搭载轮毂电机的车辆不需要差速器,轮毂电机可以直接且独立地向每个车轮传递转矩。

道路上大多数车辆都是由一个发动机或电机驱动的,将动力传递到车轮上,在轮毂处产生转矩。车轮必须能够自由地以不同的速度相互移动,以适应转弯和路面的变化。

这种是通过差速器来实现的。差速器是一种机械装置,其最简单的形式是给车桥上的两个轮子提供相同的扭矩,同时允许它们以不同的速度旋转,然后车轮可以根据车辆的运动学以自然速度旋转。

所谓的“开式差速器”允许一个轴上两个车轮之间存在任何车轮速度差异。当两个车轮的轮胎和路面之间的摩擦力不同时,摩擦力小的轮子就会失去牵引力,迅速地向上旋转。这可能发生在转弯时,当车辆的重量转移到外轮上,使得内轮在路面上几乎没有牵引力,或者一个车轮在抓地力差的路面上时,例如在冰上或松散的石头上。

这种情况显然是不可取的,因此开发了几个系统来抵消牵引力的损失,同时仍然允许转矩施加到具有良好路面摩擦力的车轮上。最常用的是“限滑差速器”,或者使用牵引控制系统(TCS)来防止车轮自旋。前者是一个更精细的机械等效的开放差速器,它限制了车轮之间的速度差异,而后者应用刹车使车轮失去牵引力,以防止它旋转起来。

 

图 1: Protean Electric集成电子制动器的轮毂电机

更复杂的“转矩矢量控制”系统增强了车辆操纵性,但由于其复杂性和成本,这种系统很少见。

轮毂电机驱动不需要差速器,这样会出现一个问题,车辆将如何表现在轮速方面,以及如何解决与缺乏牵引力有关的问题。答案相当直接。

如果通过每个轮毂电机的扭矩需求相同,那么车辆就会完全像有一个开放差速器一样。牵引控制系统可以用来控制牵引力消耗,就像是一辆传统车一样。另一方面,通过动态的给每个轮毂电机分配不同的转矩,可以提高车辆的行驶平稳性和操控性。

 

轮毂电机系统

在本文中,轮毂电机系统被认为成对安装的,前驱两个或后驱。每台轮毂电机包括电子机械、微处理器控制的逆变器和摩擦制动器。在Protean Electric公司的产品中,这些部件被集成到一个封装中,这个封装完全安装在轮辋内(见图1),但也可以将逆变器安装在车辆的其他位置。

轮毂电机可以提供正(加速)转矩和负(制动)转矩,但保留了摩擦制动器,因为制动要求通常超过了电机本身能力和有时整车电子系统出现无法接受制动过程中再生的电流。

 

图 2: 轮毂电机控制原理图

轮毂电机是直接产生转矩的。以Protean Electric的电机为例,整车控制单元 (VCU) 通过控制器区域网络 (CAN) 总线每隔几毫秒发送一次转矩要求(见图2)与电机系统通信。电机系统在轮毂处产生所需转矩作为响应。通过返回电机报告其健康状态和最大可用扭矩。它还可以记录它的速度,这样VCU可以用于先进的牵引控制功能。

与内燃机不同,轮毂电机可以在两个不同方向上都能产生正转矩和负转矩。这被称为四象限操作,轮毂电机电驱动系统可以加强牵引力控制和车辆的稳定性功能。此外,轮毂电机电驱动系统具有非常快的响应速度。它们通常能够在不到10毫秒的时间内从最大正转矩切换到最大负转矩,反之亦然。高频控制是可以提高整车安全性和操控性的,特别是直接驱动的轮毂电机,没有任何中间轴,轴或齿轮,直接给轮毂提供转矩。

注解:轮毂电机不是一个速度控制装置。整车控制器不能从轮毂电机系统中指令一个速度。对比传统动力总成,轮毂电机车轮速度是转矩与汽车惯性主导的旋转阻力作用在轮毂上的结果。

