電動汽車雙電機耦合驅動系統發展與趨勢

楊復鈺，張寶迪，呂沁陽，張欣

（北京交通大學機械與電子控制學院，北京 100044）

隨著能源危機和環境污染的壓力不斷加重，電動汽車被認為是符合未來發展趨勢的重要新能源汽車，電動汽車的技術也在不斷發展，但續駛里程短、電池使用壽命較短等因素制約了其進一步推廣。所以，優化電動汽車的整車驅動構型、提高系統能量利用率等方法就成為改善電動汽車性能的關鍵，并對未來電動汽車進一步推廣有重要意義。電動汽車的結構形式決定其基本的動力性能，并對電動汽車的設計開發起著至關重要的作用。雙電機耦合構型具有低能耗、動力性強、傳輸效率高、節能潛力大等特點，正逐漸成為新能源汽車領域的研究熱點。

電動汽車雙電機耦合構型根據布置形式的不同可以分為3種結構形式，如圖1所示：前后軸式結構、同軸式結構、兩軸式結構。

圖1 雙電機耦合構型的布置形式

目前雙電機動力總成類型主要分為兩大類：一類是沒有動力耦合機構的雙電機總成，另一類是有動力耦合機構的雙電機總成。沒有動力耦合機構的雙電機耦合構型主要代表為前后軸式結構，耦合控制方式為轉矩耦合。有動力耦合機構的雙電機耦合構型主要有同軸式結構和兩軸式結構，耦合控制方式分為轉速耦合、轉矩耦合或者同時具備轉速耦合和轉矩耦合。針對上述構型的結構形式、結構特點、耦合控制方式等進行歸納，見表1。

表1 雙電機耦合構型的特點

常見耦合機構主要有行星齒輪耦合機構、變速器耦合機構、同軸耦合機構等。轉速耦合是通過耦合機構實現的轉速疊加，動力總成的最高轉速將增加；轉矩耦合能夠實現轉矩疊加，動力總成的最大轉矩將增大，不同的耦合控制方式可以滿足不同的系統需求。同時具備轉速耦合和轉矩耦合方式的耦合機構比較復雜，在工作時，動力總成可以選擇轉速耦合工作模式或轉矩耦合工作模式，通過調整工作模式以提高能量利用率。

目前，雙電機前后軸式結構在市場上應用較為廣泛，對其研究主要集中在提升經濟性和穩定性控制等方面，針對同軸式結構和兩軸式結構的研究還主要集中在構型設計和控制策略等方面，關于構型的一些研究成果主要圍繞行星齒輪耦合結構進行。針對不同驅動系統的研究現狀，本文將從各系統的結構特點、耦合控制方式、應用研究現狀展開介紹。

1 雙電機前后軸式驅動系統

1.1 結構特點及耦合控制方式

雙電機前后軸式驅動可以實現四輪驅動，圖2為雙電機前后軸式驅動系統布置形式示意圖。該結構形式的特點是，兩臺電機分別位于前后驅動軸上，兩個電機各自搭載獨立的減速器和差速器等部件，分別向前、后軸輸出動力，可以實現四輪驅動。兩個電機的動力通過電控模塊控制驅動輪在路面上合成，不需要耦合機構即可實現轉矩耦合。

圖2 雙電機前后軸式驅動系統

1.2 應用與研究現狀

應用方面，當前市場上雙電機前后軸式驅動系統較為常見，常用于高檔電動汽車中。特斯拉Model S和Model X、蔚來ES6和ES8、北京奔馳EQC等均采用了雙電機前后軸式驅動系統。

在穩定性控制研究方面，孫大許等采用基于徑向基函數的自適應控制算法實現驅動防滑功能，仿真結果表明，能在不同路面工況下實現電動汽車的驅動防滑功能。李洋等為了得到前后軸驅動/制動的分配系數將前后輪附著極限作為優化目標，提升了車輛行駛穩定性。KLOMP等利用二次約束線性規劃的方法來解決驅/制動和轉彎時的力分布優化問題，確保前后軸驅動電動車穩定行駛。文獻［11］對車輛的驅動防滑和轉向控制算法進行了研究和驗證，結果表明，控制算法均可有效抑制驅動輪的過度滑轉，保證行車穩定性。

