輪轂電機技術(shù)如果能夠完全推廣 將能取代汽車現(xiàn)有傳動系統(tǒng)

隨著節(jié)能減排的有關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，傳統(tǒng)動力汽車逐漸向新能源汽車過渡。后者在機械與電氣結(jié)構(gòu)上明顯比前者相對簡單。通過將電機與電池進(jìn)行系統(tǒng)整合來替換傳統(tǒng)的發(fā)動機了。然而還有一個最大的問題困擾著電動汽車開發(fā)人員，除了變速箱結(jié)構(gòu)得到了相應(yīng)簡化，傳動系統(tǒng)還是非常復(fù)雜。目前，輪轂電機技術(shù)如果能夠完全推廣，將能取代汽車現(xiàn)有傳動系統(tǒng)。

一、應(yīng)用背景

眾所周知，電池、電機、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，均采用電機驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機械能為汽車提供動力，因此驅(qū)動電機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，集中電機驅(qū)動是電動汽車動力的主要驅(qū)動形式。雖然其優(yōu)點很明顯，即傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的布置相對簡單，但是也存在著一些問題。由于通過這類電機驅(qū)動的新能源汽車存在變速器、離合器、傳動軸等機械傳動部件，使得底盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，隨之帶來的影響就是乘坐空間十分狹小，而且傳動系統(tǒng)通過機械部件傳遞動力的同時會造成能量的損耗，造成能量利用率低下。

另外，這種傳動系統(tǒng)在新能源汽車行駛過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，乘坐人員的舒適性并不能得到保證。國外的專家學(xué)者早年就開展了輪轂電機驅(qū)動的技術(shù)研究，從而優(yōu)化了新能源汽車底盤中電機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)緊湊度、能量利用效率等問題；而國內(nèi)相關(guān)院校和單位針對輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究尚淺。目前，輪轂電機驅(qū)動技術(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、輪轂電機的概念

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

圖 2 歷史上的輪轂電機汽車

輪轂電機，通俗得講就是將金屬輪轂和驅(qū)動裝置直接合并為整體的驅(qū)動電機，換句話說也就是將驅(qū)動電機與傳動制動裝置都合并到輪轂中，俗稱“電動輪”，也叫作輪式電機（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 輪轂電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Protean Drive TM）

三、輪轂電機驅(qū)動方式

（1）減速驅(qū)動

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

優(yōu)點： 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行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。

缺點： 難以實現(xiàn)潤滑，行星齒輪減速結(jié)構(gòu)的齒輪磨損較快，使用壽命相對變短，不易散熱，噪聲比較大。

（2）直接驅(qū)動

此驅(qū)動方式采用低速外轉(zhuǎn)子電機，電機的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機械連接，電機的轉(zhuǎn)速一般在1．5K r ／min左右，無減速結(jié)構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速一致。

優(yōu)點： 由于沒有減速機構(gòu)，使得整個驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，軸向尺寸也較前一種驅(qū)動形式小，傳遞效率更高。

缺點： 在起步、頂風(fēng)或爬坡等需要承載大扭矩的情況時需要大電流，很容易損壞電池和永磁體，電機效率峰值區(qū)域小，負(fù)載電流超過一定值后效率下降很快。

四、國內(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技術(shù)是日本東洋電機提供，該輪轂電機具有以下特點：逆變器采用 BOOST升壓方案，且為每臺電機由一臺逆變器控制；電機采用永磁同步電機與輪轂的一體方案，保留原有的制動器及減震系統(tǒng)；東洋電機方案同樣具有冷卻的問題，采用自然冷卻，且未批量推廣。

圖 4 系統(tǒng)示意圖

（2）法國米其林

Michelin公司開發(fā)了動態(tài)減震輪轂電機系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動機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安全性。該公司最新公布的新一代輪轂電機系統(tǒng)的特點如下：輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化，而且減少了系統(tǒng)質(zhì)量；獨特構(gòu)造的懸掛裝置，電機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，并位于車軸與電機之間，由直線導(dǎo)塊控制電機的上下運動，螺旋彈簧則支承電機的重量，減震器用于減震；電機可靠性的提高，電機應(yīng)用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù)，使得輪轂電機在灰塵與雨水的特殊環(huán)境下具有更高的可靠性。

圖 5輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)（Siemens ／ Michelin）

（3） Protean－E

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

圖 6 Protean－E電機裝配圖

（4）天津一汽

采用前艙集中驅(qū)動和后輪輪轂電機驅(qū)動的混聯(lián)方案；外轉(zhuǎn)子安裝制動器后外面連接輪輞；原有的前輪驅(qū)動問題：采用避讓原則，空間?。粯?biāo)稱7．5k W的輪轂電機（實際額定5kW），最高車速可達(dá)到90 公里，同時由于轉(zhuǎn)矩小，啟動較慢。

五、電機控制原理

直流無刷控制的原理，控制器讀取霍爾信號判斷電機轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，決定逆變橋橋臂的開關(guān)邏輯。方波控制實質(zhì)上是比較簡單的六步換向操作，任意時刻都存在一相定子繞組處于正向?qū)?，即相電流正向流出；第二相定子繞組內(nèi)反相導(dǎo)通，即相電流反向流入；第三組不通電。電磁力矩來源于定子繞組產(chǎn)生磁場吸引著轉(zhuǎn)子磁場不斷轉(zhuǎn)動，若忽略磁阻轉(zhuǎn)矩（表貼式永磁同步電機），定子繞組產(chǎn)生的交軸磁場產(chǎn)生了全部的電磁力矩；相反，當(dāng)這定轉(zhuