共享電動車驅動裝置與底盤的融合

【德】 M.KRAUS C.HARKORT B.W.GORBATENKO M.LAUMANN

1 新型城市交通運輸方案

亞洲地區超過一千萬人口的特大型城市數量與日俱增,車輛的需求也隨之增長,必須采取全新的車輛方案。目前,Schaeffler公司正在研究1種高度自動化的無人駕駛載人交通工具。乘客可以通過智能手機應用程序進行車輛預約,指定行駛目的地,計算車程并結算支付費用,每車最多可以搭載4位乘客。

推廣無人駕駛交通運輸系統最重要的前提是開發能自動駕駛的輔助系統。Schaeffler公司的可行性研究是基于德國汽車工業協會(VDA)自動化第五級(L5)車輛的驅動技術。相關資料預測了這種具有高度自動化行駛功能的車輛在2035年的市場份額將占所有車輛的3%～15%,占比多少主要取決于交通運輸系統的開發程度。

2 車輛開發情況

無人駕駛運輸車輛的技術轉換需要開發全新的動力裝置和底盤方案,同時要滿足高度自動化行駛的要求,以便盡可能利用好其技術優勢,如取消車內方向盤、儀表板總成等操作部件,可為乘客提供更舒適的座位。并進一步實現車輛機動性和緊湊性的目標,因此設計了1種車輛方案,其中4個車輪能相互獨立地驅動和轉向,通過相應的調整就能將高度的靈活性與舒適性統一起來,即使車輛在側向運動時乘客也幾乎感覺不到橫向力。

Schaeffler公司開發了1種創新型的車輪模塊(智能轉彎模塊),將輪邊電機驅動裝置包括輪叉、減振支柱和機電式轉向機構執行器在內的車輪懸掛作為緊湊單元集成在1個車輪模塊中(圖1)?？紤]到節約成本,4個車輪都使用相同的車輪模塊。在車輪模塊調節方面采用了整體行駛動力學模式,綜合考慮了行駛動力學調節以及驅動輪(扭矩導向)與所有車輪轉向之間力的分配等功能,進而確保了較高的安全性。如果其中有1個或2個車輪模塊發生技術故障的話,仍能保持轉向和牽引,因為車輪的電驅動和電動轉向提供了很高程度的靈活性。

圖1 車輪驅動模塊

3 整車外觀

整車方案以容納4個車輪模塊的車架結構為基礎,牽引蓄電池被安裝在車輛地板底層,這種布置方式在良好的空間利用率情況下確保了很高的碰撞安全性,而且獲得了較低的車輛重心。這種平臺方案(圖2)使得結構具有很大的靈活性,在最簡單的結構等級中滾動底盤包括：車架、4個車輪模塊、用于行駛動力學調節的軟件、車輛電氣設備和電子器件,以及牽引蓄電池等。在更高的結構等級中,車輛還要添加更多的模塊,包括帶有外飾板的基座、內飾件、照明系統和高度自動化行駛所必需的包含調節軟件在內的全套傳感器。這樣車輛具備了行駛功能,再配套帶窗戶的客艙、空調設備,以及操作、顯示和網絡化等方面的功能才能成為可投入使用的車輛。當然,也可以選裝其他專用車身,如用于貨物運輸的車身。

圖2 以滾動底盤為基礎的Schaeffler共享電動車平臺方案及其2種結構分級

由于這種車輛僅在大型城市作短駁使用,因而成本低廉且尺寸較小的牽引蓄電池完全可以滿足需求,未來利用紅燈停車和等候時間通過感應充電系統進行中途充電。

四輪轉彎直徑小于5 m,使得車輛在城市交通中行駛靈活,除此之外4個車輪在停車時最大可轉向角為90°,因而能相對于車輪縱軸橫向行駛,從而能夠在狹小的空間里完成倒車、停車入庫和調頭。

4 車輪模塊結構

車輪模塊的轉向采用機電式線控轉向系統,轉向執行器(圖1)與轉向軸同軸集成在車輪模塊中,它在轉向運動時旋轉整套車輪模塊,按電控單元規定的方向進行轉向。在正常行駛中,模塊的轉向角被限制在最大45°,而在調頭時最大可達90°(圖3)。用于轉向功能的執行器是Schaeffler公司已經量產的產品,可靠性可以得到保障。

