在汽車上應(yīng)用輪邊電驅(qū)動可提升整車空間利用率和動力性能。在MEHREN研究項目框架內(nèi)對該類驅(qū)動方式的潛力進行了全面評估。大陸公司，福特公司，Schaeffer公司和德國亞琛工業(yè)大學等合作單位相應(yīng)公布了其試驗研究成果。

1汽車方案

電動車通常被視為一類關(guān)鍵的交通運輸技術(shù)，目前采用輪邊電驅(qū)動可通過將驅(qū)動單元移至輪輞中以改善整車空間利用率，并且可預(yù)先確定單個車輪扭矩的附加自由度，同時提升了其駕駛靈活性和行駛安全性。由大陸公司，福特公司，謝弗公司和德國亞琛工業(yè)大學等單位合作開展的MEHREN（具有最高整車空間利用率和能量利用效率以及高行駛安全性的多電機電動車）研究項目全面地揭示了此類驅(qū)動技術(shù)的潛力。

為了研究輪邊驅(qū)動對整車空間利用率的影響，選用福特公司的Fiesta轎車（2013年度車型）為基準車型，緊接著又開發(fā)了一款新車型，其在保持乘客艙和貨艙位大小以及行駛功率和被動安全性不變的情況下盡可能獲得更為緊湊的外形尺寸。

與基準車型相比，新車型的長度總共縮短了250 mm，從而達到了典型A級車的水平，同時顯著改善了整車空間利用率。盡管集成了一個具有40.8 kW·h能量儲備的動力電池，但是通過應(yīng)用一種階梯形多層地板，汽車高度的增加被限制在27 mm。這種輪邊驅(qū)動單元布置于后橋上，并能提供數(shù)值為810 N·m的最大扭矩，此時驅(qū)動單元的幾何尺寸要求使用177.8 mm×457.2 mm的輪輞。圖1示出了基準車型與新開發(fā)車型的尺寸比較。

圖1 基準車型與輪邊電驅(qū)動車型的尺寸比較

2技術(shù)載體

該研究項目以福特公司Fiesta轎車為基礎(chǔ)開發(fā)和建造了兩種技術(shù)示范車型，其可將輪邊電驅(qū)動單元集成在現(xiàn)有的汽車結(jié)構(gòu)中（圖2）。

圖2 以FordFiesta轎車為基礎(chǔ)的技術(shù)載體

正如上述方案，兩種示范車型選擇了兩個安裝在后橋上的輪邊電驅(qū)動單元的驅(qū)動方案。其與輪邊驅(qū)動相結(jié)合提供了更顯著的技術(shù)優(yōu)勢：由于負荷位移到制動器位置上，對后橋的制動力要求明顯小于前橋，因此在后橋上可使用較小的制動力，而且后輪上車輪導(dǎo)向系統(tǒng)的鉸接點位置布置需進行調(diào)整，以便給電機提供更大的結(jié)構(gòu)空間，就如整車前橋一樣，從而可獲得所必需的轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動學。除此之外，在后橋上由輪邊驅(qū)動所能改善的滑轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)在行駛動力學和行駛安全性等領(lǐng)域取得了顯著的改善。

采用了一種利用模擬器進行反饋的線控制動單元作為制動系統(tǒng)（大陸公司MK C1），其可將駕駛員的制動要求通過所有4個車輪上摩擦制動的可變控制附加轉(zhuǎn)換到電機的扭矩上。

3輪邊驅(qū)動裝置

該研究項目所開發(fā)的輪邊驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其可用作直接電動驅(qū)動（E-WD）裝置，除了電機外車輪中還集成了功率電子器件、控制單元和摩擦制動器。

圖3 schaeffler公司輪邊驅(qū)動裝置剖視圖

采用永磁鐵進行勵磁的同步電機能獲得較高的功率密度和緊湊的外形尺寸。其內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式簡化了驅(qū)動單元的密封效果，并改善了摩擦現(xiàn)象，因為其只需相對較小的直徑。

