电动汽车的轮毂马达及驱动电子设备

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2021-06-16
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本文将介绍轮毂马达的发展状况,并讨论驱动电子设备等一些设计集成问题。
轮毂马达已经开始在电动汽车(EV)中得到应用,这项技术的采用可去除差速器(differential)和传动轴(driveshaft)等装置,能够使电动汽车显著地节省空间。但是,该方法也带来了一些技术挑战,例如增加了簧下重量(unsprung weight)。本文将介绍轮毂马达的发展状况,并讨论驱动电子设备等一些设计集成问题。 

轮毂马达:电动汽车传动系统的创新方法

汽车技术发展历来就是一个保守但却不断演化的过程,即使在电动汽车发生了深刻技术变化的背景下,设计人员也会“尽量使其安全”,希望使电动汽车的总体布局、形状和感觉尽可能与传统内燃机(ICE)动力汽车相似。由于采用了这种方式,到目前为止,电动汽车的设计趋向于用单个马达代替汽油或柴油发动机,并结合传统的驱动轴、差速器齿轮箱以及前轮驱动、等速万向节(constant velocity joint)来进行布置。具有多个马达的设计确实存在,但是这些马达通常仍固定在车辆底盘内,并通过机械连接与车轮相连。


在 19 世纪末,费迪南德·保时捷(Ferdinand Porsche)构想了一个很好的主意。他以“洛纳 - 保时捷(Lohner-Porsche)电动汽车”为原型(图 1)开发了一种“无马马车”,该车辆在每个轮毂中央都嵌入了一个由电池供电的马达,然后由车载汽油发动机充电。马达的控制是基本要求,但却消除了传统动力总成和 ICE 变速箱的功率损耗。当时的设计因其转向非常沉重,动力很低,而重量却高达一吨半,续航能力很差。因此,该汽车因其性能怪异而在历史上销声匿迹。

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图 1:采用中央轮毂马达驱动的 Lohner-Porsche 电动汽车

然而,轮毂马达的概念现在又重新出现,特别是这种技术曾经用在 1970 年代初的月球漫游车(LRV)中,最近在公路行驶的车辆等实际应用中也得到采纳。轮毂马达有时被称为“主动轮”技术,米其林(Michelin)在 2000 年代后期[1]是该技术的先驱,直到现在这种技术仍在得到持续不断的开发,日产(Nissan)的“ BladeGlider” [2]等概念演示表明,这种技术是现实可行的方案。


轮毂马达的优势

与单个安装在底盘上的马达相比,多达四个轮毂马达似乎更为复杂,但是从全系统范围看,这种布局却具有真正的优势:直接驱动车轮可以消除从集中式马达到动力传动系统的能量损耗,无需机械差速器,并且可减轻系统总重量。一家从事轮毂驱动系统开发的公司声称,根据电池的大小和行驶周期的不同,直接驱动车轮导致的总体重量减轻和节能效果可使续航里程提高 30%以上[3]。轮毂马达可以非常紧凑,并且连同驱动轴和差速器一同拆卸,从而可以扩大驾驶室空间,而且布局更加灵活。如果其中还集成有驱动电子设备,则可以简化布线,仅需一条电源线和回程线,而如果将牵引驱动逆变器安装在底盘上,则至少需要三根电源电缆连接至每个马达。将变频驱动器保持在轮毂马达内还可以减少来自电缆的电磁辐射。


轮毂马达的一个主要优点是可以改善驾驶的动态性能和安全性。在常规内燃机中,需要使用复杂的机械装置提供防抱死制动和牵引控制,以避免车轮在不良路面和转弯时打滑。差速器还允许车轮转弯时以不同的速度旋转,以减少轮胎磨损并改善操纵性能,有的还包括一些高级配置,例如用于越野的“限滑”等等。这些系统可能非常复杂,需要电子设备来感应车轮速度和实际扭矩,但最终,唯一可用的控制是增加或降低整个发动机的功率,或对某个车轮进行制动。


对于单个固定马达,尽管存在使马达反转利用其转矩实现整体制动效果等与 ICE 不同之处,但也必须保留一些复杂的机械和电气设计。而轮毂马达则可以分别控制扭矩,目标车轮速度和制动,并对每个车轮上的传感器和驾驶员输入做出反应。所谓“扭矩矢量控制”可以分别针对每个车轮施加动力,以实现最佳操纵和安全效果(见图 2)。虽然轮毂马达可以将能量转换为电池电量,并通过反转其扭矩来达到制动效果,但仍然需要液压 / 摩擦制动,以避免在强烈制动时使马达驱动器过载。

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图 2:轮毂马达可以简单地实现转矩矢量化

但是,轮毂马达也存在缺点,这其中需要多个马达,每个马达都有自己的电子驱动器,总成本要高于同等功率输出的单个马达。但是可以断定,轮毂马达的节能效果最终将抵消上述成本,而其在安全性和性能方面也有优势,额外的驾驶室空间和续航里程改进也具有非常高的价值。


