電驅(qū)動輪組在多軸線平板運輸車輛領域的應用分析

孟憲鑫，李 靜，楊桂龍

（1.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司，河北 秦皇島 066000；2.河北省重型裝備技術研究中心，河北 秦皇島 066000）

多軸線平板運輸車是一種多軸線、多懸架，多驅(qū)動輪組的輪胎式非道路特種運輸車輛（以下簡稱“平板車”），具有超長超寬、質(zhì)量大、軸線多的特點。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，對特大型鋼結構部件、大型混凝土橋梁部件、大型整臺機械部件等大型貨物的運輸需求越來越大，因此平板車作為一種輪胎式的場內(nèi)非道路運輸交通工具，在機械、建筑、冶金、石油化工、航空航天等各領域都發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，市場上主流銷售的平板車輪組驅(qū)動模式基本上都采用液壓驅(qū)動形式，即液壓泵驅(qū)動液壓馬達帶動輪邊減速機使平板車輪組轉動。隨著電驅(qū)動輪組的技術不斷發(fā)展，乘用類電動汽車技術逐步完善，電驅(qū)動輪組已開始被嘗試引入非道路工程車輛領域，以替換傳統(tǒng)平板車的液壓驅(qū)動輪組。電驅(qū)動動力技術作為一種新型的車輛動力技術，對現(xiàn)階段工程類特種車輛的發(fā)展起到了積極的推動作用，提供了一個非常重要的發(fā)展方向[1]。

1 平板車電動驅(qū)動系統(tǒng)方案概述

電動驅(qū)動輪組的平板車動力總成一般由柴油發(fā)電機組、電驅(qū)動輪邊總成、電池組及其管理系統(tǒng)及輪組控制系統(tǒng)組成。在平板車運行過程中，車輛的系統(tǒng)控制、各執(zhí)行操作機構的動力分配及動力系統(tǒng)的能量管理主要是通過CAN 總線技術來實現(xiàn)的。根據(jù)整車中央控制系統(tǒng)的程序命令，由柴油發(fā)動機、整流器以及發(fā)電機組成平板車的動力發(fā)電機組，通過配套的動力電池組共同為平板車輪組電動馬達提供所需要的電能。該系統(tǒng)通過對電動馬達及其控制系統(tǒng)的驅(qū)動，讓電動馬達運轉，將電能轉化為機械能，帶動輪邊減速機，進而驅(qū)動車輛輪組轉動[2]。當平板車進行制動時，電動馬達將車輛產(chǎn)生的動能再生為電能，然后將電能反饋至動力電池組中，以實現(xiàn)車輛的制動能源回收。

2 電驅(qū)動輪組與液壓驅(qū)動輪組的區(qū)別

現(xiàn)階段，大型液壓動力平板車的驅(qū)動系統(tǒng)多采用以閉式液壓傳動為主的傳動技術方式，閉式液壓系統(tǒng)是由液壓泵和液壓馬達組成的容積調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)液壓泵或者液壓馬達的排量，達到調(diào)節(jié)馬達的輸出轉速和輸出扭矩。該系統(tǒng)適用于外部負載慣性大，需要頻繁進行換向操作的機構，更由于其控制方式靈活，易于實現(xiàn)無極調(diào)速功能、布局方便、結構緊湊、占用空間小、控制方式靈活和過載保護能力強等特點，在大型工程車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中應用得非常廣泛。

與液壓驅(qū)動輪組相比，電驅(qū)動輪組在設備維護成本及節(jié)能減排方面具有顯著的優(yōu)勢：輪組的驅(qū)動電機代替了傳統(tǒng)的液壓馬達，大幅減少了車輛對工業(yè)液壓油的使用，降低了車輛使用方對工業(yè)廢油的處理成本；在輪組配套柴油發(fā)電機組加動力電池組的雙供能模式中，動力電池組可以接收輪組電機制動時產(chǎn)生的電能，進行回收利用，有效降低發(fā)電機組的燃油消耗，起到節(jié)能減排的作用。

