1  前言

電驅動橋是針對電動汽車設計的一種機電一體化驅動系統，具有集成化程度高、體積小、能耗低等優(yōu)點。作為電動汽車的核心部件，其性能直接影響電動汽車的動力性和經濟性。

電驅動橋可分為集中式電驅動橋和分布式電驅動橋。集中式電驅動橋結構復雜，但具有成本低、對傳動系統設計影響較小以及開發(fā)難度低的優(yōu)點。分布式電驅動橋具有結構簡單、質量輕以及效率高的優(yōu)點，但差速控制困難、非簧載質量大。

電驅動橋主要由電機、逆變器、變速器組成。由于在轉矩密度、功率密度以及效率等方面具有顯著優(yōu)勢，永磁同步電機已逐漸成為車用電機的主流。為進一步減小電驅動橋的體積和質量，新一代電驅動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，但隨著電驅動橋技術的發(fā)展，多擋電驅動橋逐漸成為了研究的熱點。

本文將對電驅動橋關鍵技術進行綜述，并在此基礎上總結得出電驅動橋的發(fā)展方向。

2  電驅動橋關鍵技術

電驅動橋性能主要受到3 個方面的影響：第一，電驅動橋動力傳遞路徑及分配方式隨著構型的不同而改變，從而影響電驅動橋的輸出；第二，電驅動橋結構會影響其自身的質量、體積，進而影響其性能；第三，電驅動橋控制策略影響其各部件的協同工作。

2.1  多擋化構型

目前，電驅動橋通常配備單速變速器，以最大限度降低成本、體積，減輕質量并提高其適配性。

相比于單擋變速器無法兼顧車輛起步時的轉矩和速度，多擋變速器可以通過低擋位提供大扭矩，高擋位提高車輛的速度達到起步扭矩與車速的兼容，并能夠降低電機的體積、質量和轉速。在電池技術短時間內難以取得重大突破的情況下，通過提高效率增加電動汽車的續(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實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制定合適的智能換擋控制策略使電機更多地工作在高效區(qū)間，從而降低能耗，提高電動汽車的經濟性，增加續(xù)航里程。多擋變速器不僅能夠降低電機的體積與質量，而且在動力性和經濟性方面也更加適合電動汽車，因此多擋化是電驅動橋未來發(fā)展的趨勢之一。表1 顯示了單擋變速器與多擋變速器的對比結果。圖1 所示為某公司推出的一款16 t載貨汽車多擋電驅動橋結構，該電驅動橋將永磁同步電機、兩擋變速器以及涵蓋所有控制功能的逆變器集成在車橋的中心部位。

表1 單擋變速器與多擋變速器優(yōu)缺點對比



圖1 某公司多擋電驅動橋結構

電動汽車多擋自動變速器包括機械式自動變速器（AMT）、雙離合變速器（DCT）、液力自動變速器（AT）、無級變速器（CVT）以及針對電動汽車開發(fā)的新型變速器。其中，CVT的應用相對較少。圖2顯示了不同電動汽車多擋變速器在成本、效率、轉矩能力、換擋質量以及體積和質量上的差異。圖3所示為4種變速器結構示意。


圖2 不同電動汽車變速器性能比較


圖3 不同變速器結構對比

AMT在效率、質量和制造成本上優(yōu)勢顯著，在電動汽車上得到了廣泛應用，但其存在換擋沖擊且控制參數多。DCT 綜合了機械式高效與液力變矩器式無動力中斷的優(yōu)點，是一類傳動效率高、換擋沖擊低且換擋無動力中斷的變速器。AT通過控制離合器完成換擋，換擋過程中無動力中斷，換擋質量極高，但換擋效率低。

