基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車技術(shù)探討

（浙江巨磁智能技術(shù)有限公司）

MAGTRON

摘要：隨著節(jié)能減排的有關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車逐漸向新能源汽車過(guò)渡。后者在機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)上明顯比前者相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)將電機(jī)與電池進(jìn)行系統(tǒng)整合來(lái)替換傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)了。然而還有一個(gè)最大的問(wèn)題困擾著電動(dòng)汽車開發(fā)人員，除了變速箱結(jié)構(gòu)得到了相應(yīng)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)系統(tǒng)還是非常復(fù)雜。目前，輪轂電機(jī)技術(shù)如果能夠完全推廣，將能取代汽車現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)。

一、應(yīng)用背景

眾所周知，電池、電機(jī)、電控是新能源汽車必備的三大核心部件。當(dāng)前的新能源汽車，均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能為汽車提供動(dòng)力，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)也是新能源汽車的核心技術(shù)之一。

圖 1 新能源汽車主要系統(tǒng)架構(gòu)

目前，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)汽車動(dòng)力的主要驅(qū)動(dòng)形式。雖然其優(yōu)點(diǎn)很明顯，即傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的布置相對(duì)簡(jiǎn)單，但是也存在著一些問(wèn)題。由于通過(guò)這類電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新能源汽車存在變速器、離合器、傳動(dòng)軸等機(jī)械傳動(dòng)部件，使得底盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，隨之帶來(lái)的影響就是乘坐空間十分狹小，而且傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械部件傳遞動(dòng)力的同時(shí)會(huì)造成能量的損耗，造成能量利用率低下。

另外，這種傳動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，乘坐人員的舒適性并不能得到保證。國(guó)外的專家學(xué)者早年就開展了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)研究，從而優(yōu)化了新能源汽車底盤中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊度、能量利用效率等問(wèn)題；而國(guó)內(nèi)相關(guān)院校和單位針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究尚淺。目前，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在部分新能源汽車上應(yīng)用并取得了較好的進(jìn)展。

二、輪轂電機(jī)的概念

輪轂電機(jī)技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)元年，當(dāng)時(shí)的費(fèi)迪南德·保時(shí)捷在還沒(méi)創(chuàng)立PORSCHE汽車公司時(shí)就研制出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車。上世紀(jì)70年代，輪轂電機(jī)技術(shù)運(yùn)用在礦山運(yùn)輸車上取得不錯(cuò)的反響。另外，日本車企在關(guān)于乘用車輪轂電機(jī)技術(shù)方面的研究開展相對(duì)較早，基本占據(jù)領(lǐng)先地位。豐田和通用等國(guó)際汽車巨頭也都對(duì)該技術(shù)有所涉足。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也逐漸誕生出研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù)的自主品牌廠商。

圖 2 歷史上的輪轂電機(jī)汽車

輪轂電機(jī)，通俗得講就是將金屬輪轂和驅(qū)動(dòng)裝置直接合并為整體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，換句話說(shuō)也就是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)制動(dòng)裝置都合并到輪轂中，俗稱“電動(dòng)輪”，也叫作輪式電機(jī)（wheel motor）。其內(nèi)部包含了軸承、定子和轉(zhuǎn)子、小型逆變器等。

圖 3 輪轂電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Protean Drive TM）

三、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

（1）減速驅(qū)動(dòng)

此驅(qū)動(dòng)方式采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，同時(shí)配置了固定傳動(dòng)比的減速器，功率密度相對(duì)較高，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到10k r /min。

優(yōu)點(diǎn): 具有較高的比功率和效率，體積小，質(zhì)量輕；減速結(jié)構(gòu)增矩后使得輸出轉(zhuǎn)矩更大，爬坡性能好; 能保證汽車在低速運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。

缺點(diǎn): 難以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命相對(duì)變短，不易散熱，噪聲比較大。

（2）直接驅(qū)動(dòng)

此驅(qū)動(dòng)方式采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在1.5K r /min左右，無(wú)減速結(jié)構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。

優(yōu)點(diǎn): 由于沒(méi)有減速機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，軸向尺寸也較前一種驅(qū)動(dòng)形式小，傳遞效率更高。

缺點(diǎn): 在起步、頂風(fēng)或爬坡等需要承載大扭矩的情況時(shí)需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機(jī)效率峰值區(qū)域小，負(fù)載電流超過(guò)一定值后效率下降很快。