將空氣隙保持在較窄的公差范圍內(nèi)對于驅(qū)動裝置運行的扭矩、功率和效率具有重大意義，同時需防止在轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)的傾斜現(xiàn)象而使定子與轉(zhuǎn)子接觸，該問題可通過基于批量生產(chǎn)工藝技術(shù)的剛性的車輪軸承結(jié)構(gòu)來解決。

整個驅(qū)動裝置需進行有效冷卻，以便能實現(xiàn)所需的高功率密度。冷卻液首先流經(jīng)電子器件，緊接著流經(jīng)電機定子。目前集成的鼓式制動器與輪輞一樣采用螺栓連接。

4行駛動力學調(diào)節(jié)

與量產(chǎn)汽車相比，使用輪邊驅(qū)動能采用新型的縱橫向動力學調(diào)節(jié)方式，目前已開發(fā)了一種全新的行駛動力學調(diào)節(jié)方式，其可按照駕駛員和輔助系統(tǒng)提出的運動要求以實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠和高效的能量轉(zhuǎn)換。同時與傳統(tǒng)的動力學調(diào)節(jié)方法相比，尤其是在各個執(zhí)行器之間分配調(diào)節(jié)參數(shù)方面會產(chǎn)生決定性的變化。與調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比的另一個區(qū)別是車輪穩(wěn)定性轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換，可直接在輪邊驅(qū)動控制器上得以實現(xiàn)。

通過將調(diào)節(jié)系統(tǒng)分成多個邏輯上分開的并具有明確定義接口界面的層面，成功地實現(xiàn)了控制元件與執(zhí)行機構(gòu)的分離。系統(tǒng)的改變或補充可以此簡單而有效地得以實施。

行駛動力學調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)由下列3個層面組成（圖4）:

圖4 行駛動力學調(diào)節(jié)

（1）在要求層面（“汽車運動要求”）上接受駕駛員（或輔助系統(tǒng)）的控制規(guī)定，所有的要求被換算成額定運動參數(shù)，并進行判斷，然后傳遞到下一個層面；

（2）在調(diào)節(jié)功能層面（“全部的運動控制功能”）上執(zhí)行功能，它們根據(jù)執(zhí)行器在縱向、側(cè)向（有時也可能垂直）方向上操縱汽車運動；

（3）在控制層面（“執(zhí)行器/分配器”和“車輪穩(wěn)定性控制”）上從與汽車有關(guān)的調(diào)節(jié)矢量查明用于各個執(zhí)行器的調(diào)節(jié)量，分配到執(zhí)行器上的是一個永遠能在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)解決的優(yōu)化任務(wù)。

同樣也屬于控制層面的車輪穩(wěn)定性功能負責實現(xiàn)目標轉(zhuǎn)差率或者調(diào)整和優(yōu)化在驅(qū)動及制動時的車輪扭矩或轉(zhuǎn)速。此外，輪邊驅(qū)動還具有十分重要的優(yōu)點，電機的扭矩可以無機械滯后的狀態(tài)直接作用于車輪，因而能非常迅速和精確地進行調(diào)節(jié)，以此可同樣精確地調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)差率。該功能是在“轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)”軟件模型中實現(xiàn)的，而且由輪邊驅(qū)動單元分別調(diào)節(jié)各自車輪的扭矩。通過由制動電控單元預(yù)先規(guī)定的轉(zhuǎn)差率連續(xù)地跟蹤車輪的打滑極限。

圖5示出了用于制動運行的轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)功能及其與傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)防抱死制動系統(tǒng)（ABS）調(diào)節(jié)的對比，以此可在一定的轉(zhuǎn)差率下實現(xiàn)最大的制動力。為了使汽車盡快地減速，必須要將制動力調(diào)節(jié)到最大值。當然，無論是最大制動力的大小還是最大制動力的滑轉(zhuǎn)系數(shù)都是可調(diào)節(jié)的，同時其與路面狀況有關(guān)。在傳統(tǒng)的ABS調(diào)節(jié)情況下對由摩擦制動的脈動調(diào)節(jié)來進行最大制動力的相關(guān)試驗（圖5中的棕色曲線）。當輪邊驅(qū)動采用轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)方式時，可通過改變規(guī)定的滑轉(zhuǎn)系數(shù)連續(xù)地調(diào)節(jié)其制動力最大值，并由電機迅速地進行跟蹤調(diào)節(jié)（圖5中的橙色運行點），以此可有效改善汽車穩(wěn)定性。

