轮边电机在大型客车中的应用

目前，纯电动客车的驱动系统构型主要以集中式驱动为主。一类是电机直驱系统构型，驱动电机取代了原来发动机的位置，系统构型简单、易于实现，整车结构设计技术已相对完善，成为市场上纯电动客车产品的主流构型；另一类是电机 AMT变速箱的系统构型，在动力性爬坡性上占据优势，满足山区、景区等特殊市场的需求，整车结构设计技术大量借鉴传统燃油车的技术，较为成熟，但由于增加了自动换挡机构，可靠性下降，在实际使用中存在一些问题。

随着驱动系统朝着高速化、集成化、轻量化等方向发展，以轮边电机为代表的分布式电驱动技术也逐渐进入实用化阶段，与集中式驱动构型相比，舍弃了传动轴、主减速器和差速器等传动机构，具有传动链短、传动效率高、结构紧凑等突出优点，同时可通过对轮边电机进行转速转矩的精确控制，实现车辆驱动、制动、差速、能量回收等功能，具有极高的控制自由度和丰富的功能扩展性，是目前纯电动客车驱动系统的研究热点和发展趋势。

1.  轮边电机驱动构型

轮边电机驱动构型是从集中式到轮毂式构型之间的过渡构型，通常轮边电机与固定速比减速器一起安装在车架上，减速器输出轴直接或通过短半轴与车轮相连来驱动车轮。根据轮边电机安装位置可分为电机固定式和电机摆动式，前者将轮边电机和轮边减速器固定于车架，后者将轮边电机和轮边减速器与悬架集成。

（1）轮边电机固定式构型

轮边电机固定式构型通常为集成式轮边电驱桥的形式，在传统桥的基础上取消了桥壳和半轴，驱动电机安装在车轮旁边，此种结构仍然是整体刚性桥，可以使用钢板弹簧悬挂，也可以使用气囊减震和螺旋弹簧＋减震筒的悬挂。由于取消了桥包、桥壳以及半轴，结构空间和重量得以大幅减轻。其典型代表为ZF公司的AVE130轮边电驱桥，如图1所示，两个高速电机布置在车桥两侧，通过两级减速实现减速增扭驱动车轮。其中，减速机构采用行星齿轮结构，可使轮毂设计的更宽，配置双胎后可承受较大轴荷，适用于大吨位低地板城市客车。

图1  AVE130轮边电驱桥

目前各个车桥厂家都开发了类似AVE130结构的轮边电驱桥产品，其主要参数如表1所示，可见大都采用了高速电机 大速比减速器的设计方案，电机体积重量减小，功率密度提升，系统结构紧凑。其中，ZF和比亚迪的轮边电驱桥已在市场上批量应用。

表1 各厂家13T轮边电驱桥主要参数

（2）轮边电机摆动式构型

轮边电机摆动式构型摒弃了整体式刚性桥结构，取而代之的是采用独立空气悬架结构，驱动电机和减速机构安装在悬架上，其构型如图2所示，减速机构可采用二级减速器或行星减速器。相比轮边电机固定式构型，取消了刚性桥结构，非簧载质量小，通过对悬架的良好设计可将电机引起的簧下质量传递给车身，悬架系统隔振性能好，操控性和平顺性较好，同时也达到了增大客车车内空间及过道宽度、降低客车地板高度的目的。但是由于多采用双横臂 单胎的结构，车桥承载力有限，一般常用于10米及以下的低地板城市客车。目前，方盛、中国交建、中植客车开发了相关产品，但市场上应用车型较少。

图2  轮边电机摆动式构型

2.  轮边电机在客车上的应用优势

轮边电机技术采用柔性化的电气连接替代了部分机械连接，车辆设计和布置更加灵活，使传统客车的设计与开发产生质的改变，具有以下优势：

（1）增加车内空间降低地板高度

低地板城市客车是城市客车未来的发展趋势，其从前乘客门至最后桥中心线间的中央通道区地板形成了一个无踏步的单一区域，每个乘客门踏步都是一级踏步，车内空间更大，不仅方便乘客上下车，而且通过配备辅助装置还可以方便残疾人和轮椅乘坐者上下车，如图3所示。因此，车内地板的高度以及与此相关的踏步数量、设计等在城市客车的乘客区布置中具有重要作用，降低车内地板高度，不仅可减少踏步的数量和高度，使乘客上下车及在车内移动更方便、安全和快捷，而且可以增加通道处的内高和乘客区的空间。

