電驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵技術(shù)綜述

李維ijxzwoymtt 2021-11-19

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王建華黃劍飛靳迪；吉林大學(xué)

電驅(qū)動(dòng)橋是針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的一種機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有集成化程度高、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

電驅(qū)動(dòng)橋可分為集中式電驅(qū)動(dòng)橋和分布式電驅(qū)動(dòng)橋。集中式電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有成本低、對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響較小以及開(kāi)發(fā)難度低的優(yōu)點(diǎn)。分布式電驅(qū)動(dòng)橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕以及效率高的優(yōu)點(diǎn)，但差速控制困難、非簧載質(zhì)量大。

電驅(qū)動(dòng)橋主要由電機(jī)、逆變器、變速器組成。由于在轉(zhuǎn)矩密度、功率密度以及效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，永磁同步電機(jī)已逐漸成為車(chē)用電機(jī)的主流。為進(jìn)一步減小電驅(qū)動(dòng)橋的體積和質(zhì)量，新一代電驅(qū)動(dòng)橋大多將電力電子元件集成到逆變器上。單擋變速器和多擋變速器各有優(yōu)缺點(diǎn)，但隨著電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)的發(fā)展，多擋電驅(qū)動(dòng)橋逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。

本文將對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出電驅(qū)動(dòng)橋的發(fā)展方向。

2. 電驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵技術(shù)

電驅(qū)動(dòng)橋性能主要受到3個(gè)方面的影響：第一，電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力傳遞路徑及分配方式隨著構(gòu)型的不同而改變，從而影響電驅(qū)動(dòng)橋的輸出；第二，電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)會(huì)影響其自身的質(zhì)量、體積，進(jìn)而影響其性能；第三，電驅(qū)動(dòng)橋控制策略影響其各部件的協(xié)同工作。

2.1 多擋化構(gòu)型

目前，電驅(qū)動(dòng)橋通常配備單速變速器，以最大限度降低成本、體積，減輕質(zhì)量并提高其適配性。

相比于單擋變速器無(wú)法兼顧車(chē)輛起步時(shí)的轉(zhuǎn)矩和速度，多擋變速器可以通過(guò)低擋位提供大扭矩，高擋位提高車(chē)輛的速度達(dá)到起步扭矩與車(chē)速的兼容，并能夠降低電機(jī)的體積、質(zhì)量和轉(zhuǎn)速。在電池技術(shù)短時(shí)間內(nèi)難以取得重大突破的情況下，通過(guò)提高效率增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程就顯得尤為重要。在日常駕駛條件下，采用單擋變速器的電機(jī)實(shí)際效率與最高效率仍然存在一定差距。而采用多擋變速器可以通過(guò)制定合適的智能換擋控制策略使電機(jī)更多地工作在高效區(qū)間，從而降低能耗，提高電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，增加續(xù)航里程。多擋變速器不僅能夠降低電機(jī)的體積與質(zhì)量，而且在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面也更加適合電動(dòng)汽車(chē)，因此多擋化是電驅(qū)動(dòng)橋未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

表1顯示了單擋變速器與多擋變速器的對(duì)比結(jié)果。

表1

圖1 所示為某公司推出的一款16t載貨汽車(chē)多擋電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，該電驅(qū)動(dòng)橋?qū)⒂来磐诫姍C(jī)、兩擋變速器以及涵蓋所有控制功能的逆變器集成在車(chē)橋的中心部位。

圖1

電動(dòng)汽車(chē)多擋自動(dòng)變速器包括機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）、雙離合變速器（DCT）、液力自動(dòng)變速器（AT）、無(wú)級(jí)變速器（CVT）以及針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的新型變速器。其中，CVT的應(yīng)用相對(duì)較少。

圖2顯示了不同電動(dòng)汽車(chē)多擋變速器在成本、效率、轉(zhuǎn)矩能力、換擋質(zhì)量以及體積和質(zhì)量上的差異。圖3所示為4種變速器結(jié)構(gòu)示意。