在轉矩分配研究方面，余卓平和王軍年等分別提出通過轉矩優化分配的方法來提高電動汽車驅動系統效率。GAO Yue等基于動態規劃方法，在一定的驅動周期內優化了雙電機驅動系統的轉矩分配控制策略，提升了驅動系統效率，減少了功率損耗。孟祥飛等設計了雙模糊控制器，對雙電機純電動模式下的轉矩分配問題進行優化分配，并采用遺傳算法對系統的控制規則進行多目標尋優來提升系統綜合效率。YUAN Xibo等通過建立電機損耗模型，確定了給定速度下的轉矩與電機效率的關系，制定了相應的轉矩分配策略和優化方案。

雙電機前后軸式驅動車型一般配置單速變速器，依靠電機實現調速，結構簡單，控制方便；制動能量回收可以利用前后軸上的兩個電機進行，其能量回收效率具有明顯優勢。目前的文獻中，控制策略方面的驗證多通過仿真進行，并沒有進行實車驗證；針對不同的路面附著系數還沒有不同的轉矩分配方案，整車經濟性還有進一步提升的空間；該結構形式目前仍然采用傳統的差速器進行機械差速，因此，為了避免打滑等情況在差速系統中增加了鎖止裝置，一方面增加了復雜程度，一方面會對車輛的四驅性能產生一定的影響。針對目前結構形式不足、控制策略缺少實車驗證以及如何更加智能地實現轉矩節能分配等問題，仍需開展進一步的研究工作。

2 雙電機同軸式驅動系統

2.1 結構特點及耦合控制方式

雙電機同軸式驅動系統的驅動形式為雙電機同軸兩驅。該結構的特點是兩個電機同軸輸出動力，由于其縱向尺寸和重量比較大，常布置于電動客車中。目前，常見的雙電機同軸式結構有匹配AMT的雙電機耦合驅動系統、電機中空軸式雙電機耦合驅動系統，如圖3所示。

圖3 雙電機同軸式驅動系統

圖3a為匹配AMT的雙電機耦合驅動系統，一般由主驅電機、AMT變速器和雙輸出端輔助電機構成。主驅電機與輔助電機動力進行同軸轉矩耦合，最終通過輔助電機輸出到驅動橋。該構型結構簡單，制造成本低，但縱向尺寸較長會降低布置靈活性，此外，主驅電機工作時會拖拽輔助電機工作導致傳動效率降低。

圖3b為電機中空軸式雙電機耦合驅動系統，一般由雙電機和一個多擋變速器構成。電機1與輸出軸1相連，中空式電機2與輸出軸2相連，電機1和電機2分別通過兩個輸出軸將動力輸入到變速器齒輪上，通過換擋機構選擇將動力傳遞。兩個電機在切換工作模式時可以實現動力補償，所以在模式切換時無動力中斷現象，但兩個電機只有高轉速運行時才能保證高轉速需求。

2.2 應用與研究現狀

在匹配AMT的雙電機耦合驅動系統方面，蘇州綠控傳動科技有限公司，南京越博動力系統股份有限公司基于AMT變速器開發出多種動力組合方案，廣泛應用于純電動公交車、電動巴士、景區旅游車等。劉正偉對電動客車無同步器AMT換擋過程控制進行了研究。曹廣富針對搭載AMT的純電動客車動力特性進行了研究。

在電機中空軸式雙電機耦合驅動系統方面，北汽新能源申請的雙電機轉矩耦合驅動專利構型中的兩個電機采用電機中空軸式同軸布置并搭配變速器調速，可以實現雙電機轉矩耦合驅動。李磊等申請的中空軸式雙電機驅動結構專利，可以使電動汽車的動力多擋控制輸出，換擋過程沒有動力中斷。于濤等提出一種中空軸式雙電機單行星排動力系統，但其中一個電機不能單獨工作，并且雙電機的轉矩必須滿足行星齒輪特性參數才能實現轉矩耦合。

目前階段，已經匹配AMT的雙電機耦合驅動系統的純電動車輛主要應用于純電動客車中，但由于AMT變速器自身結構的原因，換擋過程存在動力中斷現象，影響乘車體驗。電機中空軸式雙電機耦合驅動系統實現難度較大，要滿足電機中空并且要實現兩個電機耦合。該種構型目前多見于專利和文獻中，相關研究僅停留在仿真試驗階段，難以實際應用。

