分布式電驅(qū)好在哪？控制關(guān)鍵技術(shù)難在哪？

上海汽車變速器有限公司成立于1925年，是上汽集團的全資子公司，但其不僅服務(wù)于集團內(nèi)部，同樣也是國內(nèi)、國際汽車廠商的合作伙伴。

上汽變速器具備了自動變速器、混合動力變速器、三合一電驅(qū)總成、高速減速箱、電機控制器等產(chǎn)品的自主研發(fā)能力。同樣上汽變速器的客戶也遍布了國內(nèi)各大主機廠，尤其在軟件方面掌握了TCU軟件、HCO軟件、MCU軟件的核心技術(shù)能力。在S8S三級以及功能安全SUD的流程認(rèn)證下，上汽變速器軟件產(chǎn)品的質(zhì)量得以保證。

早在1873年，英國人羅伯特·戴維森就改造了一輛以鐵芯電池供電，電機驅(qū)動的電動三輪車，他比德國人戴姆勒發(fā)明的汽油發(fā)動機要早了10年以上。1900年德國人飛費迪南德·保時捷利用它自己研發(fā)的輪轂式電機制造了第一量分布式前兩輪的電動汽車。之后他還研究了四輪分布的電動跑車。電動汽車一經(jīng)問世就取代了馬車，很快就傳遍了整個世界。

但是到了20世紀(jì)20年代，由于內(nèi)燃機技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車進入了一個衰退期，60年代，又由于能源危機，全世界又把目光重新投到了電動汽車，這時候電動汽車進入了復(fù)蘇期。20世紀(jì)90年代以后，更嚴(yán)苛的環(huán)保要求，電動汽車進入了快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期。如今電動汽車的發(fā)展已經(jīng)進入到了產(chǎn)業(yè)化階段，各種各樣驅(qū)動模式的電動車紛紛上市。其中分布式驅(qū)動的電動車作為未來汽車發(fā)展的主要方向，很多的主機廠都在不斷的開發(fā)和推出他們自己的產(chǎn)品。

分布式電驅(qū)系統(tǒng)成最優(yōu)解

從分布結(jié)構(gòu)以及布置方式而言，其主要分為中央集中式、中央分式和輪端式電驅(qū)系統(tǒng)。其中，中央集中式系統(tǒng)是目前最為主要的驅(qū)動以及布置方式，但是其他左右半軸不一致，同時還有差速器耦合，所以傳動效率相對較低。中央分布式電驅(qū)總成，其左右對稱布置，因此整個系統(tǒng)的鋼度更好，并且傳動效率明顯提升。同時伴隨著分布式驅(qū)動控制，車輛的操控性將有很明顯的提升。

針對輪端式驅(qū)動電驅(qū)，其具有高效、節(jié)能、輕量化和小型化的諸多優(yōu)點，但是因為輪轂式電機增加了質(zhì)量，所以整個車輛的操控難度增加。此外還有防水、防塵、防振動，以及一些散熱的問題需要攻克。因此，在輪轂電機成熟之前，中央分布式電驅(qū)系統(tǒng)將更具有優(yōu)勢。

如圖是上汽變速器公司的電驅(qū)產(chǎn)品和未來的規(guī)劃，首先第一代產(chǎn)品——400V的SCDS，三合一電驅(qū)總成，于2019年以成功量產(chǎn)，先后匹配了哪吒U，大通EV90，以及天際ME5等車型，有120千瓦和150千瓦兩種規(guī)格。第二代產(chǎn)品，基于碳化硅技術(shù)的800V、2000千瓦、399米的三合一電驅(qū)總成，目前正在研發(fā)過程中。

第三代中央分布式電驅(qū)系統(tǒng)，目前上汽變速器正處于預(yù)研階段，第二代和第三代產(chǎn)品目前的應(yīng)用更為廣泛，從高端的乘用車到轎跑，從SUV到皮卡，甚至是面包車的不同車型，涵蓋了乘用車到輕型商用車。尤其是上汽變速器的第三代產(chǎn)品，配合的線控底盤技術(shù)的高度融合，將是未來發(fā)展的趨勢。

上汽變速器產(chǎn)品的特點取消了插速器，中間輸出采用球軸承，所以整體的傳動效率非常高。此外，采用了鎂合金的殼體，所以NVH效果更好。左右電機和減速器是戶對稱布置，系統(tǒng)鋼度更優(yōu)，采用了軸向磁場電機，軸向距離壓縮整體的尺寸非常小，采用了冷電機，因此整體電機在峰值功率工況下的性能會更加穩(wěn)定。同時，伴隨著分布式驅(qū)動控制的軟件，使整車可以具備更小的轉(zhuǎn)彎半徑，更優(yōu)的過彎操控性，以及更加的起步加速性。

