摘要：輪邊驅(qū)動公交客車采用4個永磁同步電機(jī)，由減速驅(qū)動將驅(qū)動力傳輸?shù)津?qū)動輪上，合理的扭矩分布控制策略能提高車輛的經(jīng)濟(jì)性能?；诖耍瑢豢蛙囕嗊咈?qū)動的驅(qū)動方式進(jìn)行了介紹，并對其與常規(guī)車輛驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，同時對其發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：公交客車;輪邊驅(qū)動;應(yīng)用;發(fā)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(fā)生了很大的變化，生活品質(zhì)也得到了極大的改善。尤其是在最近20年間，全球能源危機(jī)和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，促進(jìn)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(huán)境友好等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注，與常規(guī)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(qū)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(tǒng)的汽油、柴油發(fā)動機(jī)等動力來源，整車的動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的車輛有很大的區(qū)別。

1.1單個集中電機(jī)驅(qū)動

該驅(qū)動系統(tǒng)采用了一系列的機(jī)械驅(qū)動、差速和制動系統(tǒng)，只采用了電機(jī)和相應(yīng)的控制元件。這種驅(qū)動模式由一臺馬達(dá)來提供電力，它的差速系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)汽車的差速系統(tǒng)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(dá)調(diào)速器的加速、制動、停車、倒車、空擋等信號，使其進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)、停止等操作，從而帶動車輛。

1.2 電動輪驅(qū)動

該方法拋棄了傳統(tǒng)的驅(qū)動式發(fā)動機(jī)的差速器和半軸，將其與電動機(jī)結(jié)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(qū)動方式以電子差速取代機(jī)械式差速，要求將方向盤角度及左右兩個車輪的轉(zhuǎn)速信號傳送至馬達(dá)調(diào)速器，由馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)算，再由馬達(dá)進(jìn)行不同的控制，使兩邊馬達(dá)以不同的速度轉(zhuǎn)動，以達(dá)到差速。

1.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動

在汽車改裝中，一般都是以軸伸電動機(jī)為動力，以電動機(jī)帶動輪子。輪轂電動機(jī)的驅(qū)動模式是將電動機(jī)裝在輪轂中，以扭矩為動力，從而使輪邊驅(qū)動裝置具有革新意義。這種方法還要求通過電子調(diào)速器把方向盤角度的信號傳輸?shù)絻蛇叺能囕?，以達(dá)到差速或者轉(zhuǎn)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(jī)控制器進(jìn)行不同的控制，從而使其能夠適應(yīng)多種工況下的行車需求。

1.4 分布式驅(qū)動技術(shù)

輪邊獨(dú)立懸架驅(qū)動系統(tǒng)，將電機(jī)與減速箱直接安裝在獨(dú)立懸架輪邊結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)高效輪邊驅(qū)動。這種驅(qū)動方式取消了傳統(tǒng)直驅(qū)橋的牙包和工字梁結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一級踏步、全平地板，車內(nèi)空間類似于地鐵，大大提高了車內(nèi)的通過性能和車內(nèi)站立面積，減少車內(nèi)擁擠，提升乘客乘車感受。采用與獨(dú)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(nèi)的流通速度，同時減少了滾動阻力，節(jié)省了輪胎使用成本。分布式驅(qū)動技術(shù)優(yōu)勢如圖1所示。

單個集中電機(jī)驅(qū)動方式具有成熟的經(jīng)驗，其設(shè)計和改裝時間較短，易于解決電機(jī)冷卻、防振、EMI等問題，但其主要缺陷在于驅(qū)動鏈長、占用空間大、驅(qū)動效率低，且無法獨(dú)立地控制左右驅(qū)動輪的扭矩，從而影響汽車的行駛性能。輪轂電機(jī)驅(qū)動和分布式驅(qū)動技術(shù)都屬于輪邊驅(qū)動，只是輪轂馬達(dá)是直接安裝在輪轂上的，這種結(jié)構(gòu)拋棄了傳統(tǒng)的離合器、減速驅(qū)動、驅(qū)動系統(tǒng)等機(jī)械零件，降低了整車質(zhì)量，降低了重心，改善了汽車的平穩(wěn)性，增強(qiáng)了汽車的結(jié)構(gòu)和空間的利用率。采用雙輪獨(dú)立控制，使汽車具有較短的驅(qū)動鏈條，具有較高的效率和較好的經(jīng)濟(jì)性。但是，由于輪轂電機(jī)受到車輪大小的制約，使得電機(jī)設(shè)計、車輛運(yùn)行控制等問題變得越來越復(fù)雜。