針對電動汽車，許多研究者開發(fā)了新型變速器。FANG 等針對電動汽車提出了一種由1 對行星齒輪、1個離心式離合器以及1個制動帶組成的雙速無動力中斷機械變速器，見圖3d。齒圈在第1 擋時由制動帶固定，離合器離心塊受離合器系統內部彈簧的作用，與離合器從動件無接觸，不產生摩擦力矩。此時，電機產生的動力依次由行星齒輪太陽輪、行星架輸出，從而使變速器傳動比大于1。離心式離合器在其離合器蹄片轉速達到規(guī)定值后開始嚙合，在第2 擋時松開制動帶，此時，行星齒輪太陽輪與齒圈具有相同的轉速，從而使變速器的傳動比變?yōu)?。

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

2.2  輕量化與集成化結構

電驅動橋結構的相關研究主要集中在輕量化和集成化方面，以減小質量和體積。

2.2.1  輕量化

目前，電驅動橋輕量化技術主要可分為結構優(yōu)化設計、輕量化材料的應用以及先進的輕量化制造工藝。

在電驅動橋輕量化結構設計方面，目前主要通過現代設計理論來設計電驅動橋各零部件的結構，以最大限度地減輕質量。Songlin等根據材料的低載強化特性并結合疲勞強度設計，使材料的強度潛力得到最大限度發(fā)揮，從而實現車輛傳動軸和前橋的輕量化。Lowrie 等將實心軸改為空心軸，并利用載荷映射建立有限元模型對提出的輕量化設計方案進行分析評價。Tong等利用基于可靠性的零件輕量化設計方法對鋁合金輪轂進行設計，使輪轂質量減輕10%。Ide等討論了用結構優(yōu)化方法設計輕量化結構和在接觸約束下使應力最小化的設計方法。Schaeffler公司開發(fā)了如圖4所示的2種比傳統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平面上以行星齒輪對排列，能夠更好地實現集成功能，從而減小電驅動橋的質量和體積。林利紅等提出了一種由電機、二級減速器、差速器和半軸組成的新型純電動汽車同軸一體化電驅動橋結構，并建立了驅動后橋橋殼輕量化模型，利用目標驅動方法構建了響應曲面關系，對優(yōu)化模型進行了求解，使橋殼質量減輕了8.4%。該電驅動橋的電機輸出軸通過花鍵帶動減速器的輸入軸旋轉，經兩級齒輪減速后將動力傳遞給差速器，而半軸穿過空心電機軸插入差速器，最后動力經半軸輸出到車輪。


圖4 2種圓柱齒輪差速器結構

采用輕量化材料是既保證行駛安全性又能減輕車身質量的重要手段。目前，汽車輕量化材料主要有高強度材料和輕質材料。牛湛滔采用鋁合金材料替代主減速器殼的鑄鐵材料，從而達到輕量化的目的。Juraeva 等采用基礎材料與增強材料混合的方法開發(fā)了一種輕質、高剛度的塑料復合材料，以代替減速器殼體中的鋁。Ferreira 等以納米金剛石（Nano-Diamond，ND）作為增強材料，提高了零部件材料中鋁的屈服應力和極限抗拉強度，從而可減輕車輛零部件的質量。

除以上兩點外，根據電驅動橋材料及結構采用包括摩擦焊接、強烈淬火、超聲沖擊處理等輕量化工藝可減輕電驅動橋零部件質量。

綜上，目前結構優(yōu)化設計多通過使電驅動橋零件薄壁化、中空化、小型化和復合化減輕電驅動橋質量，輕量化材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維增強復合材料。目前，相較于結構優(yōu)化設計，采用輕量化材料更受歡迎，其潛力巨大，但成本相對較高。

