摘要：随着电动汽车的迅速发展，分布式驱动作为一种先进的动力系统陆续在市场上得到应用。因其具有结构紧凑、各轮扭矩独立可控、响应快捷、动力强劲、正反转灵活和驱动效率高等优势，按照车轮、电机和减速器的布置方式可分为中央双电机构型、轮边电机构型和轮毂电机构型。文章对以上三种构型的结构特点、优劣势和应用场景进行归纳和对比，对中央双电机构型的分布式驱动系统的结构设计、控制方法和工作模式等展开研究。最后，对电驱动系统进行实车验证，结果表明电驱动系统的设计满足项目需求。
驱动系统作为电动汽车的核心，为车辆提供驱动力，而驱动系统的结构和匹配会影响车辆的动力性能和行驶效率。当前电动汽车主流的驱动系统形式为集中式，动力经电机依次传递至减速器、差速器以及传动轴，最后到达车轮。差速器用来解决车辆行驶过程中左右两侧车轮转速不同的问题，但差速器结构复杂、占用体积大、质量较大，会导致车辆的通过性变差。
分布式驱动电动汽车是新能源汽车的重要发展方向，通过将轮毂/轮边电机安装在轮辋内部或附近，具有车身布置灵活、结构紧凑，易于实现底盘模块化设计等优点；同时各轮驱动/制动转矩独立可控，具备高机动性和高可靠性，更易实现车辆主动控制。目前，分布式驱动已经得到广泛的认同，许多头部主机厂均推出分布式驱动产品，例如，比亚迪的“易四方”动力平台，纯电动GT-R的Hyper Force动力系统、丰田DIRECT4电驱动、BMW xDrive全轮驱动系统。搭载轮毂/轮边电机的分布式驱动电动汽车尚未得到大规模量产，有望成为下一个技术突破的关键领域，届时将应用于商用车、高端乘用车及电动越野车等领域。
高性能分布式驱动是未来电动汽车技术的的制高点，因此，各研究人员对分布式驱动技术不断展开研究。如朱绍鹏等[1]针对轮边四轮驱动电动客车，提出一种基于黄金比例搜索算法的分布式四轮驱动转矩分配优化策略，提升了节能效果。冯冲等[2-3]以四轮线控转向、液压制动的分布式驱动电动汽车为研究对象，设计了基于控制器局域网（Controller Area Network, CAN）总线的底盘综合控制系统设计，开发了整车控制软件。左利锋[4]针对分布式四轮驱动纯电动客车，基于转矩分配系数的能耗进行控制策略的优化，该控制策略下的整车仿真电耗效果良好。余卓平等[5]对分布式电动汽车各轮驱动/制动转矩独立精确可控的特点，设计了一种改善车辆操纵性能的控制策略。郭烈等[6]通过直接横摆力矩控制策略对车辆的操纵稳定性进行控制，并取得了较好的效果。彭晓燕等[7]对分布式电动汽车的操纵稳定性问题提出了一种结合前轮转向和驱动力重构的驱动力分配控制方法。LIANG等[8]提出了一种基于功能分配的控制策略，提高了分布式驱动车辆的操纵稳定性。褚文博等[9]提出了两种多轮驱动转矩协调控制策略，并提高了分布式驱动车辆的横向稳定性。HU等[10]针对分布式驱动的电动汽车提出了一种基于动力学模型的横摆力矩控制方法。
以上研究主要集中于控制策略，在结构设计、设计校核等方面较为匮乏，难以指导分布式驱动系统性整体开发的工程实践。本文基于电子差速而非机械差速的方式对中央双电机构型的整体方案设计、结构设计、控制方法和工作模式展开较为系统的研究，从工程化的角度剖析和实现了系统方案设计。
1 总体设计原理
1.1 分布式驱动型式
分布式驱动系统主要结构特征是将驱动电机直接安装在车轮内或车轮附近，根据车轮、电机和减速器/变速器的相对位置形成了三种布置方案：中央双电机构型、轮边电机构型和轮毂电机构型，三种构型驱动方案的特点对比如表1所示。中央双电机构型因结构简单、可靠性高、舒适、可靠、成本低等综合性能较好，鉴于其集成开发难度较低、容易工程实现，能够快速投放于终端市场，某车型决定采用该构型的电驱动系统。
表1 三种构型驱动方案特点对比
1.2 总体设计方案
