基于轮毂电机驱动平台的转矩矢量分配技术的研究

尤兵 李修森

（堡敦（天津）机电有限公司 天津 300380）

主题词：轮毂电机 转矩矢量 电机控制

1 前言

随着新能源汽车的逐渐普及，人们对于电动汽车的接受度越来越高。电动车除了在环保、节约能源等方面表现出优势及巨大竞争力以外，在车辆性能上又有很多亮点（使车辆性能有很大提升），电动汽车电机响应速度快，低速转矩高，加速性能大大高于传统内燃机汽车，此外电动汽车还可以实现再生制动和能量回收，大大提高能量使用效率。

电动车轮毂电机驱动技术是当今汽车驱动的突破性技术，其不同于传统燃油发动机及其他电驱动技术，四个轮毂电机集成到各个车轮的轮毂中，不但省去了传统汽车极其复杂的传动机构，使汽车实现轻量化的目标，而且空间利用率更高，更容易实现汽车低地板化。随着汽车产业“新四化”的不断加深，汽车平台模块化及动力系统集成化越来越受到重视，轮毂电机驱动技术直接把驱动车轮转动的动力源安置于车轮中，其作为汽车驱动终极形式的存在，受到越来越多的关注。其灵活的安装方式给与整车装配带来了更大的便利（图1），大大提高了汽车平台模块化，使汽车的车身和底盘设计不再受到动力总成机械连接的约束，也为汽车设计开拓了一个新的视野，为未来汽车共享及大规模定制打下坚实基础（图2）。

图1 可以调节车身长度和四轮转向的轮毂电机汽车

图2 一平台多车型展示

由于系统布置的灵活性，为汽车实现多轮及多轴驱动带来很大方便，同时多个动力源相较于传统一个内燃机动力源在非道路复杂环境下更加安全可靠，对普通多轴驱动的越野车是一个极具吸引力的特点。因此在非道路汽车的应用上，也有很大的发展空间[1]。同时，即使在一般乘用车的应用上，前后轴四轮独立驱动也比普通四轮驱动更容易控制更具驱动上的优势（图3）。

图3 Protean改装的四轮轮毂电机驱动汽车

目前，全球主要的轮毂电机供应商包括Protean、舍弗勒、Elaphe等。舍弗勒主要专注于小尺寸轮毂电机，面向微型物流车，其驱动系统采用内转子电机+减速器结构，峰值转矩700 N·m，峰值功率40 kW，额定功率33 kW[2]。Elaphe的轮毂电机产品有很多种，其与亚太集团合作主要面向中国市场的轮毂电机M700主要应用在17.5寸轮毂中，其峰值转矩700 N·m，最高转速1500 r/min，峰值功率70 kW，额定功率50 kW[3]。但其仍然需要外部的电子电力系统来进行电机控制，而下面介绍的Protean公司主要专注于高性能与高度集成化的直驱轮毂电机。

2 Protean轮毂电机概述

Protean作为轮毂电机研发的先驱者，早在十五年前就开始从事轮毂电机的研发，从第一代轮毂电机到现在也已经有12年的光景，目前研制生产的第四代轮毂电机Pd18适用于18寸的轮辋中（图4），峰值功率为80 kW，峰值转矩高达1 250 N·m，是目前世界上功率密度最大的轮毂电机，详见表1。其采用外转子结构直接驱动车轮并且高度集成IGBT等电力电子设备，因为其外转子结构使其可以直接驱动车轮而无需任何减速机构，总体效率大大提升的同时，还保证了良好的NVH特性。

Protean研发的轮毂电机Pd18不仅拥有巨大的能量密度，并且无论是在驱动或是制动上，都拥有超高的工作效率（图5）。同时Protean还提供一整套个性化制动解决方案以满足各个客户的需求，详细的制动效率Map见图6。

图4 Protean轮毂电机示意图

表1 Pd18主要技术参数

图5 驱动效率Map图

图6 制动效率Map图

由于四个安装在车轮的轮毂电机都具有迅速而准确的转矩响应特性，并且各个驱动轮独立可控的特点，使得动力学控制系统的设计也变得更易实现[4]，例如如下介绍的转矩矢量分配技术（Torque vectoring）。

3 Protean对转矩矢量分配技术的研究

传统的燃油车及电驱动桥式电动车动力源来源于发动机或布置在前舱或车桥上的单电机，其需要用变速器、传动轴、差速器等传动机构把动力输出到左右车轮，由于转弯时左右轮的转速差，需要利用差速器来实现左右车轮差速，但是差速器的应用极大的影响了汽车行驶在低附路面的安全稳定性、行驶过障能力及转向性能等。转矩矢量分配技术（Torque vectoring）就是针对这一系列的问题而开发的。