相對于液壓驅(qū)動輪組的成熟技術，電驅(qū)動輪組在平板車類特種車輛的領域應用中尚處于起步研究階段，配套控制系統(tǒng)及電動元器件尚未形成成熟系統(tǒng)的供應鏈體系，在實際設計生產(chǎn)制造中還受到很多方面的制約：配套零部件制造尚處于起步階段，市場需求較少，配套的生產(chǎn)廠家制造的零部件缺少標準化、模塊化設計，多是根據(jù)平板車生產(chǎn)廠的具體要求進行定制化的設計制造，這導致其配套零部件的制造成本較高、供貨周期長；各部件之間的控制系統(tǒng)匹配性、兼容性差；輪組的驅(qū)動電機配套附件較多，所需安裝空間尺寸相對較大，同等動力性能參數(shù)下，電動元器件所需安裝的空間尺寸幾乎是液壓元件的1 倍，故電驅(qū)動輪組平板車在產(chǎn)品設計時，需要對平板車的相關結構進行較大的調(diào)整，才能滿足電驅(qū)動輪組的安裝要求，同時還能保證原有平板車機構的靈活性。電驅(qū)動輪組的系統(tǒng)復雜、配套供貨體系尚不成熟，設備整體設計制造成本較高，導致其現(xiàn)在尚未大范圍地應用到工程車輛領域中。

3 平板車整體控制模塊的設計

針對平板車的多軸線驅(qū)動輪組的布置方式，如果想用電驅(qū)動輪組實現(xiàn)傳統(tǒng)液壓驅(qū)動平板車輪組的相關功能，最關鍵的是要實現(xiàn)車輛整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的液壓閉式驅(qū)動系統(tǒng)可以利用限流閥、分流閥或調(diào)節(jié)液壓馬達排量等方式解決輪組行駛時的驅(qū)動力分配、轉向過程中內(nèi)外輪組的差速問題，保證運輸車在行駛過程中輪組的驅(qū)動性能達到最佳狀態(tài)。電驅(qū)動輪組要實現(xiàn)上述功能，則需在設計平板車的驅(qū)動模塊時，針對車輛的各種運行工況進行大量的數(shù)據(jù)收集與運算，協(xié)調(diào)控制好平板車行駛過程中各輪驅(qū)動電機的驅(qū)動扭矩及轉速輸出狀態(tài)，同時需根據(jù)運輸車啟動和制動條件，制定電動輪組的能源回收策[3]。

根據(jù)平板車的實際使用工況，進行電驅(qū)動輪組整車扭矩協(xié)調(diào)控制方案的設計時，應著重從下列工況入手。

3.1 平板車直線行駛控制的設計

當平板車在平整良好的道路上直線行駛時，各驅(qū)動輪組不需要差速分配，故在行駛過程中，平板車的中央系統(tǒng)只需要對各驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩進行平均分配，就可以保證車輛左右兩側的車輪轉速保持一致，實現(xiàn)運輸車的直線行駛功能。在直線行駛工況下，設計人員只需考慮車輛的動力性能力要求，就可以確定驅(qū)動輪數(shù)量，然后針對平板車的結構形式、空間尺寸及行駛道路坡度等技術參數(shù)對驅(qū)動輪組進行布置。