研發(fā)痛點，提出上汽變速器方案

由于分布式驅(qū)動的功能開發(fā)非常難，所以上汽變速器做了一定的前提和假設(shè)：

從整車的架構(gòu)可以看出，整輛車前軸布置了中央集中式的電驅(qū)總成，帶有MCU控制器，后軸帶有中央分布式雙電機總成，同樣也有二合一的電機控制器。VCU仍有保持，上汽變速器從VCU進行整車駕駛員需求扭矩的識別，同時包含了前后軸扭矩的分配。

在此前提條件下，在后著的MCU控制器里的軟件架構(gòu)，將后輪的兩輪扭矩分配控制和雙電機控制，合在MCU控制器當(dāng)中，分別放在了MCU兩個內(nèi)核當(dāng)中進行核內(nèi)通信，可以有更快的控制速度，從而達到更精確的控制。

在這樣的前提條件下，上汽變速器和吉林大學(xué)進行深度合作，其中主要展現(xiàn)的是低速的電子差速、中高速直接橫板立即控制，以及驅(qū)動防滑。

低速電子差速控制

其核心采用的是阿克曼轉(zhuǎn)向模型，該轉(zhuǎn)向模型可以獲取到兩個后輪的目標(biāo)輪速，同時根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)角信號和實際的兩個輪輪速，進行補償扭矩的計算，從而獲取到補償扭矩，與駕駛員的需求扭矩重新進行分配，獲取到整車低速轉(zhuǎn)彎的控制。

阿克曼轉(zhuǎn)向模型有很嚴(yán)苛的成立條件，首先車身是鋼體結(jié)構(gòu)，第二點是輪胎必須全滾動，第三是它的側(cè)向變形必須與側(cè)向力成正比。目前的電子差速控制的軟件只適用于低速轉(zhuǎn)彎，增向加速度在0．4個G，前車速在30公里以下，輪胎全滾動的轉(zhuǎn)彎工況。

團隊查了大量的文獻和極大的溝通，其實目前主要采用的估算方法是前后軸的載荷，這個在工程上來說，計算比較復(fù)雜，所以上汽變速器決定采用的是前后軸離地距離測量的修正法，進行新的縱向位置偏移的估算。在這樣的整個算法下，通過仿真視頻，可以看出采用了電子差速控制的紅車，在相同的方向盤轉(zhuǎn)角情況下，其實它的轉(zhuǎn)彎半徑會更小，所以機動性會更好。

中高速的直接橫擺立即控制

當(dāng)車速越來越高，側(cè)向加速度已經(jīng)不可忽略了，根據(jù)輪胎的特性，上汽變速器的側(cè)偏角越大，更容易達到輪胎的側(cè)滑，因此上汽變速器為了保證車身的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)彎過程中采用了中高速的直接橫擺立即控制。

通過方向盤轉(zhuǎn)角和車速的信號，可以根據(jù)穩(wěn)態(tài)的橫擺角速度模型，獲取到期望的橫擺角速度。這個期望的橫擺角速度又和路面附著系數(shù)的約束，也就是當(dāng)路面系數(shù)越小，得到的希望橫擺角速度最大值也就越小。

通過受約束的橫擺角速度，與實際傳感器獲得到的橫擺角速度之間進行反饋控制，可以獲取到附加扭矩，也就是上汽變速器做的直接橫擺力矩的控制。如圖，紅色車子具有直接橫擺力矩控制的車輛，在整個過彎過程，紅色車子轉(zhuǎn)彎的操控性會更強。如何獲取路面附著系數(shù)，從而使最大期望的橫擺角速度做一個約束？目前在路面附著系數(shù)估算上的研究，從這張圖上可以看到上汽變速器是利用驅(qū)動輪的縱向驅(qū)動力，驅(qū)動輪的垂直載荷，獲取到驅(qū)動輪利用負(fù)載系數(shù)，根據(jù)驅(qū)動輪的滑移率，根據(jù)輪胎的磨數(shù)公式獲取到路面附著系數(shù)。

其中驅(qū)動輪的縱向驅(qū)動力，采用的是牛頓第二和第三定律，而沒有用輪胎的模型，這樣其優(yōu)點是可以盡量減少對輪胎參數(shù)的依賴和路面信息的依賴。根據(jù)牛頓第二定律，可以知道驅(qū)動輪的縱向驅(qū)動力，它其實有輪胎的內(nèi)部非線性力矩，以及慣性加速度力矩，以及上汽變速器的路面外部阻力所組成的。根據(jù)牛頓第三定律，外部的阻力矩和輪段的驅(qū)動力矩進行相當(dāng)于耦合和抵消，同時輪胎內(nèi)部的非線性力矩非常小，所以在整個計算過程中進行了這樣的忽略。最后根據(jù)電機的扭矩和轉(zhuǎn)速的變化率，可以獲取到縱向驅(qū)動力結(jié)果。

