电动汽车动力传动系统扭矩与角度如何实现高精度实时监测？【汽车电子】

1. 电动动力传动系统的结构需求与技术要求

电动动力传动系统，最简单的形式包括电动机、功率逆变器和变速器（虽然一些电动车采用直接驱动）。其核心功能是将电能转化为机械旋转运动，以驱动车辆轮子。

扭矩测量的关键机械组件是连接电动机与传动系统的旋转轴。该轴在运行过程中承受着显著的扭矩，特别是在加速、减速和稳定巡航时。

在此背景下，扭矩测量的技术要求颇具挑战性：

• 高扭矩负载：电动机，特别是高性能车辆中，能够产生巨大的扭矩，需配备具备适当测量范围和超载能力的传感器。

• 动态操作：动力传动系统处理扭矩、速度及方向的迅速变化，传感器必须具备高动态响应能力，准确捕捉这些瞬态事件。

• 高转速：电动机可以在非常高的转速下运行，扭矩测量系统需在确保准确性的前提下稳定可靠地工作。

• 精确角度分析：除了了解扭矩的“数量”外，理解它在旋转过程中的变化同样至关重要。这涉及扭矩波动、刚度及摩擦特性的分析，尤其是在非常小的角度增量下，这对于理解静摩擦现象、齿轮啮合及在电动助力转向或自适应扭矩分配系统中精确控制扭矩应用极为重要。

• 环境耐受性：动力传动系统部件在严苛环境下工作，温度变化、震动及潜在的液体接触都要求传感器具备良好的耐用性和环境密封性。

• 集成性：扭矩测量系统必须与车辆控制系统（ECU）无缝集成，实现实时监控、诊断，及潜在的闭环控制。

2. 电动动力传动系统中的监测参数

在扭矩测量和角度分析中，需监测多个关键参数。理解这些参数有助于选择合适的传感器及解释数据：

• 扭矩：这是主要测量参数，表示施加在轴上的旋转力，单位通常为牛·米（N·m）。

• 定义：扭矩为力与从旋转轴到施加力的作用线之间的垂直距离的乘积。

• 评估方法：通过检测扭矩所引起的变形或磁场变化来测量。

• 角位置/角度：指旋转轴的精确定位，通常以度（°）为单位。

• 定义：角度描述旋转轴相对于固定参考点的旋转位置。

• 评估方法：通常由旋转编码器测定，当轴旋转时，编码器生成脉冲，脉冲数量对应特定的角增量。

• 转速（RPM）：这是轴旋转的速率。

• 定义：每分钟转速（RPM）指在一分钟内完成的完整旋转次数。

• 评估方法：通过在给定时间间隔内计算来自角位置的数据脉冲数量。

• 功率：这是做功的速率，与扭矩和速度密切相关。

• 定义：功率（P）= 扭矩（τ）× 角速度（ω），角速度（ω）通常从RPM转换为每秒弧度。

• 评估方法：基于同时测量的扭矩和转速数据进行计算。

• 准确性：这量化了测量值与真实值的接近程度，对于扭矩传感器而言，通常包括非线性和滞后。

• 定义：传感器的最大允许误差，往往以满量程偏差的百分比表示。

• 评估方法：通过与已知标准比较，进行严格的标定程序来确定。

• 分辨率：此参数指传感器能够检测或输出的最小变化。

• 定义：对于角度测量，分辨率是编码器所能分辨的最小角增量；对于扭矩，这是传感器能可靠报告的最小扭矩增量。

• 评估方法：由编码器的每转脉冲数（PPR）定义。

• 超载能力：这指传感器能够承受而不造成永久损坏或性能下降的最大扭矩。

• 定义：传感器能够承受的扭矩的百分比，超出此量程后其准确性将受到影响。

• 评估方法：通过在测试中施加经过校准的超载进行评估。

3. 实时监测/检测技术

为实现高精度扭矩测量和高分辨率角度分析，业内应用多种先进技术。这些技术通过不同的物理原理来检测和传输测量数据。

3.1. 带无线射频传输的电阻应变测量

• 工作原理：这是许多高性能扭矩传感器的基础方法，依赖于电阻应变片的基本原理。电阻应变片是粘附在材料表面（本例中为旋转轴）上的薄膜，当施加扭矩时，轴发生变形。变形使应变片的电阻发生改变，采用惠斯登电桥电路将这些微小的电阻变化放大为与施加的扭矩成正比的可测电压信号。为了实现高分辨率的角度分析，集成了增量式旋转编码器。该编码器由带有精确蚀刻图案的圆盘组成，当其随轴旋转时，打断光束或磁场，生成数字脉冲。图案的密度（每转脉冲数 - PPR）决定了角度分辨率。