但仍有一些实际问题。轮毂马达现在已成为车辆“簧下重量”的一部分,也就是说,它们属于不为悬架系统支撑的部件。这无疑会影响操作,但测试表明,在受一定重量限制的正常驾驶中,这种影响不会造成破坏。与被封闭在底盘内部,并由线圈悬架和减震器缓冲的单个马达相比,轮毂马达、电子驱动设备和机械组件也处于更恶劣的工作环境。


严酷的环境

车辆中的簧下零部件都处在最严酷的工作环境,它们会受到由道路引起的震动和冲击,容易被道路碎屑影响,并可能暴露于道路处理过程中产生的水和盐分等腐蚀性液体。相邻的摩擦制动器会生热,轮毂马达及其驱动电子装置即便能效很高,也会产生很多热量。为了保持较长的使用寿命和可靠运行,轮毂马达及其组件必须非常坚固可靠,任何失效导致的锁死甚至突然失去动力都可能是致命的。当然,它们需要满足汽车质量标准 ISO 26262,对于功能安全和系统,必须达到汽车安全完整性等级(ASIL)D 的最高级别。各个组件需进行适当的认证,来自合格汽车电子供应商的被动和主动元件需要通过 AEC-Qxx 认证,而设计和制造则必须满足生产部件批准程序(PPAP)层面的 ISO/TS 16949 质量标准。


驱动电子设备

尽管技术进步实现了马达的小型化,但在轮毂中嵌入马达时,驱动电子设备总是成为尺寸和重量方面的考虑因素。其中所用的牵引马达大多为永磁同步马达(PMSM),需要在脉冲宽度调制(PWM)控制下通过半导体开关的“桥式”布局实现三相变频驱动。电桥在高频下开关,其输出有效幅度由脉冲宽度设置,以满足转矩的需求(见图 3)。

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图 3:使用 MOSFET 的电动汽车马达驱动

电动汽车同样也遵循通常的保守方法,到目前为止,其设计主要使用 IGBT 作为开关,该技术于 1960 年代开始出现,尽管经过多年改进,但由于器件开关时的更高频率意味着每秒更多的瞬态(transitions),从而导致更多的损耗,由此产生的损耗限制了达到合理效率所需的桥 PWM 时钟速度。出于这个原因,特别是在大功率的情况下,马达驱动器通常以低于 10kHz 的频率开关,从而导致相对较高的纹波电压和电流,不利于马达的控制响应,此外也产生了难以滤除的差动和共模干扰电流。可达到的有限效率还反映出轮毂马达驱动器必须使用较大散热器,导致随之而来的系统过重,体积过大。


为了在马达控制和 EMI 方面实现更好效果的同时,实现更快的开关速度,同时提高效率,并减小系统的体积和重量,轮毂马达正在采用一些全新的半导体开关技术。碳化硅(SiC)MOSFET 作为一种宽带隙器件,是满足上述要求的典型选择方案,这种技术传导损耗低,工作温度高,器件能够以极低的损耗非常快速地开关,从而使 PWM 频率可达到数十 kHz。SiC 器件能够以 MHz 的速率进行开关,与一般电源应用中变压器尺寸会大大减小的情况不同,在马达控制中,这没有任何实际的意义。马达控制桥电路的一个特点是会发生“换向”,即在开关“死区”期间和再生(regeneration,)期间,电流沿与正常方向相反方向流动,因此,为此,必须在 IGBT 中增加一个快速并联的二极管。但是,对于 SiC MOSFET,有一个内置的“体”二极管可以执行该功能,尽管有些情况下为了获得最高效率,可以通过一个外部二极管将其旁路。SiC MOSFET 具有适当的电压和电流额定值,可提供所需的最高电池电压和轮毂功率水平,目前一般约为 80kW。对于单个安装在底盘上的马达,电子驱动器必须提供全部车辆功率,可能高达数百千瓦,因此在 IGBT 和 SiC MOSFET 之间进行选择并不是一件容易的事,IGBT 通常可提供最高额定电流。


总结

电动汽车中的轮毂马达技术具有深厚的历史渊源,并且随着马达和驱动技术进步,它们已成为替代底盘安装马达的可行方案,同时在燃油经济性、续航里程和驾驶体验等方面都具有优势。随着汽车逐步走向自动驾驶,轮毂马达技术能够帮助节省驾驶室空间,从而使汽车更多地成为“工作间”,人们可以更自由自在地在其中工作和放松。


参考文献

[1]https://www.greencarcongress.com/2008/12/michelin-to-com.html

[2]https://www.nissan-global.com/EN/ZEROEMISSION/HISTORY/BLADEGLIDER/

[3]https://www.proteanelectric.com/


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