 

差速器和相关功能

当仅有内燃机或一个电动机作为单一的动力单元时,驱动一个轴上的两个轮子时,是需要一个差速器。没有差速器,车轴上的两个车轮将被迫以相同的速度旋转,这将导致无法操控车辆和避免轮胎磨损。差速器也是最终的传动比,放大从驱动轴到车轴的转矩(见图3)。

 

图 3: 传统后驱车上的差速器

由于不是物理性的连接非驱动轮是不需要差速器的,因此可以以不同的速度自由旋转。

 

开式差速器

开式差速器是路跑车辆上最简单最普遍的一种差速器。车轮速度是由整车动力学决定的,且受轮胎动态变化轻微调整。

在转弯过程中,不考虑车轮打滑,外轮的转速会比内轮快。在一辆车轨道宽度为t,滚动半径为r的车辆中,以速度v绕半径为R的弯道行驶,内轮和外轮的近似角速度是由方程式Eqn.得出1

(1)

 

 

 

注解:这只是单纯的几何算法结果,实际情况是车轮独立自由旋转,;在这里不依赖于提供给车轮的转矩(见图4)。

轮胎动力学对Eqn. 1作了轻微的修正。给车轮施加转矩会产生所谓的车轮滑移 [1]。这并不意味着轮胎和路面之间有任何牵引力的损失; 相反,这是轮胎动力的一个特征。结果表明,车轮转速与车速之间的关系调整是根据:

 

其中s为滑移比。滑移比是转矩的函数,也是轮胎和轮胎-路面界面[2]性能的函数。在良好的路面上保持良好的牵引力并施加高转矩时,滑移率可超过0,1。考虑到由于路面不同,导致内外车轮的滑移可能不同,我们在方式Eqn. 2中得到了车轮速度。

(2)

 

既然滑移是转矩的函数,那么现在每个车轮对转矩都有一定的依赖性。

对Eqn. 1作进一步的较小调整,这些调整是由于车辆转向不足或转向过度以及路面波动造成的,但它们与本讨论无关。

重要的结论是依赖于驱动轮和差速器的行为:

  • 假如每个车轮得到同等转矩,且同轴上的两个车轮是可以以不同的速度自由旋转的,那么车速就完全确定了。
  • 在转弯过程中,车轮能够找到“自然”的速度就可以实现良好的操控性和保护轮胎。

只要这两个假设成立,就不用管它们是如何成立的。

 

轮毂电机与开放式差速器

最简单的方式控制一根车轴上一对轮毂电机传递相同的转矩。

只要整车控制器要求两个轮毂电机具有相同的扭矩,那么无论转速有多大差异,两个车轮都将以相同的转矩驱动。

搭载轮毂电机的车辆中,驱动轮与轴没有物理连接,因此它们不受限于以相同速度旋转。与开式差速器一样,它们可以自由地以不同的速度旋转,没有任何约束。

因此在轮毂电机驱动情况下,这两个假设也是成立的,因此Eqn.1也适用:如果整车控制器对每个轮毂电机指令相同的转矩,那么轮毂电机驱动的车辆轮胎行为和一个中央电机通过开式差速器驱动车辆轮胎行为是一模一样的。

 

图 4: 转弯车辆阿克曼几何图

虽然没有物理的机械微分, 我们将提到这种方式的控制车轮内马达作为 “电开式差速器”。

开式差速器的局限性

 

 

开式差速器和电开式差速器具有相同的局限性,当一个车轴上的一个车轮对路面的牵引力明显好于另一个车轮时,例如:

  • 可提供给每个车轮的最大转矩受限于车轮与较低的牵引力。
  • 如果施加给车轮的转矩超出路面的接触面所能承受的,那么就没有什么较低的牵引力能阻止车轮自转。

有几种情况可能导致一个车轴上有不对称的牵引力限制出现:

 

  • 转弯时,重量转移到外部车轮,减少对内部车轮的牵引限制;
  • “分割-μ”路面, 就是一个轮子在良好的路面上,另一轮子是在松动的石子路上或冰面或湿滑路面;
  • 越野驾驶。

当出现这些情境时,传统汽车有一系列的技术可以用来阻止车轮自转或失去扭矩。本文将展开讨论轮毂电机在此类情境下的操作。

牵引控制系统

牵引控制系统是为了防止车轮由于缺少与路面接触的牵引力而自转起来。它是作为电子稳定控制系统的一部分,该系统可以使用防抱死制动系统(ABS)单元将制动器单独应用到车轮上。电子稳定控制系统越来越普遍,现在在欧洲和美国的乘用车上已使用。

牵引力控制系统检测到一个轮子在自转,那么就对其实施制动。除了控制牵引力消失,甚至用开放式差速器或电子开放式差速器还可以给对侧车轮施加转矩,,因为制动器抵消了旋转轮上动力总成产生的转矩。

轮毂电机使用的牵引力控制系统可以准确地应用在传统车辆上,产生想用的效果。对整车控制器没有特别的操作要求。

另一方面,搭载轮毂电机的车辆无需使用基于制动的ESC系统就可以控制手动牵引力。整车控制器使用轮毂电机传递的轮速信息来确定车轮何时失去牵引力 和 降低该轮的转矩需求。这可以在不降低对另一个车轮的转矩要求的情况下完成。由于轮毂电机驱动系统的快速响应能力和电机产生正转矩和负转矩的能力,其性能优于传统的牵引力控制系统。我们可以将其称为电子牵引力控制系统。

电子牵引力控制系统与驱动防滑系统有些相似,都是一些传统汽车牵引力控制系统的一部分,且都包含发动机转矩调制。

限滑差速器

限滑差速器是一个更复杂的机械差速器。生产中有很多不同的部件,包括一些差速器有电子控制元件。这里谈及的都是“主动式差速器”。

相比总是向同轴上两个车轮传递相同转矩的开放式差速器,限滑差速器是根据两个车轮相关速度,增加一个机械结构来限制两个输出轴之间的速度差异实现转矩分配。尽管这克服了开放式差速器主要限制,但也导致转向时需提供更多的转矩给内轮,形成转向不足。

在轮毂电机驱动的车辆中,整车控制器可以根据两个电机报告的速度来给两个电机不同的转矩,这与限滑差速器完全类似。然而,在实践中,当没有失去牵引力时,限滑差速器并不能给出最优的转矩分配。具有扭矩矢量控制的电子牵引力控制系统将提供卓越的操控性和牵引力控制。

在具有限滑差速器的传统车辆中,可以在不显著降低最大总轴转矩的情况下,提供跨轴的不对称转矩。另一方面,使用轮毂电机,减少一个车轮上的转矩并不会增加超出其对侧车轮最大承受扭矩。这也就意味着,转矩的不对称性是可以减少一个轴上两个轮毂电机的可用总转矩。

 

锁式差速器

锁式差速器可以有效的应用于越野车辆,其车轮牵引力很差,非常多变。锁式差速器式将同轴上的两个车轮以相同的速度旋转。然后根据牵引力,扭矩自然地移动。

在轮毂电机驱动下,整车控制器可以在每个驱动轮上实现速度控制回路,产生相同的效果。正如前面所描述的,轮毂电机本身不包含速度控制,但是电机和整车控制器之间的通信有足够的带宽使整车控制器运行控制回路来调节车轮速度。

 

主动差速器

主动差速器是在一些高性能车辆上实现的一种现代系统,它通过主动管理转矩分布来改善操控性。这种系统响应车辆周围的各种传感器,这些传感器监视驾驶员的意图和车辆的响应,并由电子控制器进行解释。然后ECU指示一个可以根据需要分配扭矩的电子控制的差速器。除了牵引力控制,这样的系统还可以提高操控性和稳定性。从机械上看,主动差速器可以视为一个电子控制的限滑差速器。两个离合器包通常可以通过电子控制来将扭矩从一个轴传递到另一个轴上,从而在车辆动力学控制系统的控制下改变底层开放式差速器的性能。例如在宝马X63上实现的GKN电子转矩矢量控制模块就是使用这个系统。

电控差速器是一种复杂而昂贵的元件。在轮毂电机驱动的电动汽车中,不需要添加机械部件也可以实现类似的功能。在这种情况下,整车控制器执行的计算与电子控制器对主动差速器执行的计算类似,并相应地对两轮毂电机提出不对称扭矩要求。这有时被称为转矩矢量控制,可用于:

 

  • 提高车辆在高速行驶时的稳定性。
  • 改善车辆在遇到侧风或车辙等干扰时的稳定性。
  • 提高车辆在低速时的灵活性。
  • 改善转向控制。

 

在传统汽车中,采用轮毂电机的扭矩矢量控制优于主动差速器,这不仅从部件成本和质量方面考虑,还因为该系统响应速度更快,能够更好地应对瞬态情况。它还可以无缝地注入制动扭矩,而无需使用制动系统,从而扩展了系统维护整车控制的能力。

 

传统车辆与使用轮毂电机的车辆的等效性

表1总结了各种差速器和相关系统应用于中央内燃机或电机的传统汽车,并描述了使用轮毂电机的可以实现相同的性能要求。

一般来说,采用轮毂电机的汽车车轮速度管理和车辆操纵性优于一辆传统车,并且降低复杂程度和成本。

 

全驱

这个讨论已经考虑了一对前轮驱动或一对后轮驱动的车辆。所有的结论都同样适用于四个车轮都装载轮毂电机的全驱车辆。

例如,给四个轮毂电机传递相同的转矩等同于一辆传统的四驱车加前轴开放式差速器和后轴开放式差速器。四个车轮可一自由独立转动并且以相同的转矩分配到每个轮毂。

总结

与通过差速器将动力传递给车轮的传统汽车相比,轮毂电机驱动的汽车提供了以更低的成本和更低的复杂性改善整车动力学控制的可能性。

表1:传统车与轮毂电机汽车的等效性
传统汽车系统 等效于轮毂电机驱动汽车
开式差速器 对两个电机需求同等转矩
基于牵引力控制系统的电子稳定控制系统 与传统车辆一样,基于牵引力控制的电子稳定控制系统,或降低了对打滑车轮的转矩要求
限滑差速器 根据差速器的转速降低转矩
锁式差速器 在整车控制器中实现每个轮毂电机的速度控制回路
主动差速器 整车控制器转矩矢量控制

 

对于装载轮毂电机的车辆,最简单的整车控制是始终要求所有电机具有相同的扭矩,这就和传统车配合开放式差速器的车辆具有完全相同的性能,省去机械差速器和车桥。也等同于带制动器的牵引力控制系统或稳定控制系统的传统车带有这样的 性能,可以防止车辆在转向或在低牵引力面时打滑。另一方面, 相比于传统车需要繁重昂贵的机械系统,例如主动式差速器,来实现这样的功能,轮毂电机可以通过改善后的牵引力控制系统和转矩矢量控制来调制转矩,无需额外增加部件。

 

引用

[1] M Blundell and D Harty: 整车动力学多种体系方法, 牛津, 英国: 北海-Heinemann, 2004。

[2] HB Pacejka: 轮胎和车动力学, 牛津, 英国: 北海-Heinemann 2002。

[3] 吉凯恩 plc。(2016, 3月10日): “电子扭矩矢量控制” (在线), 可访问: www.gkn.com/driveline/our-solutions/trans-axle-solutions/limited-slip-and-locking-differentials/Pages/electronic扭矩矢量. aspx

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