图3  采用轮边驱动的客车车内空间

轮边电机的驱动构型，由于取消了传动轴、主减速器和差速器的安装限制，可以使得地板较为平整，不需要踏步阶梯结构，实现了车内前后贯通，更利于低地板客车的设计。如图4所示，ZF的AVE 130轮边电驱桥的结构尺寸明显优于传统偏置式低地板桥AV 132，其地板安装高度可降低约70mm，车厢内地板最低时的离地高度可达290mm，让底盘设计更多满足车厢内部空间和乘客安全的要求。

图4  AVE 130与AV 132结构尺寸对比

（2）轻量化整车

新能源汽车补贴政策对非快充类纯电动客车单位载质量能量消耗量（Ekg）的限额每年都进行提升，从2017年的不高于0.24Wh/km/kg提升至2020年的不高于 0.18Wh/km·kg，而单位载质量能量消耗量与整车的整备质量强相关，在车辆满载指标相同下，整备质量越低，装载质量就越大，通过计算可得的Ekg就越小。同时，车重减轻也使车辆的实际能耗降低，据相关试验研究表明，一般情况下汽车每减少10%的重量，其能量消耗可降低6%～8%。采用轮边电机构型，通过电机高速化和系统集成化设计可显著降低整车质量。

一方面，随着电机技术水平的提升，驱动电机的转速将逐步提高，在同样动力性能的要求下，电机扭矩可以进一步降低，从而带来成本以及重量的下降。这一趋势在纯电动乘用车领域已经非常明显，在纯电动客车领域也是一个必然的趋势。而随着转速的提高，普通后桥将会越来越难以起到减速增扭的作用，如果保证主减速器主动锥齿轮强度不变，要增大减速比，势必增大被动齿轮直径，带来离地间隙的降低和通过性的变差，更重要的影响是带来主减速器尺寸的增大和重量的增加，必然得不偿失；而如果保持盆齿直径不变，那么主动锥齿轮的齿数必然减少，带来的就是强度的降低。因此，电机高速化与直驱方案本身有着冲突和矛盾，而采用轮边电机构型方案可有效避免此类问题。

另一方面，目前纯电动客车大部分电驱动系统的电机、减速器/变速器和电机控制器都是独立的零部件，这种分散式布置的方案增加了动力总成的布置空间和相关附件的成本和重量。而轮边电机构型可通过集成化设计，共用冷却管路，缩短电缆长度，一定程度上省去连接电缆、冷却管道等部件，进一步减少机构尺寸、降低重量和成本。

（3）提升整车动力性

目前，纯电动客车主流的单电机直驱构型逐渐表现出高坡度区域爬坡性能不足、中高速加速性能不足，而采用双电机直驱构型，在重量、成本方面均处于劣势；采用电机 AMT变速箱构型，存在换挡动力中断，行驶平顺性不好。同时，新能源主减的许用输入扭矩均小于传统主减，也成为了制约纯电动客车动力性提升的瓶颈。相反，轮边电机构型一方面采用双电机，在整车同等总功率需求下降低了对单台电机的功率和扭矩需求，而且高速化高功率密度也带来了重量和体积优势；另一方面传递系统不需要改变转矩的传递方向，因而取消了主减，取而代之的是大速比减速器，其采用斜齿齿轮设计，强度、成本和加工难度均优于主减。

（4）提高传动系统效率

轮边电机构型优势在于舍弃了传统的主减速器和差速器，不再经由长半轴部件传动，缩短了传动链，提高了传动效率。同时，如图5所示，轮边减速器采用斜齿齿轮设计，相比主减常用的准双曲面齿轮，传递效率提高，制动回收能力提高，更有利于整车能耗的降低。另外，由于轮边电机驱动采用多个执行器，可以通过对执行器的输出控制使效率最大化。

图5（a）传统主减的准双曲面齿轮

图5（b）轮边减速器的斜齿齿轮

（5）减少纯电动客车主减问题

纯电动客车具有电机制动的功能，能量回收较为频繁，对车桥的冲击影响非常大。不管是采用国产还是进口主减速器总成，都存在有不同程度的总成异响、噪声大，主从动锥齿轮早期磨损，主动锥齿轮轴承损坏等问题。车桥厂商一般通过对主减速器及差速器壳体进行加强设计，提高主减速器总成的支撑刚度和装配精度，提高主从动锥齿轮强度和啮合精度等措施来缓解这些问题，但带来制造成本的增加，且受限于主减的准双曲面齿轮结构，反齿面加工困难。轮边电机构型的减速机构采用了斜齿齿轮设计，正反齿面均易于加工，且通过对齿轮设计参数进行优化，可使传动平稳，冲击、振动和噪声减小，产品的使用寿命和可靠性均有一定程度提升。