• 物理基础：应变片的电阻变化（ΔR）与施加的应变（ε）通过增益因子（GF）有关：ΔR/R = GF * ε。应变与轴上的扭转应力直接相关，进而与施加的扭矩成正比。编码器的工作基于精准的角度划分对光或磁信号的感应。

• 主要性能参数（典型范围）：

• 扭矩准确性：±0.05%至±0.1% FSD。

• 角度分辨率：高达0.009°（相应的每转脉冲数可达10,000或更多），显著优于常规的速度传感器。

• 采样率：扭矩数据可高达4000 samples/s，支持可配置的带宽。

• 最大转速：可达到9000 RPM或更高，具体依轴的设计而定。

• 超载能力：通常为400% FSD，提供卓越保护。

• 优点：

• 高准确性和分辨率：实现极为精确的扭矩测量和极细的角度分辨率，能够细致分析扭矩-角度曲线。

• 非接触信号传输：现代实现使用2.4GHz无线传输，消除导致磨损、噪声和维护问题的滑环，类似无线麦克风取代有线麦克风，提升灵活性并减少干扰。

• 本地数字化：转子侧的微控制器预处理信号，减少模拟传输噪声，提高信号完整性，这类似于在发送数据之前进行初步数字化的辅助处理器。

• 坚固性：高机械过载能力可避免因意外损坏而导致失效。

• 缺点：

• 成本：由于集成了编码器和先进的无线电子元件，通常价格较高。

• 电源需求：需要专用电源为转子电子元件提供电力，尽管许多设计为低功耗或可由电池操作。

• 适用场景：适合于需要详细分析材料特性、紧固件紧固过程、离合器接合或对扭矩和角度关系有严格要求的应用。

3.2. 激光多普勒扭矩测量（非接触）

• 工作原理：该方法使用激光光的多普勒效应，通过不与旋转轴接触来测量扭矩和速度。将激光束指向旋转轴的表面，旋转轴表面尽管看似光滑，但存在微小的不规则性。随着轴的旋转，这些不规则性使得反射的激光光体验到多普勒频移。针对扭矩测量，这一原理通常与扭转振动或由扭矩引起的轴变形分析相结合。通过精确测量多普勒频移及可能分析多束干涉图案，或对引发振动的响应进行分析，可以确定转速和扭矩。

• 物理基础：多普勒效应表明，如果波（如光）的源或观察者相对波的运动发生运动，则波的频率发生变化。频率变化的幅度与运动物体的速度成正比。对于扭矩，轴的旋转变形会形成特定的应变模式，进而影响激光光与表面的相互作用。

• 主要性能参数（典型范围）：

• 扭矩准确性：±0.1% FSD。

• 角度分辨率：虽然不是核心测量的主要输出，但高速数据采集可以解析非常细微的角度增量，从而有效实现高分辨率的角度分析。

• 采样率/带宽：可以非常高，达到10 kHz或更高，允许详细动态分析。

• 最大转速：一般非常高，轻松超过10,000 RPM，更多受激光光学和检测能力的限制。

• 超载能力：不直接适用，但被测轴必须设计为能承受自身的工作扭矩。

• 优点：

• 真正的非接触测量：没有物理连接，意味着没有磨损、没有摩擦、并且不会影响旋转系统，这就像在房间里测量而不触碰物体。

• 高动态响应：能够极好地捕捉快速扭矩变化。

• 无机械限制：可以在极高转速及传统传感器可能失效的环境中使用。

• 适合大规模生产：可以集成到自动化生产线测试站中。

• 缺点：

• 表面敏感性：需要旋转轴表面具备合适的纹理、标记或反射特性，光滑或脏污的表面会可能造成挑战。

• 环境耐受性：光学路径需要保持清晰，以避免碎屑、烟雾或极端温差对激光束的干扰。

• 成本：通常为高端解决方案，需要显著的初始投资。

• 适用场景：适合于生产环境中的在线测试、高速电动机测试及任何无法接触或不希望接触机械耦合的应用。

3.3. 基于磁场的扭矩测量（例如：使用霍尔效应或磁电阻）

• 工作原理：这些技术依赖于测量由扭矩引起的磁场变化。

• 霍尔效应：在轴上施加磁场或整合一个磁体。当施加扭矩时，轴发生变形，改变磁体与霍尔效应传感器之间的气隙，或改变磁通路径。霍尔传感器检测这种磁场强度的变化，与施加的扭矩成正比。

• 磁电阻（AMR, GMR, TMR）：这些传感器利用其电阻在磁场影响下显著变化的材料。与霍尔效应的方法类似，扭矩产生的变形会影响磁电阻元件感应到的磁场，产生可测的电阻变化。