驅(qū)動防滑

其主要是應(yīng)用在了起步加速時的打滑，以及行車過程中的打滑工況。分布式驅(qū)動的產(chǎn)品，其實在整個驅(qū)動防滑上更具有一些先天性的優(yōu)勢，尤其是在單側(cè)輪打滑的情況下。另外一側(cè)車輪根據(jù)路面的附著力，可以繼續(xù)驅(qū)動輪子讓車子進行脫困。

從這張框圖上可以看出，防滑中的軟件策略實時在計算不同輪子的滑移情況，同時根據(jù)路面附著率獲取到的最優(yōu)滑移率進行比較，可以獲取到的是驅(qū)動輪的過剩力矩，通過這個重新進行扭矩轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)驅(qū)動防滑功能。

藍色車子是具備了驅(qū)動防滑功能，所以它的起步性相對來說更快一些。前面看到有白色的線條是上汽變速器進入了單側(cè)打滑路面的方針。當(dāng)我進入單側(cè)打滑路面之后，藍色車子具有驅(qū)動防滑，可以保證直線行駛，而紅色的車輛出現(xiàn)了偏移，這和上汽變速器的扭矩轉(zhuǎn)移策略是相關(guān)的。

上汽變速器將驅(qū)動輪防滑分成三大工況，

一是左右輪同時出現(xiàn)不同情況的打滑，單側(cè)車輪出現(xiàn)打滑，以及轉(zhuǎn)完工況時候出現(xiàn)的打滑。當(dāng)左右車輪出現(xiàn)不同程度打滑時，分別計算出來扭矩分別作用到兩個電機的控制上進行降扭，從而實現(xiàn)了驅(qū)動輪防滑的控制。當(dāng)出現(xiàn)單側(cè)車輪打滑時，先來看一個低速工況，采用的是打滑車輪的過剩扭矩，會部分轉(zhuǎn)移到非打滑車輪，同時也會進行車身的橫擺，以及側(cè)向的監(jiān)控，同時還監(jiān)控著非打滑車輪的滑移情況，以保證整個車身的穩(wěn)定。

在高速工況下，為了保證車身的穩(wěn)定和防止側(cè)滑，當(dāng)單側(cè)車輪打滑時獲取到了過剩力矩，將同時作用在非打滑輪，這就是前面在視頻中可以看到的，藍色車子當(dāng)進入單側(cè)打滑之后車速開始下降，這就是因為統(tǒng)一的降扭造成的結(jié)果。

第三是轉(zhuǎn)彎工況，當(dāng)轉(zhuǎn)彎工況時，上汽變速器一定要考慮車身穩(wěn)定，所以當(dāng)出現(xiàn)打滑工況時的打滑情況，它的過剩力矩最大值將作用在兩個輪子的電機控制上，保證整個車身的穩(wěn)定。通過上汽變速器設(shè)計的對開路面的仿真結(jié)果，可以看出來前面半段是在0．8附著系數(shù)的路面上進行加速，當(dāng)進入0．8和0．2的對看路面之后，可以看到當(dāng)沒有驅(qū)動防滑功能情況下，我的0．25附著系數(shù)的車輪其實是快速上升，同時出現(xiàn)滑移率達到100％，如果用了驅(qū)動防滑功能，可以看到它整個輪速是快速下降，滑移率被控制在最優(yōu)滑移率的附近。

控制軟件如何進行驗證

對于去傳動領(lǐng)域的公司而言，其實原本不需要關(guān)心轉(zhuǎn)彎、打滑的工況設(shè)計和軟件驗證，因此對整車仿真環(huán)境為了滿足分布式驅(qū)動控制，必須重新開發(fā)。因此上汽變速器利用了仿真環(huán)境，重新搭了整車的仿真環(huán)境?？梢钥吹剿笋{駛員的模擬，包含了所有車身姿態(tài)傳感器信號的模擬，整個輪端阻力的模擬，以及制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的模擬。整個整車仿真環(huán)境化可以支撐上汽變速器后續(xù)做臺架測試。

雙電機控制器還在研發(fā)過程中，為了驗證分布式驅(qū)動控制軟件，仍然采用了兩個電機進行電機控制。將其中的一個電機把分布式驅(qū)動控制的軟件融合在當(dāng)中，加上了兩個臺架進行兩個電機以及整車仿真環(huán)境的搭建，形成一個閉環(huán)，實現(xiàn)的是車身姿態(tài)傳感器的模擬，路面負(fù)載的模擬，同時也包含了VCU、ESP、TCS、IBS等節(jié)點功能在里面，幫助上汽變速器一起驗證分布式驅(qū)動控制的軟件，最后可以實現(xiàn)的是加速、減速、轉(zhuǎn)彎以及軌跡跟蹤等方向的閉環(huán)測試。

唐瑩表示，上汽變速器正在計劃使用控制器，將整車仿真環(huán)境的軟件融合當(dāng)中進行路面和輪胎負(fù)載的模擬扭矩信號，給臺架負(fù)載電機，來實現(xiàn)閉環(huán)測試。            

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