（6）增加整车设计的自由度

由于没有了传动轴，变速箱以及差速器，车辆纵梁的设计自由度大大增加，进一步增加了整车的安全性，采用轮边电机驱动，就拥有了更大的设计自由度，从而会给车辆的舒适度、空间、安全性以及特种车辆的设计上带来革命性的改变。轮边电机驱动客车可以将动力电池组布置在客车底板或者车顶，达到较合理的轴荷分配比。此外，受益于轮边电驱桥的高度集成化和模块化，整车布置和安装更加灵活，可应用于混合动力客车、燃料电池客车、铰接客车等新能源车型，例如一辆18米的铰接城市客车可装配1根轮边电驱桥，也可装配2根轮边电驱桥。

3.  轮边电机在市场上的应用情况

国内市场目前只有比亚迪一家大批量推广搭载轮边电驱桥的客车，比亚迪轮边电驱桥从2009年8月立项开发，到2010年3月开始装车路试，再到2011年7月搭载轮边电驱桥的比亚迪第一批纯电动大巴交付使用的时间里，产品逐渐成熟，其后在南京、杭州、深圳等地推广，受到了市场的好评。藉此，比亚迪客车品牌在业内迅速渗透，开发了一系列采用轮边电驱桥的客车，涵盖了8~12米车型。同时，比亚迪也将其轮边电驱桥的客车推向了美国、日本、欧洲及南美市场，累计向全球合作伙伴交付超过5万辆纯电动大巴，足迹遍布6大洲、50多个国家和地区、300多个城市。比亚迪为哥伦比亚BRT交通系统打造的27米纯电动双铰接大巴K12A，如图6所示，其中第2桥和第3桥为驱动桥，配备轮边电驱桥系统，具有4个轮边驱动电机，即便坏了1个，车辆也能正常运行，最大程度保证行车安全性。K12A还可实现了两驱、四驱的随时切换，既能在平路上稳健行驶，节省能耗，又能保证在爬坡时的动力强劲，有效平衡了里程、长度及转弯的矛盾。

图6  比亚迪轮边驱动客车K12A

中植汽车采用了与比亚迪轮边电驱桥截然不同的技术路线，其轮边驱动系统采用了轮边电机摆动式构型方案，搭载独立空气悬架，实现了驱动系统去“桥”化。与轮边电驱桥系统相比，可减重45%以上，并可实现更宽的整车通道和更低的地板设计。其12米纯电动城市客车采用了小轮胎的三轴方案进行整车结构设计，悬架采用双横臂结构，内嵌橡胶轴承设计，悬架跳动性能良好，隔振性能好，操控性和平顺性较好，如图7所示。

图7  中植12米纯电动城市客车

国内其他客车制造商，如福田、安凯等，推出了搭载ZF公司AVE130轮边电驱桥的公交，目前服务于北京公交系统，运营状况良好。而国外客车制造商也推出搭载ZF公司AVE 130轮边电驱桥的公交，如奔驰的全新一代eCitaro纯电动城市客车就采用了AVE 130轮边电驱桥，如图8所示。eCitaro纯电动城市客车搭载总容量243 kWh的锂离子电池，根据SORT2工况，充满电的eCitaro能够在夏季达到大约150km的运行里程，在没有充电设施的情况下，eCitaro基本覆盖了公交运营商三分之一的运营需求，其下一代将搭载额定容量约为400kWh的电池组，在无需充电的情况下，将可以满足约70%的公交运行需求。

图8  奔驰eCitaro纯电动城市客车

4. 总结

轮边电机构型具有轻量化、集成化、高效节能等诸多优势，目前已在大型客车上广泛应用，但仍有一些基础问题和关键技术亟需解决：簧下质量大，散热困难，对可靠性的要求较高，电子差速、驱动防滑、线控底盘协同等控制技术研发难度大。但随着越来越多的客车制造商加入对轮边电机驱动系统的研发及应用，未来市场上采用轮边电机驱动的客车将会越来越多。

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