扭矩矢量控制正成为车辆动力学工程师不可或缺的核心技术。EEPW特别整理了来自法拉利、蔚来、吉凯恩(GKN)、博世、霍米拉米拉(Horiba Mira)的行业专家对这项技术的发展趋势洞察。
图1 法拉利纯电车型 Elettrica 的前后轴各搭载两台独立电机,协同实现扭矩矢量控制,大幅优化车辆动态表现。
该车前后双电轴所有零部件均由法拉利自主研发。Elettrica 前轴综合输出功率 210 千瓦,系统效率 93%,功率密度 3.23 千瓦 / 千克。断开式传动机构可平顺切换至后轮驱动模式,最大化行驶能效。
在车辆动力学领域,作用于四个车轮的扭矩分配是最核心的基础要素之一。但直到十年前,底盘工程师对车轮扭矩的调控手段十分有限,仅能依靠限滑差速器或一定程度的制动介入实现微弱干预。如今行业格局已然改变。过去十年,主动差速器逐步普及,多电机纯电车型更是迎来爆发式增长。当下部分车型可由动力学工程师独立管控四轮扭矩。这套精细控制能力解锁了大量全新性能潜力,但业内对于该技术的最优落地路线仍存在诸多分歧。
“扭矩矢量控制的核心逻辑,是给每个车轮分配恰到好处的扭矩,它并不等同于依靠扭矩实现车辆转向。” 法拉利跑车整车工程总监马泰奥・兰扎韦基亚解释道。“法拉利车型本身依靠机械结构特性实现转向响应,包括轴荷分配、轴距、轮胎规格等。在转向、牵引力、电制动叠加的激烈驾驶工况下,每只轮胎都需要匹配对应扭矩(部分工况下扭矩甚至为零),以此释放车辆极限性能。对我们而言,扭矩矢量控制并非用来改变车辆转向,而是提升纵向动力性能的手段。”
法拉利全新发布的 Elettrica 纯电超跑开辟了品牌全新技术路线:四轮独立电机架构,综合输出功率超 1000 马力,整车重量约 2.3 吨。法拉利此前在 SF90、F80 混动车型上已实现前轴双电机独立扭矩控制,而 Elettrica 将这套独立扭矩管控拓展至全部四个车轮。
图2 蔚来旗舰 SUV 全新 ES8,后轮扭矩矢量分配可将车辆转弯半径缩短 0.5 米
相比燃油车搭配电控差速器的方案,四电机纯电架构拥有天然优势:电控差速器属于半主动系统,而 ES8 后轴双电机可实现全主动扭矩调节,能灵活为每个车轮精准分配所需扭矩。蔚来整车运动控制高级专家托马斯・施普伦格尔则预测,扭矩矢量控制将在车辆横向动力学中扮演关键角色。“这项技术的核心应用场景集中在低附着路面、极限操控工况;我们近期也开发了专属场景功能,例如缩小转弯半径 —— 这项功能在车辆未配备后轮转向时实用性大幅提升。” 他表示。施普伦格尔补充道:“我们全新上市的 ES8 依托后轮差速扭矩分配,转弯半径直接缩短 0.5 米。”
吉凯恩 Twinster 系统是量产车上极具创新性的扭矩矢量方案,路虎揽胜极光、凯迪拉克 XT5、福特福克斯 RS 等车型均搭载该系统。这套机构取消传统差速器,改用两组离合器片,分别控制左右车轮的扭矩分配。数年前,GKN为一台全尺寸 SUV 开发了后桥扭矩矢量系统,目标是提升混动车型能效与操控性能。GKN将搭载 e-Twinster 系统的车辆与普通版车型在冰面场地对比测试,配备该系统的车辆响应与可控性显著更强,驾驶体感更轻盈、灵活。”
多技术路线同台竞争
扭矩矢量控制只是日趋丰富的主动底盘技术之一,其功能常与线控转向、后轮转向、主动防倾杆、主动减震器等系统重叠。如何划分各套系统的职能边界?