圖5 轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)的工作原理（示意圖）

圖6示出了行駛動力學調(diào)節(jié)的軟件結(jié)構(gòu)，其由分布在3個電控單元中的許多模塊組成，這些電控單元分別由合作單位福特（藍色），大陸（橙色）和謝弗（綠色）公司開發(fā)。

圖6 行駛動力學調(diào)節(jié)的軟件結(jié)構(gòu)

“縱向動力學”模塊可根據(jù)通過加速踏板和轉(zhuǎn)向輪所接受到的行駛指令而組成的縱向動力學以計算4個車輪上所期望達到的扭矩，再將其傳遞到“橫向動力學/扭矩導(dǎo)向”模塊。該類扭矩導(dǎo)向功能可通過后輪之間制動扭矩和牽引扭矩的分配以獲得最佳的行駛性能。在進行加速時調(diào)節(jié)扭矩從一個后輪傳遞到另一個后輪上改善了由駕駛員預(yù)先確定的行駛軌跡的隨機運動。同時通過轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)以限定各個車輪的轉(zhuǎn)差率，從而將輪胎作用力保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，提高了整車靈活性，并使行駛狀況更為穩(wěn)定，既不會調(diào)節(jié)過量也不會調(diào)節(jié)不足。

“汽車穩(wěn)定性控制”模塊可平行地檢驗當前運動狀況是否超越汽車平穩(wěn)性極限，如有必要時則還應(yīng)計算所需的車輪修正扭矩。最佳的車輪額定轉(zhuǎn)差率的評估也在該模塊中進行?！芭ぞ貐f(xié)調(diào)器”模塊判斷因性能所需的車輪期望扭矩，緊接著產(chǎn)生4個車輪所需的最終扭矩指令?！芭ぞ胤峙淦鳌蹦K在考慮到由“輪邊驅(qū)動扭矩能力計算器”所評定的驅(qū)動扭矩限值和再生策略的情況下，為各個車輪分配扭矩及車輪驅(qū)動單元與摩擦制動器之間的額定轉(zhuǎn)差率。“扭矩分配器”使得車輪上的兩個執(zhí)行器在一起使用的情況下盡可能不產(chǎn)生沖擊作用，并且使其不會超過額定值。

5評估

福特和大陸公司在各種高低摩擦系數(shù)試驗路段上對新開發(fā)的行駛動力學調(diào)節(jié)功能進行評估。下文介紹3種臨界行駛機動性的行駛試驗結(jié)果，為此應(yīng)用了分別具有4張曲線圖的插圖予以說明，其通過時間坐標軸示出測量信號，曲線圖選擇了下列4種繪制方式：

（1）上方的曲線圖的繪制始終是來自“輪邊電驅(qū)動扭矩能力計算器”模塊的兩個輪邊驅(qū)動的最大驅(qū)動扭矩和制動力矩以及駕駛員要求的總扭矩；

（2）第二張曲線變化圖表示的是預(yù)設(shè)的扭矩以及由轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)實際提供的扭矩；

（3）第三張曲線圖是示意圖解，包括各個車輪執(zhí)行器上的摩擦制動系統(tǒng)壓力（其與制動扭矩成正比），為了獲得良好的視野，信號均以相同的尺度標出并采用垂直布置的，此外還為該圖添加了整車加速度信號。其與下方曲線示意圖的繪制相類似，同樣以相同的尺度標出并進行垂直布置，同時示出了車輪速度與汽車基準速度的比對。