3 雙電機兩軸式驅動系統

3.1 結構特點及耦合控制方式

雙電機兩軸式驅動系統的驅動形式為雙電機異軸兩驅，該結構的特點是兩個驅動電機能分別輸出動力，通過耦合機構將動力進行耦合后輸出。目前，常見的兩軸式結構主要有匹配行星齒輪機構的雙電機耦合驅動系統、匹配DCT的雙電機耦合驅動系統，如圖4所示。

圖4a為匹配行星齒輪機構的雙電機耦合驅動系統，該結構的耦合機構主要采用行星齒輪機構。該類型的構型特點主要體現在利用行星齒輪多自由度特點，通過選擇太陽輪、齒圈、行星架3個構件中的兩個作為動力輸入，兩個電機的動力經過行星齒輪機構完成轉速耦合或轉矩耦合。因此，匹配不同行星齒輪機構的雙電機驅動系統就具備不同的耦合控制方式，可以分為：（1）轉速耦合方式；（2）轉矩耦合方式；（3）轉速+轉矩耦合方式。

圖4 雙電機兩軸式驅動系統

結構為匹配DCT的雙電機耦合驅動系統如圖4b所示，該結構通過控制同步器等執行機構分別工作或是同時工作來實現兩個電機分別驅動以及轉矩耦合驅動3種工作模式，實現電機單獨工作或者雙電機轉矩耦合工作。

3.2 應用與研究現狀

當前匹配行星齒輪機構的雙電機驅動系統應用與研究較多，根據不同的耦合控制方式應用與研究方面也存在一些區別。

目前市場上匹配行星齒輪機構的雙電機轉速耦合驅動系統應用較少，多處于理論研究階段。CORONADO等提出了一種利用行星齒輪傳動系統實現雙電機轉速耦合的驅動系統，仿真結果表明，車輛在整車效率和續駛里程方面均有所提升。ZHANG Shuo等提出了基于行星齒輪的雙電機轉速耦合驅動系統并對系統完成了參數匹配，通過仿真驗證了系統的有效性。武小花等以提升整車動力性作為目標，劃分了驅動系統工作模式、優化模式切換控制策略，有效提升了整車動力性。韓光偉針對雙電機行星耦合驅動系統進行了驅動協調控制、模式切換控制以及系統參數優化等方面的研究，并通過仿真對參數優化方案進行了驗證。

3.2.2 轉矩耦合方式

北汽福田汽車申請的雙電機驅動系統結構專利中通過對行星齒輪機構中行星架的固定鎖止，實現了兩個電機獨立驅動和轉矩耦合驅動的工作模式。劉健在雙電機轉矩耦合驅動系統的參數匹配方面進行了研究，結果表明，電動汽車在雙電機轉矩耦合驅動系統驅動下各項指標均優于單電機單減速器系統。王峰等針對提出的轉矩耦合驅動系統的電機和傳動系統的參數進行選擇和匹配，采用求解約束問題的復合形法對各擋傳動比進行了優化，驗證了優化設計的參數能滿足車輛動力性和能耗經濟性要求。為了提升經濟性，張瓊等提出針對某雙電機動力系統匹配兩擋變速器的控制方案，從控制策略出發，選用不同擋位和轉矩的動態分配，更好地兼顧了經濟性和動力性要求。

3.2.3 轉速+轉矩耦合方式

孫逢春等在專利中公開了一種雙電機轉速+轉矩耦合驅動系統構型，通過控制方法可以提高整車效率，但是存在機械結構復雜，操控復雜等問題。劉德春等設計了一款雙電機轉速+轉矩耦合驅動系統構型，并通過Matlab/Simulink建立模型，證明了基于構型的控制策略有效性及構型的節能潛力優勢。WANG Yong等針對所設計的轉速+轉矩耦合驅動系統，采取量子遺傳算法對動力系統參數進行優化，結果表明可以減少能量消耗15.6%。龐濤提出一款包含多種工作模式的新型雙電機轉速+轉矩耦合驅動系統，采用遺傳算法尋優的方法對系統參數進行了優化，通過參數優化各項指標均有所提升。胡明輝等根據雙電機耦合結構特點，分析模式切換過程中各部件的工作狀態和運動學關系，以降低整車沖擊度為目標提出了模式切換策略，并通過仿真驗證了策略的有效性。