转矩矢量分配的作用包括：增加汽车安全稳定性；提高汽车在低附路面的行驶能力；减少转弯半径；增加转弯机动性等。传统的限滑差速器可以部分实现转矩矢量分配功能，但是其作用有限并不能完全发挥转矩分配的作用。新出现的由控制器控制的转矩分配差速器因其结构复杂、价格昂贵，只被少数公司所掌握，仅仅应用在部分豪华轿车的配置上。并且目前大部分矢量转矩分配技术，都是基于差速器、离合器、制动油泵、电磁阀等等一系列部件协同工作，所以目前的矢量转矩分配技术需要增加很多控制元件和执行部件，不可避免的要增大能耗影响整车排放性，降低整车效率，由于制动器的制动效能、散热能力等性能限制，只能在一定比例上进行分配，并不能保证矢量转矩的任意分配，同时显著的增加用车成本。

而基于轮毂电机驱动平台研发应用的矢量转矩分配技术因为轮毂电机四轮独立驱动其左右车轮天然解耦的特性，由控制器直接控制轮毂电机输出转矩差即可实现转矩分配，不需要增加任何其他的执行机构和控制元件，成本增加很少，同时电机响应更迅速和准确，并且可以按需要任意分配转矩，更好地满足车辆性能需求（图7），大大增加了应用轮毂电机车辆的安全性；以上总总表明，轮毂电机驱动平台是转矩矢量分配技术应用收益最大化的平台。

图7 轮毂电机驱动可以进行转矩的任意分配

目前，Protean就转矩分配技术在其改装车上进行了相关研究，通过对原燃油车的改装，使其变成四轮轮毂电机驱动汽车，基于此对轮毂电机的驱动、制动及转矩分配进行了一系列的验证工作。Protean技术人员对转矩矢量分配技术进行了开环仿真及实车试验验证，输入信号包括：车速信号、方向盘转角信号及转向角速度、整车驱动力及整车横摆率信号。通过对不同车速、方向盘转角及角速度等来模拟覆盖大部分的行驶转弯工况。图8是Protean轮毂电机驱动的控制逻辑图，图9是转矩矢量分配在转弯工况的应用。

图8 Protean控制逻辑

图9 转矩矢量分配在转弯工况的应用

Protean工程师通过大量的仿真和驾驶员行驶标定来得到理想的转弯特性，通过大量的试验和标定工作来保证试验车辆的转向特性，避免车辆发生过多转向。同时对验证转矩分配与转弯半径、方向盘转角、转向特性等相关特性进行对比分析验证。

通过软件仿真及实车实验标定后得到的结果证明利用我们自主研发的转矩矢量分配技术可以使汽车减少10%的转弯半径，同时验证了在相同的横摆角速度下，转矩矢量分配技术可以使驾驶员减少一半的方向盘转角（图10，图11）。

图10 转矩矢量分配对转弯半径的改善

转矩矢量控制技术不仅可以实现上述的转向性能改善，经过与传统ABS/ESP技术的深度融合，将会极大的改善制动安全性。丰田的一项研究表明，采用轮毂电机技术可以缩短刹车距离7%[5]。Protean的工程团队将继续探索这一技术，以更好提升整车性能。

图11 转矩矢量分配对方向盘转角的改善

4 结论及启示

轮毂电机驱动由于其简洁的驱动形式和优秀的性能，将会为汽车行业带来全新的机遇和挑战，给未来的汽车人对于汽车技术的实现与生产制造都提供了一个新的思路和平台，未来更多的控制技术如转矩分配技术、转向助力技术、稳定性控制及他们之间协调控制等将会更容易，且更好的应用在轮毂电机驱动平台，使其用很低的价格和简单的方式就实现为广大客户提供优良性能的产品。同时由于轮毂电机结构上的独特优势，特别是易于集成和易于控制的特点，为汽车技术和汽车工业带来了巨大的创新空间，未来的汽车将因为轮毂电机驱动技术的发展和成熟而带来颠覆性的创新，将完全改变传统汽车结构和外形。轮毂电机由于直接安装于汽车的轮辋中，可作为汽车的直接感知系统，跟智能网联汽车深度融合，并且随着5G网络的推广，智能交通逐渐提上日程，轮毂电机驱动技术将随着智能化网联化彻底改变城市现有的交通系统[6]。