基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)的研究

尤兵 李修森

（堡敦（天津）機(jī)電有限公司 天津 300380）

主題詞：輪轂電機(jī) 轉(zhuǎn)矩矢量 電機(jī)控制

1 前言

隨著新能源汽車的逐漸普及，人們對(duì)于電動(dòng)汽車的接受度越來(lái)越高。電動(dòng)車除了在環(huán)保、節(jié)約能源等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)及巨大競(jìng)爭(zhēng)力以外，在車輛性能上又有很多亮點(diǎn)（使車輛性能有很大提升），電動(dòng)汽車電機(jī)響應(yīng)速度快，低速轉(zhuǎn)矩高，加速性能大大高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，此外電動(dòng)汽車還可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)和能量回收，大大提高能量使用效率。

電動(dòng)車輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是當(dāng)今汽車驅(qū)動(dòng)的突破性技術(shù)，其不同于傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)及其他電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，四個(gè)輪轂電機(jī)集成到各個(gè)車輪的輪轂中，不但省去了傳統(tǒng)汽車極其復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，而且空間利用率更高，更容易實(shí)現(xiàn)汽車低地板化。隨著汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”的不斷加深，汽車平臺(tái)模塊化及動(dòng)力系統(tǒng)集成化越來(lái)越受到重視，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接把驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源安置于車輪中，其作為汽車驅(qū)動(dòng)終極形式的存在，受到越來(lái)越多的關(guān)注。其靈活的安裝方式給與整車裝配帶來(lái)了更大的便利（圖1），大大提高了汽車平臺(tái)模塊化，使汽車的車身和底盤(pán)設(shè)計(jì)不再受到動(dòng)力總成機(jī)械連接的約束，也為汽車設(shè)計(jì)開(kāi)拓了一個(gè)新的視野，為未來(lái)汽車共享及大規(guī)模定制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)（圖2）。

圖1 可以調(diào)節(jié)車身長(zhǎng)度和四輪轉(zhuǎn)向的輪轂電機(jī)汽車

圖2 一平臺(tái)多車型展示

由于系統(tǒng)布置的靈活性，為汽車實(shí)現(xiàn)多輪及多軸驅(qū)動(dòng)帶來(lái)很大方便，同時(shí)多個(gè)動(dòng)力源相較于傳統(tǒng)一個(gè)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源在非道路復(fù)雜環(huán)境下更加安全可靠，對(duì)普通多軸驅(qū)動(dòng)的越野車是一個(gè)極具吸引力的特點(diǎn)。因此在非道路汽車的應(yīng)用上，也有很大的發(fā)展空間[1]。同時(shí)，即使在一般乘用車的應(yīng)用上，前后軸四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)也比普通四輪驅(qū)動(dòng)更容易控制更具驅(qū)動(dòng)上的優(yōu)勢(shì)（圖3）。

圖3 Protean改裝的四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車

目前，全球主要的輪轂電機(jī)供應(yīng)商包括Protean、舍弗勒、Elaphe等。舍弗勒主要專注于小尺寸輪轂電機(jī)，面向微型物流車，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)+減速器結(jié)構(gòu)，峰值轉(zhuǎn)矩700 N·m，峰值功率40 kW，額定功率33 kW[2]。Elaphe的輪轂電機(jī)產(chǎn)品有很多種，其與亞太集團(tuán)合作主要面向中國(guó)市場(chǎng)的輪轂電機(jī)M700主要應(yīng)用在17.5寸輪轂中，其峰值轉(zhuǎn)矩700 N·m，最高轉(zhuǎn)速1500 r/min，峰值功率70 kW，額定功率50 kW[3]。但其仍然需要外部的電子電力系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制，而下面介紹的Protean公司主要專注于高性能與高度集成化的直驅(qū)輪轂電機(jī)。

2 Protean輪轂電機(jī)概述

Protean作為輪轂電機(jī)研發(fā)的先驅(qū)者，早在十五年前就開(kāi)始從事輪轂電機(jī)的研發(fā)，從第一代輪轂電機(jī)到現(xiàn)在也已經(jīng)有12年的光景，目前研制生產(chǎn)的第四代輪轂電機(jī)Pd18適用于18寸的輪輞中（圖4），峰值功率為80 kW，峰值轉(zhuǎn)矩高達(dá)1 250 N·m，是目前世界上功率密度最大的輪轂電機(jī)，詳見(jiàn)表1。其采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)車輪并且高度集成IGBT等電力電子設(shè)備，因?yàn)槠渫廪D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其可以直接驅(qū)動(dòng)車輪而無(wú)需任何減速機(jī)構(gòu)，總體效率大大提升的同時(shí)，還保證了良好的NVH特性。

Protean研發(fā)的輪轂電機(jī)Pd18不僅擁有巨大的能量密度，并且無(wú)論是在驅(qū)動(dòng)或是制動(dòng)上，都擁有超高的工作效率（圖5）。同時(shí)Protean還提供一整套個(gè)性化制動(dòng)解決方案以滿足各個(gè)客戶的需求，詳細(xì)的制動(dòng)效率Map見(jiàn)圖6。

圖4 Protean輪轂電機(jī)示意圖

表1 Pd18主要技術(shù)參數(shù)

圖5 驅(qū)動(dòng)效率Map圖

圖6 制動(dòng)效率Map圖

由于四個(gè)安裝在車輪的輪轂電機(jī)都具有迅速而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，并且各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立可控的特點(diǎn)，使得動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也變得更易實(shí)現(xiàn)[4]，例如如下介紹的轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)（Torque vectoring）。