• 角度感应：对于角度分析，这些系统通常需集成独立编码器，或磁场图案自身被设计为编码角度信息。

• 物理基础：霍尔效应表明，当载流导体置于磁场中时，会在导体的电流和磁场之间产生电压差（霍尔电压）。磁电阻效应描述某些材料的电阻如何在外部磁场变化时发生变化。

• 主要性能参数（典型范围）：

• 扭矩准确性：±0.1%至±0.5% FSD。

• 角度分辨率：通常依赖于独立编码器，达到~1°或更细的水平（如0.01°）。

• 采样率：可从几百到几千samples/s不等。

• 最大转速：可非常高，有些系统可超过20,000 RPM，具体取决于传感器与磁体的集成情况。

• 超载能力：主要基于轴的机械设计及任何集成的磁组件。

• 优点：

• 非接触测量：消除了与滑环相关的磨损和摩擦问题。

• 紧凑集成设计：通常可以设计成非常小且集成的包，适合OEM应用。

• 潜在较低成本：尤其是霍尔效应传感器，对大规模应用而言相对经济。

• 缺点：

• 对外部磁场的敏感性：可能受到工作环境中杂散磁场的影响。

• 准确性限制：通常情况下，达到的准确性可能低于高端电阻应变材料系统，尤其是在要求极高的应用中。

• 角度感应依赖性：通常需要一款补充编码器来获取高分辨率的角度数据。

• 适用场景：适合于一般用途的扭矩监测、电动助力转向系统、以及电动机控制等对性价比和集成化要求较高的应用。

3.4. 压电扭矩测量

• 工作原理：压电扭矩传感器使用压电效应，即当某些晶体材料受到机械应力时产生电荷。在压电扭矩传感器中，压电元件被战略性地放置以在扭转应力下变形。产生的电荷与施加的扭矩成正比。对于角度感应，通常需要外部编码器。

• 物理基础：压电效应描述了机械应力施加时的电极化生成。通常所产生的电荷与应力成正比。

• 主要性能参数（典型范围）：

• 扭矩准确性：可达±0.1%至±0.5% FSD。

• 动态响应：非常高，带宽通常超过1 kHz，使其适合动态事件的捕捉。

• 角度分辨率：依赖于外部编码器，类似于磁敏系统。

• 最大转速：一般较高，但在极高RPM下可能受到传感器结构完整性的限制。

• 超载能力：可能受限，过大超载会对压电元件造成永久性损坏。

• 优点：

• 极快的动态响应：适合捕捉非常快速的扭矩波动和冲击。

• 高灵敏度：能够检测微小的扭矩变化。

• 紧凑设计：压电元件体积小。

• 缺点：

• 温度敏感性：性能可能受到温度变化的显著影响。

• 对震动敏感：容易受到外部振动的影响。

• 需要信号处理：所产生的电荷需要专用电子电路（如电荷放大器）转换为可用的电压信号。

• 有限的超载能力：相比于电阻应变系统，更易受到过载损坏。

• 角度感应依赖性：需单独编码器进行角度分析。

• 适用场景：主要用于需要捕捉高达动态扭矩事件，如冲击测试、发动机敲击分析或特定动态材料测试。

3.5. 市场主流品牌/产品比较

在对知名品牌进行评估时，其产品线通常与上述技术相符。

德国贺德克是电阻应变技术领域的领先者，例如其T12系列在扭矩测量准确性（通常为±0.05% FSD）和广泛测量范围（常达到50 kNm）方面表现卓越。尽管T12主要集中于扭矩测量，贺德克还提供补充角传感器或集成扭矩-角度解决方案，其优势在于在电阻应变校准和信号处理方面的深厚经验，使其产品在工业和汽车测试中可靠性高。

美国斯科特以其压电及动态测量技术著称。其5205B压电扭矩传感器在捕捉瞬态扭矩事件方面表现卓越，动态响应频率超过1 kHz，测量范围从0.2 Nm到20 Nm。虽然主要用于动态扭矩，斯科特也提供高精度旋转编码器用于角度分析，其优势在于应对极快扭矩捕捉的应用。

英国真尚有提供无线射频（R.F.）非接触式应变片扭矩测量，并结合高精度角度编码器。核心技术参数: 精度可达±0.05% FSD，角度分辨率可达0.009，该系列产品高采样率便于捕捉快速动态信号。

德国迈克森专注于基于激光的非接触传感器。其LMG-300系列提供的扭矩测量准确率为±0.1% FSD及数据更新速率高达10 kHz。这项技术允许在无需物理介入旋转轴的情况下进行精确的在线监测，特别适合高频测试及不愿修改轴的应用。

美国伊顿提供丰富的解决方案，包括可能使用磁场传感（磁电阻）实现非接触扭矩测量。这些系统通常集成于汽车部件中，其优势在于在广泛的扭矩范围内与汽车电气架构的系统集成提供鲁棒解决方案。