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

根據(jù)輪子是否直接由馬達(dá)來驅(qū)動，輪邊驅(qū)動又可分為兩類：直接驅(qū)動和減速驅(qū)動。

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

b.減速驅(qū)動。這是礦用汽車最早使用的輪邊驅(qū)動裝置。與傳統(tǒng)的直接驅(qū)動方式相比，減速式驅(qū)動系統(tǒng)在電機(jī)和輪緣之間加入了一個行星驅(qū)動裝置。采用常規(guī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，在適當(dāng)?shù)男行菧p速驅(qū)動的作用下，對車輪進(jìn)行減振。這樣的驅(qū)動器可以使電機(jī)具有更高的旋轉(zhuǎn)速度，一般在4000～20000r/min之間，從而達(dá)到更高的比功率。減速驅(qū)動式輪邊驅(qū)動使電動機(jī)具有更高的旋轉(zhuǎn)速度，所以比直接驅(qū)動式的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)具有更大的動力，從而使電動機(jī)的體積和質(zhì)量變得更小，并且具有效率高、噪聲低、費(fèi)用低廉等優(yōu)點。但由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，需要采用減速驅(qū)動來帶動輪子的轉(zhuǎn)動，因此，非簧的重量相對較大。減速驅(qū)動一般都用行星齒輪減速驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)緊湊，減速驅(qū)動的速度相對較大。

2 輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的特點

輪邊驅(qū)動是一種新型的驅(qū)動形式，它具有很大的靈活性，可以按照車輛的驅(qū)動模式，將其配置在前、后、四輪的輪轂內(nèi)，從而實現(xiàn)了前輪、后輪和四輪驅(qū)動。與常規(guī)的機(jī)械驅(qū)動相比，輪邊驅(qū)動具有如下優(yōu)點：a.布置更靈活。同等總功率需求下，單臺電機(jī)功率降低，尺寸和質(zhì)量均減小，使得整車布置的靈活性和車身造型設(shè)計的自由度增大，易于實現(xiàn)同底盤不同造型產(chǎn)品的多樣化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。b.驅(qū)動更簡單。機(jī)械傳動系統(tǒng)部分減少或全部取消，可簡化驅(qū)動系統(tǒng)。各驅(qū)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(xiàn)電子差速功能。c.響應(yīng)速度更快。電機(jī)驅(qū)動力矩響應(yīng)迅速，正反轉(zhuǎn)靈活切換，驅(qū)動力矩瞬時響應(yīng)快，惡劣工況的適應(yīng)能力強(qiáng)。d.能耗更低。在硬件及軟件控制方面，更容易實現(xiàn)電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動及再生制動，經(jīng)濟(jì)性更高，續(xù)駛里程更長。e.操縱更穩(wěn)定。在行駛穩(wěn)定性方面，通過電機(jī)力矩的獨(dú)立控制，更容易實現(xiàn)對橫擺力矩、縱向力矩的控制，從而提高整車的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性。

輪邊驅(qū)動也存在以下不足：a.傳統(tǒng)的輪邊驅(qū)動電動汽車的輪轂馬達(dá)與輪子是剛性連接的，它的重量構(gòu)成了整車的非簧載質(zhì)量，導(dǎo)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(dá)安裝位置較低，轉(zhuǎn)動元件的密封困難增大，導(dǎo)致整體的涉水性能下降。c.不能將輪轂馬達(dá)完全放置在輪圈中，從而增大了汽車的迎風(fēng)面積，增大了空氣的阻力，從而降低了整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性。d.由于采用了輪轂馬達(dá)，使得輪子位置的各個零件難以裝配。e.因為輪轂馬達(dá)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(dá)的壽命有較高的要求。f.輪邊驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)的重量太大，使車輪的動態(tài)負(fù)荷明顯增大，從而對車輛的安全性能和車輛的轉(zhuǎn)向性能產(chǎn)生不利的影響。

3 輪邊驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

汽車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)因其具有動態(tài)控制和結(jié)構(gòu)布置等優(yōu)點逐漸成為今后汽車發(fā)展的重點。但是，到目前為止，對輪轂電動機(jī)的研究還不夠深入，而且輪轂電動機(jī)的設(shè)計與汽車的輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)，存在許多問題，限制了其在汽車中的應(yīng)用和發(fā)展。因此，在今后的發(fā)展中，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)：

a.輪轂馬達(dá)技術(shù)。輪轂電動機(jī)是汽車輪邊驅(qū)動的關(guān)鍵部件，其性能的好壞將直接影響到汽車的運(yùn)行。電動機(jī)車中常用的電動機(jī)，如異步電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)、開式磁電動機(jī)、側(cè)磁電動機(jī)等，都要根據(jù)不同的工況，對電動機(jī)的性能進(jìn)行綜合考慮。另外，應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)的定子繞組設(shè)計、定子裂比、齒槽數(shù)優(yōu)化、磁鋼尺寸優(yōu)化、永磁材料的研制與保護(hù)。

b.對輪邊驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行整體輕量化設(shè)計的探討。1900年保時捷提出了一種新型的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)集成設(shè)計理念。整體式輪邊驅(qū)動比傳統(tǒng)的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)具有更高的能量密度，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)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(dá)和其他零件的質(zhì)量。采用鎂合金、鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料，可以在一定程度上減輕因增加非簧載質(zhì)量而帶來的不利影響。