3.2 電動輪組輸出扭矩的協(xié)調(diào)控制設計

電動輪組的輸出扭矩控制系統(tǒng)的主要作用是保證同一軸線上各驅(qū)動輪間的協(xié)調(diào)運轉，在控制功能上主要可分為單電機扭矩控制、多電機同步協(xié)調(diào)控制等。設計系統(tǒng)的扭矩協(xié)調(diào)控制時，建立電機驅(qū)動力的分層控制系統(tǒng)是極為關鍵的一步。驅(qū)動力分層控制本質(zhì)上就是對車輛直接橫擺力矩的控制，其控制原理是通過運輸車配套的各種傳感器采集車身實時的運動姿態(tài)參數(shù)，將其與理想運動姿態(tài)參數(shù)進行比較，運輸車控制系統(tǒng)計算出糾正車身運動姿態(tài)所需的理想橫擺力矩，此橫擺力矩是由各輪驅(qū)動力對車輛質(zhì)心的扭矩差組成的[4]。驅(qū)動力的分層控制策略具有較好的動力學控制效果，能有效提高運輸車在行駛過程中的穩(wěn)定性。此外，在直行行駛的工況下，針對因路況不佳、驅(qū)動輪組布置不對稱或個別驅(qū)動電機出現(xiàn)故障而導致的驅(qū)動電機在輸出扭矩不相等或者轉向機構故障等所引起的跑偏現(xiàn)象，可以依靠驅(qū)動力分層控制策略制定修正橫擺力矩，達到補償電機輸出、修正運輸車的效果。

3.3 驅(qū)動輪組差速控制系統(tǒng)設計

平板車的輪組在進行轉向操作時，各軸線輪組的轉角關系和輪胎的轉動速度可以由阿克曼轉向原理所建立的數(shù)學模型進行推導計算，得出各軸線輪組轉角與對應輪組電機輸出轉速之間的數(shù)學關系。

在平板車行駛過程中，通過傳感器對整車質(zhì)心速度和方向盤轉角的檢測，系統(tǒng)程序可計算出每個驅(qū)動車輪繞轉向中心的線速度和車輪所需的電機轉速，通過中央控制器發(fā)出指令，實現(xiàn)對電機轉速的調(diào)節(jié)分配；使驅(qū)動輪組實現(xiàn)差速轉動，從而讓平板車實現(xiàn)平穩(wěn)轉向。

4 驅(qū)動電機的選型原則

從車輛使用的動力性、持續(xù)工作的穩(wěn)定性和安全性的角度出發(fā)，選擇車輛驅(qū)動輪組電機及其控制系統(tǒng)時，需要充分考慮設備的運行工況、使用頻率、動力部件故障概率等相關因素，采取冗余設計，確保運輸車行駛過程中的可靠性和安全性。

輪組的驅(qū)動電機應有比較寬泛的調(diào)速范圍，電機的最高轉速最好不低于2 倍基速，運輸車采用多軸線輪分布式電驅(qū)動方案時，配套的驅(qū)動電機的應具有良好的扭矩過載能力以及功率過載能力，扭矩峰值應不低于2 倍的額定扭矩值，峰值功率應高于1.5 倍的額定功率值，并且電機在扭矩及功率過載的工況下，仍能工作5min ～10min。

5 平板車動力管理模塊設計

目前較普遍的電驅(qū)動輪組平板車的動力配套方案：柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)過整流后和動力電池組并聯(lián)提供直流電壓，直流電壓經(jīng)過電機控制器逆變成大小和頻率可變的交流電給驅(qū)動電動機供電，使電動輪組正常工作。

由于平板車的電驅(qū)動輪組會涉及多個用電單元，因此設計車輛的供能系統(tǒng)管理模塊時，需要對平板車動力部件的算法進行科學合理制定，確保其能合理實現(xiàn)對車輛能源的分配管理以及系統(tǒng)控制，保證各部件之間的協(xié)同合作，使平板車具有良好的動力性和續(xù)航能力[5]。

6 結束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代電動驅(qū)動的技術越來越完善，電動驅(qū)動輪組已經(jīng)開始逐步被應用到更多的特種車輛的動力驅(qū)動方案設計中，電驅(qū)動技術的應用對于促進特種車輛工程的發(fā)展有著非常積極的意義[6-7]。結合我國特種工程車輛行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，工程車輛電驅(qū)動系統(tǒng)的研究依然處于起步階段，其相關技術尚存在一定的不足，只有結合社會的發(fā)展以及相關使用產(chǎn)業(yè)實際需求，加強對特種車輛電驅(qū)動輪組系統(tǒng)的研究，才能實現(xiàn)我國特種車輛工程行業(yè)的長效發(fā)展。