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。

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

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。

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

驱动电子设备

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

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/