圖2

圖3

AMT在效率、質(zhì)量和制造成本上優(yōu)勢(shì)顯著，在電動(dòng)汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用，但其存在換擋沖擊且控制參數(shù)多。DCT 綜合了機(jī)械式高效與液力變矩器式無(wú)動(dòng)力中斷的優(yōu)點(diǎn)，是一類(lèi)傳動(dòng)效率高、換擋沖擊低且換擋無(wú)動(dòng)力中斷的變速器。AT通過(guò)控制離合器完成換擋，換擋過(guò)程中無(wú)動(dòng)力中斷，換擋質(zhì)量極高，但換擋效率低。

在上述4 種變速器中：AMT 效率最高且價(jià)格最低，但換擋質(zhì)量最差；AT 換擋質(zhì)量最好，但價(jià)格昂貴、效率低；DCT除體積和質(zhì)量大外，其他性能均良好；新型變速器在各性能間取得了平衡。

2.2 輕量化與集成化結(jié)構(gòu)

電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究主要集中在輕量化和集成化方面，以減小質(zhì)量和體積。

2.2.1 輕量化

目前，電驅(qū)動(dòng)橋輕量化技術(shù)主要可分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用以及先進(jìn)的輕量化制造工藝。

在電驅(qū)動(dòng)橋輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前主要通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論來(lái)設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)橋各零部件的結(jié)構(gòu)，以最大限度地減輕質(zhì)量。

Schaeffler公司開(kāi)發(fā)了如圖4所示的2種比傳統(tǒng)錐齒輪差速器更加緊湊、輕便的圓柱齒輪差速器，該差速器的圓柱齒輪在一個(gè)平面上以行星齒輪對(duì)排列，能夠更好地實(shí)現(xiàn)集成功能，從而減小電驅(qū)動(dòng)橋的質(zhì)量和體積。林利紅等提出了一種由電機(jī)、二級(jí)減速器、差速器和半軸組成的新型純電動(dòng)汽車(chē)同軸一體化電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，并建立了驅(qū)動(dòng)后橋橋殼輕量化模型，利用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方法構(gòu)建了響應(yīng)曲面關(guān)系，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行了求解，使橋殼質(zhì)量減輕了8.4%。該電驅(qū)動(dòng)橋的電機(jī)輸出軸通過(guò)花鍵帶動(dòng)減速器的輸入軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)兩級(jí)齒輪減速后將動(dòng)力傳遞給差速器，而半軸穿過(guò)空心電機(jī)軸插入差速器，最后動(dòng)力經(jīng)半軸輸出到車(chē)輪。

（a）斜齒輪差速器（b）直齒輪差速器

圖4

采用輕量化材料是既保證行駛安全性又能減輕車(chē)身質(zhì)量的重要手段。目前，汽車(chē)輕量化材料主要有高強(qiáng)度材料和輕質(zhì)材料。牛湛滔采用鋁合金材料替代主減速器殼的鑄鐵材料，從而達(dá)到輕量化的目的。

除以上兩點(diǎn)外，根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋材料及結(jié)構(gòu)采用包括摩擦焊接、強(qiáng)烈淬火、超聲沖擊處理等輕量化工藝可減輕電驅(qū)動(dòng)橋零部件質(zhì)量。

綜上，目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)多通過(guò)使電驅(qū)動(dòng)橋零件薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化減輕電驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)量，輕量化材料主要包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。目前，相較于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用輕量化材料更受歡迎，其潛力巨大，但成本相對(duì)較高。

2.2.2 集成化

通過(guò)電驅(qū)動(dòng)橋中各零部件的集成，可有效減少零部件數(shù)量，從而提高電驅(qū)動(dòng)橋的通用性和傳動(dòng)效率。目前集成化在電驅(qū)動(dòng)橋中應(yīng)用的主要問(wèn)題是對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的散熱以及零部件的開(kāi)發(fā)提出了更高要求，且在一定程度上導(dǎo)致零部件可靠性降低、維修難度提高。

一種集成永磁同步電機(jī)和兩級(jí)行星齒輪的新型結(jié)構(gòu)，如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用空心結(jié)構(gòu)從而為行星齒輪的安裝提供了空間。此外，該結(jié)構(gòu)還可通過(guò)控制離合器使轉(zhuǎn)矩有2 種不同傳遞方式，從而具有不同的傳動(dòng)比，一種是當(dāng)齒圈固定時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩從太陽(yáng)輪輸入，行星架輸出，另一種是將輸入軸與輸出軸直接相連。

圖5

在產(chǎn)品集成化方面，目前有“二合一方案”“三合一方案”和“多合一方案”。二合一的電驅(qū)動(dòng)橋是將電機(jī)與減速器集成為一體；三合一的電驅(qū)動(dòng)橋是將逆變器、電機(jī)和減速器集成為一體；多合一的電驅(qū)動(dòng)橋是在三合一電驅(qū)動(dòng)橋的基礎(chǔ)上再集成整車(chē)的充放電及控制等功能。

總而言之，電驅(qū)動(dòng)橋?qū)亩弦环桨?，發(fā)展到三合一方案，并走向多合一的集成化方向發(fā)展，從而進(jìn)一步減少零部件數(shù)量和接口，以節(jié)約成本。

2.3 智能換擋

多擋變速器不僅可以減小電機(jī)和電機(jī)控制器的尺寸，提升車(chē)輛的起步加速能力，還能提高車(chē)輛的最高速度，拓寬驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效區(qū)間。智能換擋不僅能更好地適應(yīng)環(huán)境和參數(shù)的改變，具有更強(qiáng)的魯棒性，還能夠考慮駕駛員意圖。智能換擋作為多擋變速器的關(guān)鍵技術(shù)將直接影響車(chē)輛的駕駛性能，可根據(jù)控制策略?xún)?yōu)化目標(biāo)數(shù)量分為單目標(biāo)控制和多目標(biāo)控制。

2.3.1 單目標(biāo)優(yōu)化控制

單目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略主要從換擋舒適性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及制動(dòng)時(shí)能量回收率中選擇其一作為目標(biāo)，以最大限度地提升某一性能。單目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略計(jì)算量小，容易實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同變速器應(yīng)采取具有不同優(yōu)化目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略，比如針對(duì)AT應(yīng)提升效率，而針對(duì)AMT應(yīng)提升換擋質(zhì)量。但單目標(biāo)優(yōu)化的換擋控制策略只能針對(duì)某單一性能進(jìn)行優(yōu)化而不能使車(chē)輛整體性能最優(yōu)化。

在AT升擋的轉(zhuǎn)矩階段和慣性階段對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，使變速器的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力中斷換擋，提高了換擋舒適性，AT升擋控制過(guò)程如圖6所示。

圖6

在轉(zhuǎn)矩階段，離合器2（C2）加大壓緊力，離合器1（C1）減小壓緊力，而電機(jī)相應(yīng)地增加其轉(zhuǎn)矩以保持輸出轉(zhuǎn)矩恒定。此時(shí)，C2傳遞的實(shí)際轉(zhuǎn)矩逐漸增大，C1傳遞的實(shí)際轉(zhuǎn)矩逐漸減小。轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束時(shí)，C2 傳遞所有轉(zhuǎn)矩，C1 與C2 間的轉(zhuǎn)矩分配結(jié)束，之后進(jìn)入慣性階段。在慣性階段保持C2 的壓緊力，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低到一定水平，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速降至2擋時(shí)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由于C2處于滑摩狀態(tài)，且提供了其最大轉(zhuǎn)矩，所以即使電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，輸出轉(zhuǎn)矩仍保持不變。電機(jī)轉(zhuǎn)速接近2擋目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，C2的狀態(tài)從打滑變?yōu)檎硿?，C2不能提供其最大轉(zhuǎn)矩，因此在慣性相位結(jié)束前，需恢復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以保持輸出轉(zhuǎn)矩水平。該控制策略在惡劣工況下效果并不理想，因此增加了一個(gè)輔助電機(jī)提高換擋質(zhì)量。

2.3.2 多目標(biāo)優(yōu)化控制

多目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略可對(duì)換擋過(guò)程中多個(gè)相互依賴(lài)的目標(biāo)進(jìn)行控制，使變速器換擋過(guò)程具有最佳性能。該策略主要從換擋舒適性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及制動(dòng)時(shí)能量回收率中選擇多個(gè)作為優(yōu)化目標(biāo)，以提升車(chē)輛的整體性能。但多目標(biāo)控制計(jì)算量大，設(shè)計(jì)難度高。