本文的设计对象为某四驱运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV）车型的动力总成，设计思路是采用双电机、双减速器背靠背对称布置，其中减速器采用两级平行减速，动力通过电机传递至减速器，减速器输出轴通过半轴传递至车轮。四驱车辆动力系统布置示意和总体设计示意分别如图1－图3所示。其结构特点表现为：双电机双减速器构型、双电机电子差速（无机械差速结构）、双减速器背靠背合体对称设计、两级平行减速。
图1 四驱车辆动力系统布置示意图
图2 中间双电机结构总体设计示意图
图3 整车动力系统布置示意图
2 动力性匹配计算
2.1 动力需求参数计算
基于整车开发目标形成的整车技术要求如表2所示，整车基本参数如表3所示。根据车辆的最高车速计算电机的峰值功率，根据持续最高车速计算电机的额定功率，根据车辆的最大爬坡度计算电机的扭矩。
电机功率计算如下：
（1）
式中，ηΤ为电机效率；m为整备质量；g为重力加速度，取9.8 m/s2；f为摩擦系数；Cd为风阻系数；A为迎风面积；V为车速。
电机扭矩计算如式（2）：
（2）
式中，r为轮胎半径；α为路面坡度。
表2 整车主要技术要求
表3 整车基本参数表
由此计算出电机的功率、扭矩和转速指标参数如表4所示。
表4 电机主要指标参数表
2.2 动力参数仿真校核
按照单电机设计参数对整车的动力性进行校核，通过仿真可以实现整车的持续最高车速为183.3 km/h，满载时最大爬坡度为84.41%@20 km/h，满载0－100 km/h加速时间为2.57 s，其动力性校核结果满足设计要求。
3 电机及控制器选型设计
永磁同步电机具有效率高、体积小、质量轻、电机系统系统效率高、电磁噪音低、齿槽转矩小及可靠性高等优点；是动力系统的重要执行机构，是电能与机械能转化的部件，且自身的运行状态等信息可以被采集到驱动电机控制器，设计参数如表5所示，其结构如图7所示。
图4 最高稳定车速仿真
图5 最大爬坡度仿真（@20 km/h满载）
图6 0－100 km/h加速时间仿真
表5 驱动电动机设计参数
图7 驱动电机结构图
驱动电机控制器是驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块，以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路，对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态的信息通过CAN总线发送给整车控制器。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当诊断出异常时，将会触发一个故障代码，发送给整车控制器，同时也会存储该故障码和数据。为满足性能需要，本次的控制器设计参数如表6所示，其结构设计如图8所示。
表6 控制器设计参数
图8 控制器结构图
4 减速器设计
4.1 减速器设计要求
为了满足整车性能要求，减速器的方案设计参照表7的设计输入要求。
表7 减速器设计输入要求
4.2 减速器的结构设计
减速器箱体采用剖分式铝合金箱体，设计有电机安装端面，通过螺栓连接使得电机与变速箱组装为一个整体，箱体上设置与车架的固定连接点，减速器箱体设置加强筋，并通过仿真进行箱体模态分析和箱体正转峰值和反转峰值的强度计算校核，制造方面采用ADC12型压铸铝合金，双减速器箱体结构设计如图9所示。
图9 双减速器箱体结构设计
齿轮设计采用两级平行轴减速机构，两个减速系统同轴对称设置，具有结构简单、传动效率高、精度高以及承载能力强等优点，二级平行轴机构包括输入齿轮轴、中间齿轮轴、输出齿轮轴，齿轮设计方案如图10所示。
图10 齿轮设计方案示意图
表8 齿轮设计参数表
通过减速器的设计输入，理论计算得出齿轮的设计参数，如表8所示。并进行齿轮强度计算齿根弯曲强度安全系数、齿面接触强度安全系数，确定齿轮参数后，重新校核齿轮的强度。