對于匹配DCT的雙電機驅動系統，上汽榮威Marvel X采用后輪同軸永磁同步雙電機實現轉矩耦合。美國特斯拉公司申請了一款雙電機耦合驅動系統專利，采用的是雙電機+差速器一體化的電驅動總成結構，實現了電機和驅動橋的集成并實現轉矩耦合。PARKINSON等提出了早期較為經典的雙電機驅動系統，該系統可以根據需求轉矩選擇不同的單雙電機驅動模式，但由于兩個電機及變速器均采用相同參數無法更好地動態調節工作區間，結構整體效率較低。HALL設計了轉矩耦合的雙電機驅動總成系統，通過不同工況下選擇主電機單獨驅動或主副電機聯合驅動模式滿足不同負荷下的動力需求，但系統能實現的驅動模式較少，所以電機的工作效率優化效果不明顯。

綜合上述分析，針對雙電機兩軸式驅動系統的研究與應用較為廣泛，通過分類分析發現針對匹配行星齒輪機構的不同雙電機耦合驅動系統中，雙電機轉速耦合系統能夠滿足高轉速需求，但無法滿足高轉矩需求，僅適用于高速低轉矩工況。由于缺少轉矩耦合，系統就需要匹配具有更大轉矩的電機才能滿足動力性方面的需求，會導致成本增加。雙電機轉矩耦合系統能滿足動力性需求，但不能很好地兼顧經濟性。針對這一問題，目前的研究主要通過系統的參數匹配和匹配多擋變速器來解決。針對雙電機轉速+轉矩耦合驅動系統，研究主要集中在如何充分利用同時具備的轉速耦合和轉矩耦合兩種驅動方式來提升系統的能量利用率。但由于整個驅動系統耦合機構中，行星齒輪機構的復雜性以及多離合器和制動器的配合使用增加了整個系統的結構復雜性，增加了成本和控制難度，仍需在這方面做大量的研究工作。

其次需要全球布局。如此前中遠海運集運總經理王海民所言，美國的需求不會因為關稅增加而下降，可能不從中國進口，但是會轉而從越南或者其他地區進口，美國國內也不會一夜之間建起很多的工廠。因此，航運企業需要進行全球化的運力配置，隨著貨量和需求的變化進行靈活配置。

目前，上述的文獻中相關構型多基于行星齒輪機構來實現，但受限于控制行星齒輪機構的復雜性，相關研究還停留在理論研究和仿真試驗階段，實際應用較少。對于匹配DCT的雙電機驅動系統涉及多個執行機構配合，所以控制較復雜，并且該類型同步器也比較復雜，成本較高。今后的研究方向應該從簡化構型、降低控制復雜性等方面入手，改善系統性能，提高能量利用率。

4 雙電機耦合驅動系統綜合對比分析

上文對電動汽車雙電機耦合驅動系統進行了分類概括，并對其應用與研究進行了總結分析。在此基礎上，從以下幾個方面對各類雙電機耦合驅動系統進行綜合對比分析。

動力性分析。雙電機前后軸式驅動系統可以實現四驅，動力性表現優秀。雙電機同軸式驅動系統具備轉矩耦合方式，動力性表現良好。雙電機兩軸式匹配行星齒輪機構的驅動系統中，轉速耦合方式僅適用于低扭工況，動力性表現較差。轉矩耦合方式與轉速+轉矩耦合方式動力性表現和雙電機同軸式驅動系統相當。匹配DCT的雙電機驅動系統具備轉矩耦合方式，動力性表現良好。

經濟性分析。雙電機前后軸式驅動系統可以實現單電機兩驅和雙電機四驅模式切換，經濟性表現良好。雙電機同軸式驅動系統可以搭配多擋變速器，經濟性表現良好，雙電機兩軸式匹配行星齒輪機構的驅動系統中，轉矩耦合方式和轉速耦合方式均由于擋位設置較少，經濟性表現一般。轉速+轉矩耦合方式可以實現4種工作模式，經濟性表現優秀。匹配DCT的雙電機驅動系統具備多個擋位，經濟性表現較好。