蔚来工程师施普伦格尔解释:“传统方案仅依靠标定划分工作区间,各系统并行工作、无直接交互。资深动力学工程师需要划定各系统工作区间,避免功能互相干扰,以此平衡整车表现。”蔚来全新 NT3 平台搭载集中式整车运动控制器(VMC),这套核心控制器会根据各执行器工作状态、最优控制逻辑统筹分配各部件介入时机,统一达成整车操控目标。施普伦格尔表示:“这套集中控制方案拓宽了车辆线性操控区间,延迟电子稳定控制系统(ESC)等极限保护功能的介入时机。线控转向、后轮转向用于拓宽线性操控区间,尽可能延后制动系统、车轮扭矩调节的介入。”
博世工程车辆动力学控制首席专家拉尔斯・柯尼希认为,扭矩矢量控制是调控车辆横向动力学适配性最强的方案:“对比后轮转向、线控转向等系统,扭矩矢量控制综合性能最优。如果前后轴均配备高功率扭矩矢量机构,几乎可以实现所有横向动力学优化;唯一短板是难以缩小车辆转弯半径。”
霍米拉米拉整车动力学总工程师理查德・希尔则提出,技术选型不能只看性能上限,还要平衡重量、成本等因素:“部分工况下,半主动减震、后轮转向的优化效果更突出,但扭矩矢量控制可实现的功能覆盖极广;而纯电车型原生配备双电机电轴时,扭矩矢量控制几乎无需额外硬件成本,仅需配套开发控制算法即可。”
阿尔派全新电驱灵动操控技术
阿尔派纯电车型 A390 采用独特三电机架构:单电机驱动前轴,后桥搭载两台独立电机分别驱动左右后轮。这套四驱架构下,后桥双电机可独立调控,阿尔派动力学团队据此开发主动扭矩矢量系统,官方称其性能超越机械式限滑差速器,后轮扭矩调控精度、响应速度大幅提升。
阿尔派控制系统工程师康斯坦丝・勒罗 - 雷泽尔主导团队耗时五年完成该系统开发与精细标定,她介绍:“阿尔派主动扭矩矢量控制是传统限滑差速器的升级方案,该专利技术可在后轮之间 0~100% 无级分配扭矩,同步提升 A390 的行驶安全性与动态操控表现。”
阿尔派主动扭矩矢量控制可根据转向角度、车速动态调节左右后轮扭矩差值,消除左右车轮滑移率差异,优化过弯性能。“这套系统能彻底消除推头(转向不足)、甩尾(转向过度)现象。驾驶时,车辆尺寸、重量带来的惯性感会完全消失。” 勒罗 - 雷泽尔说道。
整车 800 牛・米的总扭矩由三套协同系统统筹管理:
1. 阿尔派扭矩预控制系统:负责牵引力控制;
2. 电动四驱系统:前后轴扭矩分配,平衡过弯车身姿态;
3. 阿尔派主动扭矩矢量系统:左右后轮扭矩分配。
A390 提供五种驾驶模式,驾驶员可自定义调校参数。系统会根据转向角度、车速,动态调整左右后轮扭矩分配,分别侧重车辆灵活性、过弯性能或高速稳定性。勒罗 - 雷泽尔补充:“依托主动扭矩矢量控制,A390 拥有和燃油跑车 A110 同等灵活轻快的操控;这套系统效率极高,即便拥有强悍动力,A390 依然十分容易驾驭。”
图3 A390 搭载阿尔派主动扭矩矢量系统
图4 博世扭矩矢量概念车型。
博世工程师柯尼希并不畏惧多系统带来的复杂度:“执行机构越多,整车操控上限越高。”
霍米拉米拉曾与中国电池企业宁德时代联合开发纯电滑板底盘,项目充分体现扭矩矢量控制的强大潜力:该底盘搭载扭矩矢量与多套主动底盘系统,可复刻欧洲经典性能车型的动态驾驶特质。希尔介绍:“整套开发工作依托驾驶员在环仿真平台完成。我们在不更换任何硬件的前提下,成功复刻出多款不同品牌独有的驾驶质感。调校品牌专属操控基因,不能只依靠响应速度、增益参数等量化指标;我们虽拥有各系统性能、整车响应的客观标定标准,但最终评判核心永远是驾驶员的主观体感。”希尔还提出一个有趣的发现:主观驾驶感受并不总能和实测数据匹配。“物理规律无法违背,但我们可以改变驾驶员对车身动态的感知。举个例子,我们对标过一台实测侧倾刚度正常(3 度 /g 以上)的车型,驾驶体感却几乎无侧倾。拆解后发现该车配备连续可变阻尼减震器,侧倾速度极低,驾驶员只会感受到车身小幅侧倾后立刻稳定,实际车辆仍在持续缓慢侧倾。”