c.一種新型的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案。除前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動外，輪邊驅(qū)動系統(tǒng)還可以包括2個傳統(tǒng)驅(qū)動輪+2個側(cè)驅(qū)動輪、2個前輪短側(cè)輪+輪轂電機(jī)+2后輪側(cè)驅(qū)動模式和短側(cè)驅(qū)動模式。合理地選用輪邊驅(qū)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?？刂葡到y(tǒng)是汽車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其主要內(nèi)容是對控制系統(tǒng)進(jìn)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(guān)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)要與微電子、電腦技術(shù)相結(jié)合，向精密、復(fù)雜、耐用、靈敏、可靠的方向發(fā)展。另外，還要對系統(tǒng)的成本、空間布局、過載保護(hù)等問題進(jìn)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(qū)動，但是為了保證汽車的操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性，也必須采用差速機(jī)構(gòu)。由于車輪是直接由電機(jī)來驅(qū)動，所以采用差速控制是最好的選擇。電子差速系統(tǒng)是利用一系列的算法，通過電子調(diào)速器的不同指令，來控制左右車輪的差速，從而使差速系統(tǒng)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(huán)試驗

在DSPACE平臺上進(jìn)行了硬件在環(huán)實驗，利用Simulink 構(gòu)建了基于Simulink的CAN接口，利用Simu- link 構(gòu)建了一個基于DSI104的駕駛員模型，并利用In-fineon.TriCore芯片實現(xiàn)了車輛的仿真。在0～40km/h的加速條件下，對路面附著系數(shù)為0.8且速度為40km/h進(jìn)行了試驗，并將駕駛員的駕駛信息裝載到dSPACEI104中。在環(huán)路上的硬件速度曲線與軟件模擬曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果表明車輛行駛速度與所期望的行駛狀態(tài)基本一致。在加速踏板開度大的情況下，根據(jù)所計算的最優(yōu)扭矩分布比例，對四臺電動機(jī)進(jìn)行扭矩分配。在速度達(dá)到40km/h，需要電動機(jī)提供更少的扭矩來抵消運(yùn)行阻力，以確保車輛在接近均勻的速度下運(yùn)行，與所期望的設(shè)計目標(biāo)相一致。由上述結(jié)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(shù)已在上文進(jìn)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(jīng)過光滑的踏板之后，輸出的電流比較穩(wěn)定。能量消耗方面，如表1所示，在使用油門踏板進(jìn)行光滑處理后，能量消耗比未經(jīng)處理的減少了9.32%。

4.2.2最佳轉(zhuǎn)矩分配實車試驗與分析

進(jìn)行了40 km/h均勻轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實驗，并對均勻轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩分布和經(jīng)濟(jì)扭矩分布進(jìn)行了研究。因為是在現(xiàn)場進(jìn)行的，所以盡量滿足試驗條件，以確保安全。根據(jù)經(jīng)濟(jì)扭矩分布的實際汽車測試速度，在達(dá)到目標(biāo)速度時進(jìn)行等速測試，在表2中給出了能量消耗比較的結(jié)果。在油門踏板開度大的情況下是四輪驅(qū)動，而在油門踏板開度小的情況下是后輪驅(qū)動。四個電動機(jī)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(jìn)入等速狀態(tài)時，分別采用了平均扭矩分配和經(jīng)濟(jì)扭矩分配兩種方法。在達(dá)到目標(biāo)速度之后，電動機(jī)僅需要輸出很小的扭矩就能克服運(yùn)行阻力，然后根據(jù)經(jīng)濟(jì)性的扭矩分布把扭矩分配給后兩臺電動機(jī)。當(dāng)電池剩余電量（SOC）相近時，相同的預(yù)期扭矩和不同的分配模式所產(chǎn)生的能量消耗也會有差異，而以經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的扭矩分布所產(chǎn)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(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的扭矩分配模式可以減少2.35% 。

5結(jié)語

汽車輪邊驅(qū)動是公交車車輛的關(guān)鍵部件，它在車輛動力學(xué)控制﹑整車結(jié)構(gòu)布局、車輛性能等方面具有顯著的優(yōu)越性，因此，開展輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的研制，對于促進(jìn)公交車輛的快速發(fā)展具有重要意義。目前，輪邊驅(qū)動技術(shù)已成為當(dāng)今世界各國汽車和輪胎生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文偉，趙一凡，張偉，等.多軸輪邊驅(qū)動餃接客車的橫擺穩(wěn)定性控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報，2020，56（14）：161-172.

[2]劉平，陳曉菲，楊明亮，等.四輪輪邊驅(qū)動公交客車電子差速影響因素分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，39（ 8） ：125-133.

[3]王旭.公交客車輪邊驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略研究[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（5） ：5-7.

[4]馬英，陳慧勇，吳勝濤，等.基于單胎獨(dú)懸的輪邊電驅(qū)動橋平順性研究與分析[C].第十六屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集，鄭州，2019.

[5]陳曉冰.輪邊驅(qū)動公交客車制動能量回收控制策略研究[J.客車技術(shù)與研究，2022，44（ 1）：5-12.

作者簡介：

潘利丹，女，1985年生，高級講師，研究方向為汽車技術(shù)。