2.2.2  集成化

通過電驅動橋中各零部件的集成，可有效減少零部件數量，從而提高電驅動橋的通用性和傳動效率。目前集成化在電驅動橋中應用的主要問題是對電驅動橋的散熱以及零部件的開發(fā)提出了更高要求，且在一定程度上導致零部件可靠性降低、維修難度提高。HU等為提高電動汽車傳動系統的性能和集成度，將2組電機繞組分別通過逆變器與超級電容和電池連接，使雙三相永磁同步電機驅動系統不需要附加的DC/DC 變換器。Huang等設計了一個集成的散熱結構，將熱量有效地從電機殼體內轉移到外部熱交換器。Montonen等將永磁同步電機與行星齒輪、電機冷卻和潤滑系統集成在一起并對集成系統的冷卻性能進行了驗證。Sinkko 等提出了一種集成永磁同步電機和兩級行星齒輪的新型結構，如圖5 所示，電機轉子采用空心結構從而為行星齒輪的安裝提供了空間。此外，該結構還可通過控制離合器使轉矩有2 種不同傳遞方式，從而具有不同的傳動比，一種是當齒圈固定時電機轉矩從太陽輪輸入，行星架輸出，另一種是將輸入軸與輸出軸直接相連。


圖5 電機與行星齒輪集成結構

劉志強等發(fā)明了一種車用集成電機的逆變器總成，由帶冷卻的逆變器殼體和厚銅印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）總成構成，可實現結構的集成化。該逆變器總成利用厚銅PCB 總成實現了功率主回路、驅動和控制電路以及電流傳感器的一體化集成和多層部件的設計，結構高度集成，軸向和徑向空間更加緊湊。Yang 等提出了一種新型的具有雙轉子電機的集成化傳動系統，可通過控制鎖止器、離合器的開合以及轉子的鎖定實現4 種不同的傳動比。采用雙轉子的傳動系統在提升集成化程度的同時，也減少了電機驅動線束。

在產品集成化方面，目前有“二合一方案”“三合一方案”和“多合一方案”。二合一的電驅動橋是將電機與減速器集成為一體；三合一的電驅動橋是將逆變器、電機和減速器集成為一體；多合一的電驅動橋是在三合一電驅動橋的基礎上再集成整車的充放電及控制等功能。

總而言之，電驅動橋將從二合一方案，發(fā)展到三合一方案，并走向多合一的集成化方向發(fā)展，從而進一步減少零部件數量和接口，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和電機控制器的尺寸，提升車輛的起步加速能力，還能提高車輛的最高速度，拓寬驅動電機的高效區(qū)間[36]。智能換擋不僅能更好地適應環(huán)境和參數的改變，具有更強的魯棒性，還能夠考慮駕駛員意圖。智能換擋作為多擋變速器的關鍵技術將直接影響車輛的駕駛性能[37]，可根據控制策略優(yōu)化目標數量分為單目標控制和多目標控制。
 
2.3.1  單目標優(yōu)化控制

單目標優(yōu)化換擋控制策略主要從換擋舒適性、經濟性、動力性以及制動時能量回收率中選擇其一作為目標，以最大限度地提升某一性能。單目標優(yōu)化換擋控制策略計算量小，容易實現，針對不同變速器應采取具有不同優(yōu)化目標的單目標優(yōu)化換擋控制策略，比如針對AT應提升效率，而針對AMT應提升換擋質量。但單目標優(yōu)化的換擋控制策略只能針對某單一性能進行優(yōu)化而不能使車輛整體性能最優(yōu)化。

Lin等[38]為了提高系統的穩(wěn)定性，采用自抗擾控制，并引入時間優(yōu)化方法對自抗擾控制的動態(tài)響應進行優(yōu)化，提升了換擋過程中的動力性。Shen 和Hu 等[39-40]基于動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）算法提出了混合動力汽車和電動客車的AMT換擋優(yōu)化方法，利用DP方法從獲得的最優(yōu)換擋點中提取出適用于實車的換擋方案，并結合中國典型城市駕駛循環(huán)的工程經驗進行優(yōu)化，提高了能量利用率。Zhu 等[41]根據驅動電動機的效率特性，獲得了電動車兩速AT 的經濟性換擋曲線。Li 等[42]對混合動力汽車再生制動過程中AMT 的降擋進行分析，分別提出了基于規(guī)則和DP算法的降擋策略，提高了再生制動的能量回收率。Shen 等[43]采用自組織映射和K-Means 聚類算法構建了插電式混合動力通勤車輛典型循環(huán)工況，并利用改進的DP方法，提出了具有最佳經濟性的AT自適應換擋策略。

Chen等[44]在AT升擋的轉矩階段和慣性階段對電機轉矩進行控制，使變速器的輸出轉矩恒定，實現無動力中斷換擋，提高了換擋舒適性，AT 升擋控制過程如圖6所示。在轉矩階段，離合器2（C2）加大壓緊力，離合器1（C1）減小壓緊力，而電機相應地增加其轉矩以保持輸出轉矩恒定。此時，C2傳遞的實際轉矩逐漸增大，C1傳遞的實際轉矩逐漸減小。轉矩階段結束時，C2 傳遞所有轉矩，C1 與C2 間的轉矩分配結束，之后進入慣性階段。在慣性階段保持C2 的壓緊力，將電機轉矩降低到一定水平，直到電機轉速降至2擋時的目標轉速。由于C2處于滑摩狀態(tài)，且提供了其最大轉矩，所以即使電機轉矩降低，輸出轉矩仍保持不變。電機轉速接近2擋目標轉速時，C2的狀態(tài)從打滑變?yōu)檎硿珻2不能提供其最大轉矩，因此在慣性相位結束前，需恢復電機轉矩以保持輸出轉矩水平。該控制策略在惡劣工況下效果并不理想，因此增加了一個輔助電機提高換擋質量。


圖6 AT升擋控制過程

Yang 等提出了一種由行星齒輪組構成的雙輸入不間斷多速變速器，并制定了基于PI 控制器的實時控制策略，從而優(yōu)化了電動車輛的經濟性，但卻忽略了換擋時間對駕駛性能的影響。顧強等提出了基于粒子群優(yōu)化算法的純電動汽車動力電機參與下的DCT升擋過程的協調控制方法，以改善換擋品質為目標，對升擋過程中電機轉矩、離合器轉矩軌跡曲線進行優(yōu)化。

2.3.2  多目標優(yōu)化控制

多目標優(yōu)化換擋控制策略可對換擋過程中多個相互依賴的目標進行控制，使變速器換擋過程具有最佳性能。該策略主要從換擋舒適性、經濟性、動力性以及制動時能量回收率中選擇多個作為優(yōu)化目標，以提升車輛的整體性能。但多目標控制計算量大，設計難度高。

He 等提出了一種基于模糊邏輯控制器和控制原理的AMT 動態(tài)修正換擋方案，可有效提升換擋的動力性能及能源利用率。Zhao 等建立了基于分層隱馬爾可夫模型和自適應神經模糊推理系統的制動意圖識別模型，并提出了制動過程中AMT的換擋策略，提高了重型商用車制動安全性和制動能量回收效率。Gao等研究了一種將干式離合器置于變速器后部的新型AMT及其換擋控制策略，通過在轉矩階段采用前饋控制對電機輸出轉矩進行控制和通過離合器的轉矩進行控制及在慣性階段采用PID控制器對牽引電機進行控制，達到輸出恒定轉矩的目的，提高了換擋動力性和經濟性。

李陽等對電動汽車兩擋AMT 換擋過程和換擋品質的影響因素進行了分析，提出了沖擊度約束下驅動電機清除轉矩和恢復轉矩的控制方法、驅動電機“重疊同步調速”控制方法以及換擋電機三閉環(huán)分段控制方法，從而提升了換擋過程中的動力性及舒適性。Wu等開發(fā)了一種純電動汽車雙輸入無離合器傳動系統，通過利用輔助電機進行轉矩補償達到無動力中斷換擋，并針對過度換擋問題提出了換擋控制策略，為了平衡換擋和能量消耗，采用多目標優(yōu)化算法確定換擋穩(wěn)定器的最優(yōu)系數，從而提高了舒適性和能源利用率。

Fang 等以提高換擋過程中能源利用率及動力性為目標，提出了一種由1對行星齒輪、1個離心式離合器以及1個制動帶組成的雙速無動力中斷機械變速器，并根據基于模糊邏輯控制器所識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程分為轉矩階段和慣性階段。