6低摩擦系數(shù)的ABS制動

圖7中示出的是在結(jié)冰的路段上采用直線行駛的制動狀況。若駕駛員操縱制動踏板，并要求采用最大的制動力矩，則不僅會超出制動泵可提供力矩的上限，并且也超出了從車輪傳遞到路面的最大力矩，會使車輪出現(xiàn)嚴重的打滑現(xiàn)象。如果在后輪上由轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)功能承擔轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)，而同時在前橋上由ABS調(diào)節(jié)器承擔轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)，從中即可看出兩種調(diào)節(jié)器在工作能力方面的明顯差異：前輪因摩擦制動執(zhí)行器緩慢的物理特性而使得其具備轉(zhuǎn)差率較大的階段特征，與其相比后輪上的轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)卻能進行精確的調(diào)節(jié)，從而獲得了非常精確的基準速度。

圖7 在低摩擦系數(shù)路面上的ABS制動

（下面兩張曲線圖為示意圖）

7摩擦系數(shù)從高-低-高轉(zhuǎn)變的路面上的加速

按照下列試驗情況即可較好地體現(xiàn)出驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)（ASR）的效果：駕駛員首先在具有高摩擦系數(shù)的路段上加速汽車，然后在具有低摩擦系數(shù)的路段上試驗加速過程，再在具有更高摩擦系數(shù)的路段上繼續(xù)進行加速行駛試驗。在路面摩擦系數(shù)從高到低轉(zhuǎn)變的情況下，驅(qū)動輪就會發(fā)生滑轉(zhuǎn)，那么就應(yīng)采用ASR來防止該類狀況的出現(xiàn)。在摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)變（從低到高）時就應(yīng)借助于ASR進一步使汽車加速性能最大化。

在圖8上由后輪速度曲線上的一個小凸起即可識別出第一次摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)變的時間點。轉(zhuǎn)速窗口調(diào)節(jié)可使扭矩迅速被調(diào)整到可支配的水平上，并使車輪保持最佳的轉(zhuǎn)差率。加速度信號曲線表明，加速度如無突然性的變化，會使駕駛員感受到舒適的駕乘體驗。

圖8 在摩擦系數(shù)從高-低-高轉(zhuǎn)變的路面上的加速過程

（下方兩張曲線圖為示意圖）

8摩擦系數(shù)變化時的行駛性能

行駛動力學調(diào)節(jié)品質(zhì)的另一個標準是在摩擦系數(shù)交錯變化的路面上使汽車具備優(yōu)秀的制動性能。若汽車不進行附加調(diào)節(jié)就會出現(xiàn)較大的偏轉(zhuǎn)率，同時必須由駕駛員操縱轉(zhuǎn)向方可使汽車的行駛方向保持不變。該類無法進行控制的偏轉(zhuǎn)率對整車駕駛是具有一定風險的，其要求駕駛員具有良好的駕駛技巧?，F(xiàn)代ABS系統(tǒng)能應(yīng)對此類挑戰(zhàn)，通過減小偏轉(zhuǎn)率以輔助駕駛員，并使汽車保持穩(wěn)定性。

圖9表明在性能標定前（左）后（右）具有相同的靈活性。在第三行曲線圖上采用轉(zhuǎn)向輪角度傾斜以替代汽車縱向加速度曲線。在標定前駕駛員需采用約270°的補償轉(zhuǎn)向角以保持汽車穩(wěn)定性，而標定后則僅需要70°的補償轉(zhuǎn)向角并附加很小的動態(tài)轉(zhuǎn)向運動。

圖9 標定前（左）和標定后（右）在摩擦系數(shù)交錯變化路面上的制動

（下方4張曲線圖為示意圖）

9試驗研究結(jié)論

總體而言，行駛試驗表明，采用新開發(fā)的動力學調(diào)節(jié)，在提高動力學性能的同時，能明顯改善行駛安全性和操作，此外也證實了在極端條件下實現(xiàn)輪邊驅(qū)動的工作能力和可靠性，同時也是該類創(chuàng)新驅(qū)動方式未來工業(yè)化道路上的一個重要環(huán)節(jié)。