四、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

（1）日本三菱

三菱公司（Mitsubishi）的MIEV技術(shù)始于2006年，并應(yīng)用于其 MIEV樣車上。目前該樣車已經(jīng)發(fā)展到了第三代。其中比較有代表性的是 Colt EV 及四驅(qū)跑車（LancerEvolution MIEV）。其中三菱的輪轂電機(jī)技術(shù)是日本東洋電機(jī)提供，該輪轂電機(jī)具有以下特點(diǎn)：逆變器采用 BOOST升壓方案，且為每臺(tái)電機(jī)由一臺(tái)逆變器控制；電機(jī)采用永磁同步電機(jī)與輪轂的一體方案，保留原有的制動(dòng)器及減震系統(tǒng)；東洋電機(jī)方案同樣具有冷卻的問(wèn)題，采用自然冷卻，且未批量推廣。

圖 4 系統(tǒng)示意圖

（2）法國(guó)米其林

Michelin公司開發(fā)了動(dòng)態(tài)減震輪轂電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)和車輪之間增加了一套減震裝置，從而提高了車輛的行駛平順性和主動(dòng)安全性。該公司最新公布的新一代輪轂電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化，而且減少了系統(tǒng)質(zhì)量；獨(dú)特構(gòu)造的懸掛裝置，電機(jī)的懸掛裝置是由直線狀導(dǎo)塊、螺旋彈簧、減震器、緩沖擋塊構(gòu)成，并位于車軸與電機(jī)之間，由直線導(dǎo)塊控制電機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)，螺旋彈簧則支承電機(jī)的重量，減震器用于減震；電機(jī)可靠性的提高，電機(jī)應(yīng)用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù)，使得輪轂電機(jī)在灰塵與雨水的特殊環(huán)境下具有更高的可靠性。

圖 5輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Siemens / Michelin）

(3) Protean-E

Protean-E 輪轂電機(jī)采用分布式電機(jī)方案，即一體化的電機(jī)中包括8個(gè)共用母線小型永磁電機(jī)，環(huán)形電容旋轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部，逆變器也同樣分為8 組模塊固定在輪轂上，Protean-E的電機(jī)系統(tǒng)散熱采用自然冷卻。

圖 6Protean-E電機(jī)裝配圖

（4）天津一汽

采用前艙集中驅(qū)動(dòng)和后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的混聯(lián)方案；外轉(zhuǎn)子安裝制動(dòng)器后外面連接輪輞；原有的前輪驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：采用避讓原則，空間小；標(biāo)稱7.5k W的輪轂電機(jī)（實(shí)際額定5kW），最高車速可達(dá)到90 公里，同時(shí)由于轉(zhuǎn)矩小，啟動(dòng)較慢。

五、電機(jī)控制原理

直流無(wú)刷控制的原理，控制器讀取霍爾信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，決定逆變橋橋臂的開關(guān)邏輯。方波控制實(shí)質(zhì)上是比較簡(jiǎn)單的六步換向操作，任意時(shí)刻都存在一相定子繞組處于正向?qū)ǎ聪嚯娏髡蛄鞒觯坏诙喽ㄗ永@組內(nèi)反相導(dǎo)通，即相電流反向流入；第三組不通電。電磁力矩來(lái)源于定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，若忽略磁阻轉(zhuǎn)矩（表貼式永磁同步電機(jī)），定子繞組產(chǎn)生的交軸磁場(chǎng)產(chǎn)生了全部的電磁力矩；相反，當(dāng)這定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)重合時(shí)，即定子的直軸磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鋼的相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為零。所以，需要不停的改變定子磁場(chǎng)的位置，來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鋼的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，控制定子磁場(chǎng)總是領(lǐng)先于轉(zhuǎn)子磁

場(chǎng)一定角度，從而形成了永磁體的磁場(chǎng)總是在追趕繞組合成磁場(chǎng)。控制器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所在的扇區(qū)，然后控制繞組產(chǎn)生指向下一個(gè)扇區(qū)的磁場(chǎng)，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周只需改變定子繞組六次即可。但是，由于輪轂電機(jī)的極對(duì)數(shù)通常不為，所以每完成一個(gè)通電周期意味著轉(zhuǎn)子僅僅是轉(zhuǎn)動(dòng)了電角度一圈，并未實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子機(jī)械角度一周，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械角度一周需要的換向周期數(shù)和極對(duì)數(shù)相同。