圖7 新型單輸入變速器換擋控制策略

在1擋工作過程中，離合器傳遞轉矩為0，升至2擋時，離合器蹄塊的離心力需克服離心式離合器內部彈簧的作用從而傳遞轉矩。在升擋過程中的轉矩階段，離合器傳遞轉矩逐漸增加，而制動帶傳遞轉矩逐漸減小。隨著行星架旋轉速度隨車輛速度成比例增加，離合器傳遞的轉矩增加，導致制動帶的靜摩擦轉矩相應減小。升擋轉矩階段齒圈轉速一直保持為0，直到制動帶轉矩降至0為止。慣性階段開始時，制動帶傳遞轉矩達到0，從而使齒圈旋轉。在離心式離合器產生的摩擦轉矩的作用下，齒圈與齒輪架之間的轉速差減小。升擋的慣性階段結束時，行星齒輪系統各部件在離合器轉矩的作用下具有相同的轉動速度。降擋過程與升擋過程類似。試驗結果表明，該控制策略減少了能源消耗并提高了動力性。

Liang 等針對電動車設計了一種雙電機動力系統，以換擋動力性和經濟性為目標，采用改進的模型預測磁鏈控制方法對電機轉矩和轉速進行控制。黃康等通過多目標粒子群算法和Bellman 動態(tài)規(guī)劃算法，建立優(yōu)化后的換擋策略。在此基礎上，通過廣義回歸神經網絡提取動態(tài)規(guī)劃的換擋優(yōu)化結果，利用得到的換擋策略建立了自適應駕駛員模型和整車正向仿真模型，通過整車正向仿真分析對分層優(yōu)化結果進行進一步選擇。

單目標優(yōu)化的換擋控制策略具有設計簡單、對計算單元負荷小及易于實現的優(yōu)點，且針對不同構型的電驅動橋性能特點進行相應的單目標優(yōu)化，可使電驅動橋達到較好的整體性能。但單目標優(yōu)化策略只能針對某單一性能進行優(yōu)化，而不能使車輛整體性能最大化，甚至可能降低車輛其他性能。與單目標優(yōu)化換擋控制策略相比，多目標優(yōu)化換擋控制策略雖然設計難度較大、控制變量多，但是能夠針對車輛的不同性能進行優(yōu)化，從而根據不同需要最大化提升車輛整體性能。在目前電動汽車續(xù)航里程問題暫時得不到很好解決的情況下，電驅動橋換擋控制會朝著多目標控制方向發(fā)展，以在提升車輛燃油經濟性的同時盡可能提高車輛其他性能。

3  結束語

電驅動橋作為電動汽車的核心部件，直接決定了電動汽車的性能。在電驅動橋構型方面，多擋電驅動橋在車輛動力性和經濟性方面具有的獨特優(yōu)勢，使其成為未來電驅動橋發(fā)展的趨勢之一。但多擋化與集成化之間存在著一定矛盾，多擋化結構相對復雜，而集成化則需要結構相對簡化，并且電驅動橋的集成化也對電驅動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題之一。目前電驅動橋的智能化僅僅是從部件的角度進行考慮，并沒有將整車納入考慮范圍，這導致電驅動橋的智能化程度難以提高。此外，電驅動橋結構與傳統車橋結構存在差異，目前零部件復雜程度高，制造難度大，導致成本較高。

總體看來，電驅動橋未來的發(fā)展方向為：協調多擋化與集成化之間的矛盾；基于新材料的應用，對電驅動橋結構進行設計，使其更加緊湊輕便；將電機與電驅動橋進一步融合；從整車角度考慮電驅動橋智能化，將整車數據進行互聯，使智能化程度進一步提高；隨著人工智能的快速發(fā)展，利用深度學習、強化學習等機器學習方法針對不同類型和結構的電動汽車制定更加智能化的換擋策略。