成本分析。雙電機前后軸驅動系統結構簡單，成本最低。雙電機同軸式驅動系統由于對電機要求較高加上配合其他變速器等機構，成本最高。雙電機兩軸式匹配行星齒輪機構的驅動系統中，轉速耦合方式和轉矩耦合方式需要使用行星齒輪機構，成本相對較高。轉速+轉矩耦合方式選用的行星齒輪機構更復雜，成本也更高一些。匹配DCT的雙電機耦合驅動系統結構較復雜，成本較高。

控制復雜性分析。雙電機前后軸驅動系統不存在耦合裝置中執行機構間的配合，控制起來相對簡單。雙電機同軸式驅動系統和雙電機兩軸式匹配行星齒輪機構的驅動系統中，轉速耦合方式和轉矩耦合方式均需要考慮耦合裝置中執行機構的配合以及要實現各模式間的切換等，控制相對復雜。轉速+轉矩耦合驅動系統中的耦合機構最復雜，機構配合情況多、工作模式最多，所以從控制角度方面來說最復雜。匹配DCT的雙電機都具有3種工作模式，控制起來較復雜。

布置靈活性分析。雙電機前后軸獨立驅動系統結構固定，布置方案單一。雙電機同軸式驅動系統縱向尺寸要求較長，不適合前置前驅和后置后驅的方案，目前僅應用于大型客車中。雙電機兩軸式匹配行星齒輪機構的驅動系統所占橫向空間較大，可選用的布置方案不多。匹配DCT的雙電機驅動系統布置方案相對靈活，可以選擇前置或者后置。針對上述各類耦合驅動系統相對表現的綜合對比分析評價結果見表2。

表2 雙電機耦合驅動系統綜合對比分析

圖5為雙電機耦合驅動系統綜合對比分析圖，更能直觀地顯示出各雙電機耦合構型驅動系統在動力性、經濟性、布置靈活性、成本、控制復雜性5個維度的特點。通過上述綜合分析，可以發現正向指標經濟性和動力性方面性能的提升，將會引起逆向指標成本增加和結構復雜性等問題。如何在這其中做出選擇或如何整合各方面優勢，尋找最合適的方案，將是未來一段時間研究的難點與熱點問題。雙電機耦合構型需根據不同工況和駕駛意圖，實時判別適合車輛運行的工作模式并進行切換。如何通過控制系統智能高效地進行模式的識別和切換，如何保證整車高效率的運行，也是今后研究的關鍵。

圖5 雙電機耦合驅動系統綜合對比

5 結論

（1）分析了雙電機構型相對于單電機構型的節能優勢，主要體現在提高電機負荷率和優化調節性能兩方面。一方面在同樣的整備質量和動力性目標下，雙電機構型車輛可以選擇兩個功率容量更小的電機，在需求功率不高的情況下，選擇小電機工作，電機負荷率提高也就代表著整車經濟性的提高。另一方面，根據不同的工況，系統可以選擇不同的驅動方式進行性能調節，以此提升電機工作效率，達到提高能量利用率的目的。

（2）介紹了在雙電機耦合驅動構型中，雙電機前后軸式驅動系統、匹配DCT的雙電機轉矩耦合驅動系統的應用和研究更為廣泛。匹配行星齒輪機構的雙電機轉速耦合驅動系統由于動力性不足等原因，相關的研究和實際應用相對較少。雙電機轉矩耦合驅動系統可以實現轉矩疊加，這樣動力總成的最大轉矩將增大，因此，轉矩耦合方案適合于有高轉矩需求的車輛。

（3）匹配行星齒輪機構的雙電機轉速+轉矩耦合系統雖然機構復雜，但由于存在多種工作配合方式和相關控制策略，可根據不同工況實現多種工作方案，是目前雙電機耦合構型中節能潛力最優的一種，但在動力性、控制難度等方面還需要進一步優化。因此，雙電機轉速+轉矩耦合構型還具有很大的研究空間和發展潛力。

（4）分析了雙電機耦合構型存在的問題，從動力性、經濟性、成本、控制復雜性等角度分析了各構型的特點。從目前的技術難度和研究成果等方面可以看出，雙電機前后軸式驅動系統和雙電機轉矩耦合系統具有較好的應用價值。對于不同構型，未來的研究重點仍是以降低成本和控制難度、提高整車能量利用率、延長續駛里程為主。