這種控制主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)讀取霍爾傳感器的位置信號(hào)，判斷轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做閉環(huán)控制，由于電壓與轉(zhuǎn)速成正比，控制輸出的相電壓即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。這種控制方法通過(guò)簡(jiǎn)單的六步換向改變電樞磁場(chǎng)，引領(lǐng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在任意時(shí)刻僅有兩相繞組導(dǎo)通。具體控制流程如圖：

圖 7 方波控制邏輯框圖

方波控制采用霍爾元件作為位置傳感器。3個(gè)霍爾分別安置在電角度為0°，120°和240°的位置，如圖8所示，將360°電角度分割成6個(gè)扇區(qū)。控制器檢測(cè)轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，控制電樞磁場(chǎng)指引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向下一個(gè)扇區(qū)。

圖 8 扇區(qū)示意圖

六、電機(jī)驅(qū)動(dòng)漏電現(xiàn)象

原因大致有以下幾類：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)漏電現(xiàn)象

主要

分類

繞組受潮使絕緣電阻下降

電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行

金屬異物侵入繞組內(nèi)部損壞絕緣

重繞定子繞組時(shí)絕緣損壞碰鐵心

繞組端部碰端蓋機(jī)座

定、轉(zhuǎn)子磨擦引起絕緣灼傷

引出線絕緣損壞與殼體相碰

有害氣體腐蝕

圖9 電機(jī)的漏電現(xiàn)象

七、電流檢測(cè)方案

目前來(lái)說(shuō)，運(yùn)用霍爾傳感器（Hall Current Sensor）或電流互感器（Current transformer）對(duì)功率變換器上直流母線電流進(jìn)行反饋檢測(cè)的方式具備多方面的局限性。因?yàn)橥ㄟ^(guò)主開關(guān)器件的電流普遍相對(duì)較大 ,所采用的霍爾器件或電流互感器的額定參數(shù)也必須較大，此時(shí)方案體積大、成本高。 另外，其不便于實(shí)現(xiàn)功率變換器的高功率密度 。

本文介紹一種新穎的方案——基于半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電流檢測(cè)電路 ,其可以直接在功率變換器的控制PCB板上布置電路, 不僅成本低廉 ,體積小,安裝方便 ,而且性能良好, 還可以同功率變換器固化在一起形成專用集成電路(ASIC)。

圖 10 基于MOSFET的電流檢測(cè)電路

電路工作原理 (如圖10所示)：

下橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為。

（1）當(dāng) 為時(shí), 下橋 MOSFET管的為關(guān)閉狀態(tài) ,右端信號(hào)點(diǎn)為二極管的管壓降, 此時(shí) ，的正向輸入端為, 負(fù)向輸入端電壓為，此時(shí)輸出為低電平 ,輸出也為低電平 ,是集電極開路輸出方式, 同樣存在導(dǎo)通壓降的問(wèn)題 , 故將信號(hào)減去信號(hào), 消除因?qū)▔航狄鸬臋z測(cè)誤差，起到消除輸入誤差的作用。

（2）當(dāng)為時(shí), 下橋 管為導(dǎo)通狀態(tài) , 右端點(diǎn)信號(hào)為 , 此時(shí),的正向輸入端為, 負(fù)向輸入端電壓為, 輸出為高阻態(tài) ,的電壓為 內(nèi)阻上的壓降加上快恢復(fù)二極管的壓降 , 同時(shí),輸出也同樣為高阻態(tài) ,的電壓為二極管的壓降。通過(guò)運(yùn)放組成的減法電路將信號(hào)減去信號(hào), 可得到內(nèi)阻上的壓降。

圖 11 各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形圖

開關(guān)管管壓降和電流檢測(cè)電路相關(guān)點(diǎn)的波形分析如圖 3所示。采用兩兩導(dǎo)通方式中, 在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài) ,總有一個(gè)下橋臂處于工作狀態(tài) ,故 3個(gè)下橋臂的導(dǎo)通壓降之和約等于電機(jī)繞組的平均電流。

和是導(dǎo)通時(shí)刻 , 是關(guān)斷時(shí)刻 ,是導(dǎo)通時(shí)的管壓降, 為導(dǎo)通壓降 。在該檢測(cè)電路中,起到是過(guò)流保護(hù)的功能 , 當(dāng)?shù)碾妷捍笥跁r(shí) , 的輸出為低電平（過(guò)流信號(hào)）。