通过尺寸计算，确定齿轮箱输入轴的内花键参数如表9所示，并对花键静强度进行校核，对输入轴强度进行疲劳和静态校核分析，如表10所示。通过同样方法确定中间轴、输出轴的花键参数并进行强度校核。
表9 输入轴内花键参数表
表10 输入轴强度和花键强度校核表
对轴承进行选型和寿命计算，采用深沟球轴承作为各轴系的支撑，轴承支撑示意如图11所示。
图11 轴承支撑示意图
润滑油通过中间级和输出大齿轮旋转搅动飞溅润滑齿面及轴承，同时在箱体上设置挡油筋、轴承座开导油槽，使飞溅的润滑油导入轴承位置，使减速器内部零部件得以润滑、散热。
齿轮的输入轴密封采用氟橡胶材料的双唇内包骨架油封，输出轴密封采用先进复合材料的四唇内包骨架，分别如图12和图13所示。变速箱分型面的密封采用密封条加涂胶的方式。
图12 输入轴的油封剖面图
图13 输出轴的油封剖面图
5 动力控制策略
本文对分布式驱动的控制策略展开研究，具体为：首先，根据车辆的当前行驶数据以及车辆状态数据，确定驱动装置的纵向力需求以及横摆力需求；其次，整车控制器根据纵向力、横摆力需求以及路面附着系数，对扭矩进行分配计算；最后，根据扭矩分配数据，生成对应的控制指令，并下发给驱动装置中的双电机控制器。
5.1 数据收集和处理
通过对方向盘的转向数据（方向盘转动的角度与车轮转动的角度的比例）、加速踏板的踩踏数据（加速踏板的踩踏深度和踩踏速度）以及制动踏板的制动数据（制动踏板的踩踏力度和速度）等车辆行驶数据以及车速、质心侧偏角（车辆实际航向与车头指向的夹角）以及横摆角速度（转弯过程中车身绕垂直轴旋转的速度的量度）等车辆状态数据进行识别和处理。
本文通过建立车辆的动力学模型，并基于车辆的当前行驶数据以及车辆状态数据，确定车辆受到的外部输入，并计算出车辆的纵向力需求（包括牵引力、制动力，需考虑惯性力、滚动阻力、空气阻力等）以及横摆力需求（车辆转弯或侧向受力而产生，与车辆的侧向加速度和横摆角速度有关，受轮胎特性和悬架系统影响）。
5.2 扭矩分配
整车控制器根据纵向力、横摆力需求以及路面附着系数对扭矩进行分配，从而得到不同驱动模式下的扭矩分配数据，并通过控制电机的转动方向、转动速度和扭矩来实现。对整车控制器同时控制两个驱动装置的情况进行研究，车辆的不同驱动模式可以根据车辆工况的不同以及两个驱动装置中四个电机工作模式的不同分为以下六种，如表7所示。
表7 驱动装置的工作模式
5.3 电机扭矩控制实现
整车控制器根据扭矩分配数据生成对应的控制指令，并下发给各驱动装置中的双电机控制器，以驱动各电机运转，并通过减速器完成各车轮的动力分配。能够满足车辆的急加速高负荷驱动、左右侧主动转矩分配、辅助转向等需求，可以实现绝大部分工况下的高性能驱动需求，保证了左右侧动力主动分配和车辆横摆加速度的主动控制，提高车辆弯道机动性和安全性能。
6 整车实验结果
通过对电驱动系统制样和装车如图14所示，并进行调试和实际道路实验，受路面摩擦系数等实验条件限制，关键动力参数的实测结果与仿真值略有差异如表8所示，动力系统设计满足项目需要。
图14 电驱动系统实车验证
表8 电驱动系统关键指标达成
7 结束语
本文对分布式驱动的研究现状和特点展开分析，因中央双电机结构具有结构简单、传动高效、空间利用率高、可靠性高、成本可控以及维修方便等优势，具备较好的市场应用前景。首先，对中央分布式驱动的整体构型提出设计方案，对整车的动力性能需求进行分析和仿真计算，通过设计输入对电机和控制器展开选型，对减速器展开详细研究，完成了减速器箱体设计、齿轮设计、花键、轴承、润滑及密封设计。进而，基于车辆需求的分布式驱动系统的控制方法展开详细研究，并对六种工作模式进行分析。最后，通过整车实验对电驱动系统的关键指标进行检验，数据表明该电驱动系统的设计能满足该项目的需要。
参考文献
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