底盤的零件示于圖4,其中縱向轉向臂通過叉形支座懸掛在車架上,并在輪邊與減振支柱相連,減振支柱向上通過球形軸承支撐在叉形支座上。車輪模塊可選擇裝備1個機電式水平調節裝置,用于降低或抬高車輛,方便乘客上下車。

5 輪邊驅動裝置

圖3 行駛和調車范圍內可能的轉向運動(轉向角和行駛模式的基本數據)

圖4 車輪模塊中的底盤零件

輪邊電機(圖5)采用無刷永磁同步電機。在目前的設計中,4個電機都是300 V電壓下持續功率為13 k W和峰值功率為25 k W,每個電機額定扭矩為250 N·m,并能在60 s的時間間隔內提升到最大扭矩500 N·m。電機的最高轉速在驅動輪上為1 400 r/min。電機的驅動扭矩通過行星變速器傳遞到輪轂。液體循環回路冷卻系統能確保牽引電機的熱可靠性。

圖5 輪邊驅動裝置部件

當車輛開始制動,牽引電機就被用作發電,并將電能反饋到車輛蓄電池中。輪邊驅動裝置在4個車輪上都裝備了機械液壓操縱的鼓式制動器。車輛的最高車速可達100 km/h,在不到3.3 s的時間內加速至50 km/h,并能在最大斜率31%的坡道上起步。

6 用于線控轉向系統和驅動裝置的調節算法

用于線控轉向系統和驅動裝置的復雜調節算法是核心功能模塊,必須在調節軟件中描述出由各個轉向輪所產生的功能范圍,同時確保安全性能和應急備用性能。線控轉向調節軟件的開發全部由Schaeffler公司內部完成。圖6示出了對車輪模塊調節具有重要意義的信號流。用于高度自動化行駛功能(HAF)的電控單元通過1條CAN總線直接與整車電控單元相接,整車電控單元控制應急制動功能、回收功能,以及諸如空調設備等舒適性功能。

圖6 調節共享電動車的信號流——用于HAF行駛功能(紅色)、整車功能(藍色)和行駛動力學調節(綠色)

在開發和試驗階段,駕駛員在車上監視行駛功能,必要時可通過中央變速桿予以干預,而在此后的正常運行中變速桿模塊(圖6中通過CAN 4總線接入)就不再必要了。整車電控單元與行駛動力學調節電控單元處于相互數據連接之中,原來由行駛動力學調節的電控單元的牽引和轉向在車輪模塊中被轉換成相應的扭矩和轉向角。

7 安全性方案

多級故障應對策略包括了根據故障嚴重程度采取不同的相互重疊的措施,能使樣車的安全性達到最高程度。如果車輪電子控制系統確定了車輪模塊中的損害轉向、驅動或數據通信等故障,那么這個發生故障的車輪模塊就被切斷,而其他3個車輪模塊可以共同承擔起這個故障車輪模塊的牽引和轉向任務,而絲毫不會損害整車的功能。

第二種安全性等級包括行駛動力學調節電控單元中的故障或者48 V、300 V汽車電路中的故障。發生故障后,車輛會自動由液壓操縱的鼓式制動器進行應急制動。如果故障涉及轉向的話,那么轉向就會失效,并暫停在其位置上,從而車輛停留在轉彎之中。

第三種安全性等級是系統全部損壞,這是設想的最壞情況的故障,車輛電子控制系統或整車電路損壞,從而觸發機械應急制動。

8 結論和展望

Schaeffler公司已開發出了1種新型的交通解決方案,并在可行性研究項目中轉化成適合交通運輸的樣車。Schaeffler車輛是1種用于短途客運的電動車,具備自動化行駛功能高度集成的特點。其技術特點是車輛結構模塊化,因此采用1個底盤結構就能轉化成服務于多種人員和貨物的運輸車輛方案。此外,Schaeffler公司已開發出了1種創新的車輪模塊,它將輪邊電動機與機電式轉向機構組合在緊湊的模塊之中。

轉化而成的四輪驅動和四輪轉向模式使車輪具有較高的行駛靈活性,因而在城市交通中能夠極其靈活地駕駛。用于未來高度自動化車輛的關鍵是用于線控轉向系統的調節算法,Schaeffler公司已為這項研究自行開發出了整套軟件,包括全面的安全性和應急備用方案。Schaeffler共享電動車是1種新型樣機,驗證了Schaeffler公司未來的驅動裝置和底盤方案,并在2018年又增添了客艙裝備方案。