6]

3.2 輪轂電機(jī)帶來的性能革新

輪轂電機(jī)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(jī)扭矩來提升ABS、TCS、ESC的性能水平。并且由于電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的制動距離縮短了6 m，占7%左右。

表2 輪轂電機(jī)對整車性能的影響

圖9 典型的輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)與傳統(tǒng)驅(qū)動總成制動力分配對比[3]

3.2.3 輪轂電機(jī)對整車牽引力控制系統(tǒng)的影響

由于輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jìn)行車輛姿勢的控制

由于輪轂電機(jī)與傳統(tǒng)動力總成的驅(qū)動力作用點位置不同，輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)一個車輪相當(dāng)于簧下配置了30～35 kg的電機(jī)，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(jìn)行了對比試驗并進(jìn)行了主觀評價（Vehicle Evalua-tion Rating，VER）證明了這一點[5]，即達(dá)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(jī)對整車質(zhì)量的影響

采用輪轂電機(jī)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(jìn)行對比，搭載輪轂電機(jī)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(jī)比集中式電機(jī)輕34.5%。

圖17 搭載輪轂電機(jī)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(jī)質(zhì)量對比

4 線控轉(zhuǎn)向

制約輪轂電機(jī)推廣的一個重大難點就在于，絕大多數(shù)輪轂電機(jī)，尤其是直驅(qū)輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)又能滿足懸架性能需求的解決方案而放棄輪轂電機(jī)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(jī)將以懸架主銷為軸的轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)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(jī)提供更大的布置空間，增大了輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)整車的商品魅點。

線控轉(zhuǎn)向是以輪轂電機(jī)為前提，去掉轉(zhuǎn)向軸，通過配置在主銷上的轉(zhuǎn)向電機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向線控化

依靠輪邊轉(zhuǎn)向電機(jī)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(jī)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(jī)實現(xiàn)的輪胎轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

4.2 集成輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)匹配的底盤為底盤控制技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

輪轂電機(jī)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(jī)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(jī)汽車性能控制提出了新要求，要實現(xiàn)輪轂電機(jī)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?，亟待確認(rèn)的問題為輪轂電機(jī)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(jìn)是輪轂電機(jī)底盤技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

雖然輪轂電機(jī)底盤技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但是各汽車主機(jī)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(jī)的創(chuàng)新底盤技術(shù)的汽車產(chǎn)品投放市場。