3 Protean對(duì)轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)的研究

傳統(tǒng)的燃油車及電驅(qū)動(dòng)橋式電動(dòng)車動(dòng)力源來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)或布置在前艙或車橋上的單電機(jī)，其需要用變速器、傳動(dòng)軸、差速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力輸出到左右車輪，由于轉(zhuǎn)彎時(shí)左右輪的轉(zhuǎn)速差，需要利用差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)左右車輪差速，但是差速器的應(yīng)用極大的影響了汽車行駛在低附路面的安全穩(wěn)定性、行駛過(guò)障能力及轉(zhuǎn)向性能等。轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)（Torque vectoring）就是針對(duì)這一系列的問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。

轉(zhuǎn)矩矢量分配的作用包括：增加汽車安全穩(wěn)定性；提高汽車在低附路面的行駛能力；減少轉(zhuǎn)彎半徑；增加轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)性等。傳統(tǒng)的限滑差速器可以部分實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矢量分配功能，但是其作用有限并不能完全發(fā)揮轉(zhuǎn)矩分配的作用。新出現(xiàn)的由控制器控制的轉(zhuǎn)矩分配差速器因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，只被少數(shù)公司所掌握，僅僅應(yīng)用在部分豪華轎車的配置上。并且目前大部分矢量轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)，都是基于差速器、離合器、制動(dòng)油泵、電磁閥等等一系列部件協(xié)同工作，所以目前的矢量轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)需要增加很多控制元件和執(zhí)行部件，不可避免的要增大能耗影響整車排放性，降低整車效率，由于制動(dòng)器的制動(dòng)效能、散熱能力等性能限制，只能在一定比例上進(jìn)行分配，并不能保證矢量轉(zhuǎn)矩的任意分配，同時(shí)顯著的增加用車成本。

而基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)研發(fā)應(yīng)用的矢量轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)其左右車輪天然解耦的特性，由控制器直接控制輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩差即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配，不需要增加任何其他的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制元件，成本增加很少，同時(shí)電機(jī)響應(yīng)更迅速和準(zhǔn)確，并且可以按需要任意分配轉(zhuǎn)矩，更好地滿足車輛性能需求（圖7），大大增加了應(yīng)用輪轂電機(jī)車輛的安全性；以上總總表明，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)是轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)應(yīng)用收益最大化的平臺(tái)。

圖7 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的任意分配

目前，Protean就轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)在其改裝車上進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)原燃油車的改裝，使其變成四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，基于此對(duì)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證工作。Protean技術(shù)人員對(duì)轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)環(huán)仿真及實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，輸入信號(hào)包括：車速信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)及轉(zhuǎn)向角速度、整車驅(qū)動(dòng)力及整車橫擺率信號(hào)。通過(guò)對(duì)不同車速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及角速度等來(lái)模擬覆蓋大部分的行駛轉(zhuǎn)彎工況。圖8是Protean輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制邏輯圖，圖9是轉(zhuǎn)矩矢量分配在轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)用。

圖8 Protean控制邏輯

圖9 轉(zhuǎn)矩矢量分配在轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)用

Protean工程師通過(guò)大量的仿真和駕駛員行駛標(biāo)定來(lái)得到理想的轉(zhuǎn)彎特性，通過(guò)大量的試驗(yàn)和標(biāo)定工作來(lái)保證試驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)向特性，避免車輛發(fā)生過(guò)多轉(zhuǎn)向。同時(shí)對(duì)驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩分配與轉(zhuǎn)彎半徑、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向特性等相關(guān)特性進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。

通過(guò)軟件仿真及實(shí)車實(shí)驗(yàn)標(biāo)定后得到的結(jié)果證明利用我們自主研發(fā)的轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)可以使汽車減少10%的轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)驗(yàn)證了在相同的橫擺角速度下，轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)可以使駕駛員減少一半的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角（圖10，圖11）。

圖10 轉(zhuǎn)矩矢量分配對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑的改善

轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)向性能改善，經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)ABS/ESP技術(shù)的深度融合，將會(huì)極大的改善制動(dòng)安全性。豐田的一項(xiàng)研究表明，采用輪轂電機(jī)技術(shù)可以縮短剎車距離7%[5]。Protean的工程團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索這一技術(shù)，以更好提升整車性能。

圖11 轉(zhuǎn)矩矢量分配對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的改善

4 結(jié)論及啟示

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)由于其簡(jiǎn)潔的驅(qū)動(dòng)形式和優(yōu)秀的性能，將會(huì)為汽車行業(yè)帶來(lái)全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，給未來(lái)的汽車人對(duì)于汽車技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)制造都提供了一個(gè)新的思路和平臺(tái)，未來(lái)更多的控制技術(shù)如轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)、轉(zhuǎn)向助力技術(shù)、穩(wěn)定性控制及他們之間協(xié)調(diào)控制等將會(huì)更容易，且更好的應(yīng)用在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，使其用很低的價(jià)格和簡(jiǎn)單的方式就實(shí)現(xiàn)為廣大客戶提供優(yōu)良性能的產(chǎn)品。同時(shí)由于輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別是易于集成和易于控制的特點(diǎn)，為汽車技術(shù)和汽車工業(yè)帶來(lái)了巨大的創(chuàng)新空間，未來(lái)的汽車將因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和成熟而帶來(lái)顛覆性的創(chuàng)新，將完全改變傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)和外形。輪轂電機(jī)由于直接安裝于汽車的輪輞中，可作為汽車的直接感知系統(tǒng)，跟智能網(wǎng)聯(lián)汽車深度融合，并且隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，智能交通逐漸提上日程，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將隨著智能化網(wǎng)聯(lián)化徹底改變城市現(xiàn)有的交通系統(tǒng)[6]。