電動巴士舒適性與操控性分析

前言

車輛質量由簧上質量和簧下質量構成，簧上質量為彈簧承載的質量部分，包括車架、引擎、變速箱等，而簧下質量則是彈簧未承載的質量部分，也就是輪胎、輪框和制動系統等，其他連結簧上和簧下質量的桿件，其質量則會以均分的方式計入簧上和簧下質量中。簧上質量與簧下質量的比例對於一台車輛的行駛穩定性及舒適性有著重大的影響，一般來說簧上質量與簧下質量的比值越大越好。文獻［1］中提出，在不平坦的路面上，由於輪胎垂直振動，較大的簧下質量會對車輛的側向動態產生負面影響，其對於車輛俯仰姿態的影響最為明顯，在高速的條件下可能會產生車輛不穩定的狀況。這是為什麼許多改裝廠會針對輪框和連桿搖臂進行輕量化的原因，降低輪組和懸吊搖臂的重量，慣性就相對減少，遇到坑洞、顛頗路面時懸吊系統的反應會更加靈活，使輪胎能更加貼服路面，提升車輛之操控性與舒適性。

傳統車輛轉向系統會根據駕駛者輸入之操控指令，藉由轉向桿件控制輪胎滾動方向，使車輛達到轉向運動行為，而隨著車輛科技的發展，轉向輔助系統也隨之演進，包含動力輔助轉向（Power Steering，PS）、四輪轉向（Four Wheel Steering，4WS）、主動前輪轉向（Active Front Steering，AFS）、線控轉向（Steer By Wire，SBW）系統以及向量扭力控制系統（Torque Vectoring，TV）等［2］［3］，本文將以扭力向量控制系統為研究主軸。

車輛轉彎時，基於輪胎束角改變下所產生之轉彎力（Cornering Force）是車子抗衡離心力、穩定過彎之主要機制，但轉彎力常受到輪胎縱向力（含驅動力、剎車力）之影響，特別是在緊急狀態時（如急踩剎車），輪胎縱向打滑常會使轉彎力急遽下降，導致車子失控。此種輪胎縱向力牽制轉向力的現象，使強調可改善高速過彎性能之四輪轉向系統的效能大打折扣，因此現行車輛過彎時所使用之動態穩定控制（Dynamic Stability Control，DSC）系統大多使用剎車力調整車輛過彎時之行為。

除了剎車力的應用外，有一種利用左右側不同的驅動力以協助過彎之裝置被提出，稱為向量扭力（Torque Vectoring）。應用在引擎車上具向量扭力裝置之差速器，其係利用2組離合器主動地分別連結或切離2側驅動軸與驅動源，藉由2組離合器之接合差異，先將引擎扭矩進行分配，剩餘之引擎扭矩再進入差速器等值均分至2側輪胎，因此使2側輪胎有機會輸出不同的驅動力。

相對於內燃機車輛一定要使用差速器將單一引擎之動力分配至輪胎，電動車在馬達動力源的配置較具彈性，除了可如傳統引擎一樣設置單一馬達、並利用差速器將動力傳至輪胎外，也可以將所需動力分配給數顆馬達。例如在前軸和後軸分別配置一組馬達和差速器，在低速（後驅比例較高）和高速（前驅比例較高）行車時進行2組馬達的出力調整，使電動車在各種行駛速度下均能得到較佳的行駛性能。另一種則是在左右2側各別配置一組馬達，並依行駛狀況調整馬達出力，則可以使電動車具備向量扭力之功能，就可藉由調整左右輪之出力協助車輛過彎［4］。

電動巴士於舒適性和操控性之研究並不多，特別是舒適性部分。文獻［5］以 actual yaw rate 與 ref. yaw rate 之間的誤差作為控制變量進行 torque vectoring control，期望減少 yaw rate 的 tracking error 以提高車輛穩定性。文獻［6］提到隨著電動車的發展，針對車輛側向穩定性與控制靈活性發展了許多控制方案，例如 PID（proportional-integral-derivative）、SMC（sliding mode control）等，然而上述控制策略在緊急狀況下對車輛動態穩定的改善較為有限。故文獻［6］針對獨立後驅馬達使用模糊控制來進行 Torque vectoring 控制，並使用無跡卡爾曼濾波算法來估測 body sideslip angle，以提供額外的 yaw moment，補償駕駛員轉向行為以提高側向穩定性。文獻［7］提到以往有些車輛會加裝主動式防傾桿或安裝主動式懸吊系統以減少車身側傾，從而降低車輛側翻的可能；雖然主動式懸吊系統能有效地防止車輛翻覆，但在一般的乘用車上不太常見。因此文獻［7］透過 MPC（model predictive control）來追蹤 ref. yaw rate 和 body side slip angle，並增加防止側翻約束以實現側傾及偏航的穩定性。

有別於電動巴士目前強調在高速時之側傾和偏航穩定性的研究，本研究針對後軸2側配置輪邊馬達之12 m 電動巴士，分析輪邊馬達配置方式對於車輛舒適性之影響，以及向量扭力對於車輛操控性之影響，針對巴士於過彎時之轉彎半徑、內輪差部分進行分析研究。

輪邊馬達技術研究

本研究主要分成3個部分，第一部分為電動巴士之車輛建模，參考市面上12 m 電動巴士之相關資料，使用 ADAMS 軟體建構中置馬達以及輪邊馬達車輛模型。第二部分為電動巴士舒適性與操控性模擬分析，包括 A 級與 B 級路面（ISO8608）、單邊坑洞、壕溝路面等舒適性測試，步階轉向（step steer）、ISO Lane Change［8］等操控性測試，以比較輪邊馬達與中置馬達電動巴士之特性差異。第三部分則為轉向機制的特性分析，並針對輪邊馬達電動巴士發展向量扭力控制策略，之後進行步階轉向（step steer）、ISO Lane Change 等操控性分析，比較有無控制之特性差異，以及驗證向量扭力控制是否能達到減少迴轉半徑及降低內輪差的效果。

一、車輛建模

輪邊與中置馬達電動巴士之模型規格中，中置馬達模型整車重量較輪邊馬達模型重約43 kg，而輪邊馬達模型則因輪邊馬達安裝位置在懸吊系統之下，所以歸類為簧下質量，故全車簧下與後懸簧下之占比較高，得以比較2者在舒適性與操控性上的差異。在懸吊系統方面，前懸吊參考 ZF RL75E 獨立式氣壓前懸吊系統來建置，後懸吊則參考 ZF AV133 後整體式氣壓懸吊系統進行建模。

二、ADAMS 模擬分析

以車速30 km/h、60 km/h、80 km/h 分別模擬低、中、高速的行駛情況，執行電動巴士包括 A、B 級路面（ISO8608）、單邊坑洞、壕溝路面等舒適性測試，以及步階轉向（step steer）、ISO Lane Change 等操控性測試。在5 cm 壕溝路面測試中，2模型在低速時產生的 pitch acceleration 皆較高速時明顯，但不論車速快慢，輪邊模型皆產生較大的 pitch acceleration。在5 cm 單邊坑洞以及 A、B 級路面的模擬中，2模型在 pitch、vertical acceleration 方面差異不大，但輪邊模型所產生的 roll acceleration 皆較大，左右晃動較中置模型明顯，故簧下質量較重的輪邊模型在舒適性之表現較差。在步階轉向（step steer）及 ISO Lane Change 的2項操控性測試中，2模型不論在搖擺角速度、車身側滑角、側向加速度數據中皆無明顯差異。

DOI:10.30256/JIM.202607_(520).0014