基于輪轂電機驅動平臺的轉矩矢量分配技術的研究

尤兵 李修森

（堡敦（天津）機電有限公司 天津 300380）

主題詞：輪轂電機 轉矩矢量 電機控制

1 前言

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。電動車除了在環保、節約能源等方面表現出優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），電動汽車電機響應速度快，低速轉矩高，加速性能大大高于傳統內燃機汽車，此外電動汽車還可以實現再生制動和能量回收，大大提高能量使用效率。

電動車輪轂電機驅動技術是當今汽車驅動的突破性技術，其不同于傳統燃油發動機及其他電驅動技術，四個輪轂電機集成到各個車輪的輪轂中，不但省去了傳統汽車極其復雜的傳動機構，使汽車實現輕量化的目標，而且空間利用率更高，更容易實現汽車低地板化。隨著汽車產業“新四化”的不斷加深，汽車平臺模塊化及動力系統集成化越來越受到重視，輪轂電機驅動技術直接把驅動車輪轉動的動力源安置于車輪中，其作為汽車驅動終極形式的存在，受到越來越多的關注。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計不再受到動力總成機械連接的約束，也為汽車設計開拓了一個新的視野，為未來汽車共享及大規模定制打下堅實基礎（圖2）。

圖1 可以調節車身長度和四輪轉向的輪轂電機汽車

圖2 一平臺多車型展示

由于系統布置的靈活性，為汽車實現多輪及多軸驅動帶來很大方便，同時多個動力源相較于傳統一個內燃機動力源在非道路復雜環境下更加安全可靠，對普通多軸驅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用上，也有很大的發展空間[1]。同時，即使在一般乘用車的應用上，前后軸四輪獨立驅動也比普通四輪驅動更容易控制更具驅動上的優勢（圖3）。

圖3 Protean改裝的四輪輪轂電機驅動汽車

目前，全球主要的輪轂電機供應商包括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，其驅動系統采用內轉子電機+減速器結構，峰值轉矩700 N·m，峰值功率40 kW，額定功率33 kW[2]。Elaphe的輪轂電機產品有很多種，其與亞太集團合作主要面向中國市場的輪轂電機M700主要應用在17.5寸輪轂中，其峰值轉矩700 N·m，最高轉速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輪轂電機。

2 Protean輪轂電機概述

Protean作為輪轂電機研發的先驅者，早在十五年前就開始從事輪轂電機的研發，從第一代輪轂電機到現在也已經有12年的光景，目前研制生產的第四代輪轂電機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。其采用外轉子結構直接驅動車輪并且高度集成IGBT等電力電子設備，因為其外轉子結構使其可以直接驅動車輪而無需任何減速機構，總體效率大大提升的同時，還保證了良好的NVH特性。

Protean研發的輪轂電機Pd18不僅擁有巨大的能量密度，并且無論是在驅動或是制動上，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主要技術參數

圖5 驅動效率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矩響應特性，并且各個驅動輪獨立可控的特點，使得動力學控制系統的設計也變得更易實現[4]，例如如下介紹的轉矩矢量分配技術（Torque vectoring）。

3 Protean對轉矩矢量分配技術的研究

傳統的燃油車及電驅動橋式電動車動力源來源于發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、差速器等傳動機構把動力輸出到左右車輪，由于轉彎時左右輪的轉速差，需要利用差速器來實現左右車輪差速，但是差速器的應用極大的影響了汽車行駛在低附路面的安全穩定性、行駛過障能力及轉向性能等。轉矩矢量分配技術（Torque vectoring）就是針對這一系列的問題而開發的。

轉矩矢量分配的作用包括：增加汽車安全穩定性；提高汽車在低附路面的行駛能力；減少轉彎半徑；增加轉彎機動性等。傳統的限滑差速器可以部分實現轉矩矢量分配功能，但是其作用有限并不能完全發揮轉矩分配的作用。新出現的由控制器控制的轉矩分配差速器因其結構復雜、價格昂貴，只被少數公司所掌握，僅僅應用在部分豪華轎車的配置上。并且目前大部分矢量轉矩分配技術，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同工作，所以目前的矢量轉矩分配技術需要增加很多控制元件和執行部件，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。

而基于輪轂電機驅動平臺研發應用的矢量轉矩分配技術因為輪轂電機四輪獨立驅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矩差即可實現轉矩分配，不需要增加任何其他的執行機構和控制元件，成本增加很少，同時電機響應更迅速和準確，并且可以按需要任意分配轉矩，更好地滿足車輛性能需求（圖7），大大增加了應用輪轂電機車輛的安全性；以上總總表明，輪轂電機驅動平臺是轉矩矢量分配技術應用收益最大化的平臺。

圖7 輪轂電機驅動可以進行轉矩的任意分配

目前，Protean就轉矩分配技術在其改裝車上進行了相關研究，通過對原燃油車的改裝，使其變成四輪輪轂電機驅動汽車，基于此對輪轂電機的驅動、制動及轉矩分配進行了一系列的驗證工作。Protean技術人員對轉矩矢量分配技術進行了開環仿真及實車試驗驗證，輸入信號包括：車速信號、方向盤轉角信號及轉向角速度、整車驅動力及整車橫擺率信號。通過對不同車速、方向盤轉角及角速度等來模擬覆蓋大部分的行駛轉彎工況。圖8是Protean輪轂電機驅動的控制邏輯圖，圖9是轉矩矢量分配在轉彎工況的應用。

圖8 Protean控制邏輯

圖9 轉矩矢量分配在轉彎工況的應用

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彎特性，通過大量的試驗和標定工作來保證試驗車輛的轉向特性，避免車輛發生過多轉向。同時對驗證轉矩分配與轉彎半徑、方向盤轉角、轉向特性等相關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果證明利用我們自主研發的轉矩矢量分配技術可以使汽車減少10%的轉彎半徑，同時驗證了在相同的橫擺角速度下，轉矩矢量分配技術可以使駕駛員減少一半的方向盤轉角（圖10，圖11）。

圖10 轉矩矢量分配對轉彎半徑的改善

轉矩矢量控制技術不僅可以實現上述的轉向性能改善，經過與傳統ABS/ESP技術的深度融合，將會極大的改善制動安全性。豐田的一項研究表明，采用輪轂電機技術可以縮短剎車距離7%[5]。Protean的工程團隊將繼續探索這一技術，以更好提升整車性能。

圖11 轉矩矢量分配對方向盤轉角的改善

4 結論及啟示

輪轂電機驅動由于其簡潔的驅動形式和優秀的性能，將會為汽車行業帶來全新的機遇和挑戰，給未來的汽車人對于汽車技術的實現與生產制造都提供了一個新的思路和平臺，未來更多的控制技術如轉矩分配技術、轉向助力技術、穩定性控制及他們之間協調控制等將會更容易，且更好的應用在輪轂電機驅動平臺，使其用很低的價格和簡單的方式就實現為廣大客戶提供優良性能的產品。同時由于輪轂電機結構上的獨特優勢，特別是易于集成和易于控制的特點，為汽車技術和汽車工業帶來了巨大的創新空間，未來的汽車將因為輪轂電機驅動技術的發展和成熟而帶來顛覆性的創新，將完全改變傳統汽車結構和外形。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，跟智能網聯汽車深度融合，并且隨著5G網絡的推廣，智能交通逐漸提上日程，輪轂電機驅動技術將隨著智能化網聯化徹底改變城市現有的交通系統[6]。