以提高換擋過(guò)程中能源利用率及動(dòng)力性為目標(biāo)，提出了一種由1對(duì)行星齒輪、1個(gè)離心式離合器以及1個(gè)制動(dòng)帶組成的雙速無(wú)動(dòng)力中斷機(jī)械變速器，并根據(jù)基于模糊邏輯控制器所識(shí)別的駕駛員意圖以及最優(yōu)控制算法制定了如圖7 所示的換擋策略。在此換擋策略中將換擋過(guò)程分為轉(zhuǎn)矩階段和慣性階段。

圖7

在1擋工作過(guò)程中，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為0，升至2擋時(shí)，離合器蹄塊的離心力需克服離心式離合器內(nèi)部彈簧的作用從而傳遞轉(zhuǎn)矩。在升擋過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩階段，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸增加，而制動(dòng)帶傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸減小。隨著行星架旋轉(zhuǎn)速度隨車(chē)輛速度成比例增加，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩增加，導(dǎo)致制動(dòng)帶的靜摩擦轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。升擋轉(zhuǎn)矩階段齒圈轉(zhuǎn)速一直保持為0，直到制動(dòng)帶轉(zhuǎn)矩降至0為止。慣性階段開(kāi)始時(shí)，制動(dòng)帶傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到0，從而使齒圈旋轉(zhuǎn)。在離心式離合器產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩的作用下，齒圈與齒輪架之間的轉(zhuǎn)速差減小。升擋的慣性階段結(jié)束時(shí)，行星齒輪系統(tǒng)各部件在離合器轉(zhuǎn)矩的作用下具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。降擋過(guò)程與升擋過(guò)程類(lèi)似。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略減少了能源消耗并提高了動(dòng)力性。

單目標(biāo)優(yōu)化的換擋控制策略具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、對(duì)計(jì)算單元負(fù)荷小及易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，且針對(duì)不同構(gòu)型的電驅(qū)動(dòng)橋性能特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的單目標(biāo)優(yōu)化，可使電驅(qū)動(dòng)橋達(dá)到較好的整體性能。但單目標(biāo)優(yōu)化策略只能針對(duì)某單一性能進(jìn)行優(yōu)化，而不能使車(chē)輛整體性能最大化，甚至可能降低車(chē)輛其他性能。

與單目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略相比，多目標(biāo)優(yōu)化換擋控制策略雖然設(shè)計(jì)難度較大、控制變量多，但是能夠針對(duì)車(chē)輛的不同性能進(jìn)行優(yōu)化，從而根據(jù)不同需要最大化提升車(chē)輛整體性能。在目前電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程問(wèn)題暫時(shí)得不到很好解決的情況下，電驅(qū)動(dòng)橋換擋控制會(huì)朝著多目標(biāo)控制方向發(fā)展，以在提升車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)盡可能提高車(chē)輛其他性能。

3. 結(jié)束語(yǔ)

電驅(qū)動(dòng)橋作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，直接決定了電動(dòng)汽車(chē)的性能。在電驅(qū)動(dòng)橋構(gòu)型方面，多擋電驅(qū)動(dòng)橋在車(chē)輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其成為未來(lái)電驅(qū)動(dòng)橋發(fā)展的趨勢(shì)之一。但多擋化與集成化之間存在著一定矛盾，多擋化結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而集成化則需要結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，并且電驅(qū)動(dòng)橋的集成化也對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的散熱以及可靠性提出了更高的要求。智能化程度不高也是目前面臨的問(wèn)題之一。目前電驅(qū)動(dòng)橋的智能化僅僅是從部件的角度進(jìn)行考慮，并沒(méi)有將整車(chē)納入考慮范圍，這導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)橋的智能化程度難以提高。此外，電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車(chē)橋結(jié)構(gòu)存在差異，目前零部件復(fù)雜程度高，制造難度大，導(dǎo)致成本較高。

總體看來(lái)，電驅(qū)動(dòng)橋未來(lái)的發(fā)展方向?yàn)椋簠f(xié)調(diào)多擋化與集成化之間的矛盾；基于新材料的應(yīng)用，對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其更加緊湊輕便；將電機(jī)與電驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)一步融合；從整車(chē)角度考慮電驅(qū)動(dòng)橋智能化，將整車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)，使智能化程度進(jìn)一步提高；隨著人工智能的快速發(fā)展，利用深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法針對(duì)不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)制定更加智能化的換擋策略。

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