系统复杂度提升带来的挑战
希尔坦言,多套控制功能叠加会大幅增加标定难度:“不同系统针对同一目标的优化效率各不相同,功能重叠现象严重。正因如此,不少整车厂开始缩减车载主动底盘系统数量 —— 如何让多套系统协同工作、避免功能互相抵消,是当前最大技术难题。”
但博世的柯尼希十分乐于接受这套复杂架构:“整车动力学执行机构多多益善。当然控制器设计复杂度会同步提升,我们需要投入更多研发精力、数学算法,但最终整车操控上限会显著提高。”
整车运动控制器(VMC)的核心职责,就是统筹协调所有底盘执行机构。蔚来工程师施普伦格尔表示,现阶段执行器均按照适配普通驾驶员的预设目标标定,但未来技术路线或将改变:“整车运动控制器结合人工智能算法,有望彻底革新车辆动力学控制。AI 方案可针对驾驶员个人驾驶习惯自主优化,规避驾驶失误,拓宽操控极限,同时保持驾驶行为可控可预判。”
柯尼希同样强调扭矩矢量控制的适配灵活性:“扭矩矢量控制底层硬件技术已高度成熟,硬件层面不会出现颠覆性革新;未来研发重点在于针对不同场景定制化调校。”
行业目前已普遍采用车速关联标定逻辑:低速调校偏向灵动轻快,高速调校侧重平稳安定。柯尼希认为还能进一步拓展适配维度:未来系统可根据天气、轮胎规格、GPS 路况地图智能优化扭矩分配,甚至支持语音交互调节。
“我们路试时,常让副驾工程师实时调整扭矩矢量参数。目前正在研发语音自适应控制系统,驾驶员可直接语音指令,例如‘这个弯道推头太明显’或‘车尾甩动幅度过大’,系统自动优化扭矩分配。” 柯尼希介绍。
全面电动化推动扭矩矢量普及
电驱动架构是扭矩矢量控制大规模落地的核心推手。即便是单电机车型,电机扭矩响应也比内燃机更稳定,可平衡制动型扭矩矢量带来的额外行驶阻力;双电机架构则无需制动介入即可实现扭矩分配,控制精度进一步提升,希尔对此作出解读。
“四轮轮毂电机是理论最优架构,彻底消除传动系统的弹性形变与转动惯量,” 希尔表示,“想要极致精准地独立控制单轮动态,必须依靠轮毂电机,其响应频率远超传统方案。”
行业传统观点认为,轮毂电机会增加非簧载质量,恶化操控;但希尔认为,车轮直接扭矩控制带来的收益终将抵消这项弊端。
柯尼希同样看好多电机架构的潜力,但也指出其固有局限:“激烈过弯时内侧车轮载荷大幅降低,轮毂电机无法完全释放功率;而单电机搭配主动差速器的方案,可依托外侧高载荷车轮承载全部动力输出。”
已有车企研发轮毂电机配合主动差速器的复合方案,融合两套技术优势,现阶段主要搭载于强越野能力 SUV,未来也有望下放至性能跑车。
但并非所有厂商都看好轮毂电机路线。吉凯恩工程师阿尔滕拉特承认,轮毂电机在车内空间优化等特定场景具备优势,但并不看好其大规模普及。“四电机架构研发难度极高,除成本、重量劣势外,多台电机输出一致性偏差会影响整车稳定性,配套控制、安全系统开发工作量大幅增加。” 阿尔滕拉特解释道,“上述短板决定,四电机方案大概率仅搭载于顶级性能车型。现阶段双电机搭配扭矩管理系统的方案,性能表现接近四电机,成本更低、工程落地难度更小,足以满足绝大多数用户需求。”
归根结底,扭矩矢量控制的最优方案取决于成本、传动架构、车型定位等多重因素,不存在统一标准答案。但可以确定的是,各类形式的扭矩矢量控制技术,将在未来车辆动力学体系中占据愈发核心的地位。
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