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輪轂電機驅(qū)動平臺的轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)
2019-07-09 23:46:42· 來源：EDC電驅(qū)未來
隨著新能源汽車的逐漸普及，人們對于電動汽車的接受度越來越高。電動車除了在環(huán)保、節(jié)約能源等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢及巨大競爭力以外，在車輛性能上又有很多亮點（使車
隨著新能源汽車的逐漸普及，人們對于電動汽車的接受度越來越高。電動車除了在環(huán)保、節(jié)約能源等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢及巨大競爭力以外，在車輛性能上又有很多亮點（使車輛性能有很大提升），電動汽車電機響應(yīng)速度快，低速轉(zhuǎn)矩高，加速性能大大高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，此外電動汽車還可以實現(xiàn)再生制動和能量回收，大大提高能量使用效率。
電動車輪轂電機驅(qū)動技術(shù)是當今汽車驅(qū)動的突破性技術(shù)，其不同于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機及其他電驅(qū)動技術(shù)，四個輪轂電機集成到各個車輪的輪轂中，不但省去了傳統(tǒng)汽車極其復雜的傳動機構(gòu)，使汽車實現(xiàn)輕量化的目標，而且空間利用率更高，更容易實現(xiàn)汽車低地板化。隨著汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”的不斷加深，汽車平臺模塊化及動力系統(tǒng)集成化越來越受到重視，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)直接把驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的動力源安置于車輪中，其作為汽車驅(qū)動終極形式的存在，受到越來越多的關(guān)注。其靈活的安裝方式給與整車裝配帶來了更大的便利（圖1），大大提高了汽車平臺模塊化，使汽車的車身和底盤設(shè)計不再受到動力總成機械連接的約束，也為汽車設(shè)計開拓了一個新的視野，為未來汽車共享及大規(guī)模定制打下堅實基礎(chǔ)（圖2）。
圖1 可以調(diào)節(jié)車身長度和四輪轉(zhuǎn)向的輪轂電機汽車
圖2 一平臺多車型展示
由于系統(tǒng)布置的靈活性，為汽車實現(xiàn)多輪及多軸驅(qū)動帶來很大方便，同時多個動力源相較于傳統(tǒng)一個內(nèi)燃機動力源在非道路復雜環(huán)境下更加安全可靠，對普通多軸驅(qū)動的越野車是一個極具吸引力的特點。因此在非道路汽車的應(yīng)用上，也有很大的發(fā)展空間。同時，即使在一般乘用車的應(yīng)用上，前后軸四輪獨立驅(qū)動也比普通四輪驅(qū)動更容易控制更具驅(qū)動上的優(yōu)勢（圖3）。
圖3 Protean改裝的四輪輪轂電機驅(qū)動汽車
目前，全球主要的輪轂電機供應(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，面向微型物流車，其驅(qū)動系統(tǒng)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機+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。Elaphe的輪轂電機產(chǎn)品有很多種，其與亞太集團合作主要面向中國市場的輪轂電機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。但其仍然需要外部的電子電力系統(tǒng)來進行電機控制，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。
2 Protean輪轂電機概述
Protean作為輪轂電機研發(fā)的先驅(qū)者，早在十五年前就開始從事輪轂電機的研發(fā)，從第一代輪轂電機到現(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1 250 N·m，是目前世界上功率密度最大的輪轂電機，詳見表1。其采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動車輪并且高度集成IGBT等電力電子設(shè)備，因為其外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其可以直接驅(qū)動車輪而無需任何減速機構(gòu)，總體效率大大提升的同時，還保證了良好的NVH特性。
Protean研發(fā)的輪轂電機Pd18不僅擁有巨大的能量密度，并且無論是在驅(qū)動或是制動上，都擁有超高的工作效率（圖5）。同時Protean還提供一整套個性化制動解決方案以滿足各個客戶的需求，詳細的制動效率Map見圖6。
圖4 Protean輪轂電機示意圖
表1 Pd18主要技術(shù)參數(shù)
圖5 驅(qū)動效率Map圖
圖6 制動效率Map圖
由于四個安裝在車輪的輪轂電機都具有迅速而準確的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，并且各個驅(qū)動輪獨立可控的特點，使得動力學控制系統(tǒng)的設(shè)計也變得更易實現(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)動橋式電動車動力源來源于發(fā)動機或布置在前艙或車橋上的單電機，其需要用變速器、傳動軸、差速器等傳動機構(gòu)把動力輸出到左右車輪，由于轉(zhuǎn)彎時左右輪的轉(zhuǎn)速差，需要利用差速器來實現(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）就是針對這一系列的問題而開發(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)彎機動性等。傳統(tǒng)的限滑差速器可以部分實現(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)復雜、價格昂貴，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，由于制動器的制動效能、散熱能力等性能限制，只能在一定比例上進行分配，并不能保證矢量轉(zhuǎn)矩的任意分配，同時顯著的增加用車成本。
而基于輪轂電機驅(qū)動平臺研發(fā)應(yīng)用的矢量轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)因為輪轂電機四輪獨立驅(qū)動其左右車輪天然解耦的特性，由控制器直接控制輪轂電機輸出轉(zhuǎn)矩差即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配，不需要增加任何其他的執(zhí)行機構(gòu)和控制元件，成本增加很少，同時電機響應(yīng)更迅速和準確，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)用輪轂電機車輛的安全性；以上總總表明，輪轂電機驅(qū)動平臺是轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)應(yīng)用收益最大化的平臺。
圖7 輪轂電機驅(qū)動可以進行轉(zhuǎn)矩的任意分配
目前，Protean就轉(zhuǎn)矩分配技術(shù)在其改裝車上進行了相關(guān)研究，通過對原燃油車的改裝，使其變成四輪輪轂電機驅(qū)動汽車，基于此對輪轂電機的驅(qū)動、制動及轉(zhuǎn)矩分配進行了一系列的驗證工作。Protean技術(shù)人員對轉(zhuǎn)矩矢量分配技術(shù)進行了開環(huán)仿真及實車試驗驗證，輸入信號包括：車速信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號及轉(zhuǎn)向角速度、整車驅(qū)動力及整車橫擺率信號。通過對不同車速、方向盤轉(zhuǎn)角及角速度等來模擬覆蓋大部分的行駛轉(zhuǎn)彎工況。圖8是Protean輪轂電機驅(qū)動的控制邏輯圖，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工程師通過大量的仿真和駕駛員行駛標定來得到理想的轉(zhuǎn)彎特性，通過大量的試驗和標定工作來保證試驗車輛的轉(zhuǎn)向特性，避免車輛發(fā)生過多轉(zhuǎn)向。同時對驗證轉(zhuǎn)矩分配與轉(zhuǎn)彎半徑、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向特性等相關(guān)特性進行對比分析驗證。
通過軟件仿真及實車實驗標定后得到的結(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，同時驗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轉(zhuǎn)角（圖10，圖11）。
圖10 轉(zhuǎn)矩矢量分配對轉(zhuǎn)彎半徑的改善
轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)不僅可以實現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)向性能改善，經(jīng)過與傳統(tǒng)ABS/ESP技術(shù)的深度融合，將會極大的改善制動安全性。豐田的一項研究表明，采用輪轂電機技術(shù)可以縮短剎車距離7%。Protean的工程團隊將繼續(xù)探索這一技術(shù)，以更好提升整車性能。
圖11 轉(zhuǎn)矩矢量分配對方向盤轉(zhuǎn)角的改善
4 結(jié)論及啟示
輪轂電機驅(qū)動由于其簡潔的驅(qū)動形式和優(yōu)秀的性能，將會為汽車行業(yè)帶來全新的機遇和挑戰(zhàn)，給未來的汽車人對于汽車技術(shù)的實現(xiàn)與生產(chǎn)制造都提供了一個新的思路和平臺，未來更多的控制技術(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)控制等將會更容易，且更好的應(yīng)用在輪轂電機驅(qū)動平臺，使其用很低的價格和簡單的方式就實現(xiàn)為廣大客戶提供優(yōu)良性能的產(chǎn)品。同時由于輪轂電機結(jié)構(gòu)上的獨特優(yōu)勢，特別是易于集成和易于控制的特點，為汽車技術(shù)和汽車工業(yè)帶來了巨大的創(chuàng)新空間，未來的汽車將因為輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展和成熟而帶來顛覆性的創(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，輪轂電機驅(qū)動技術(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)。
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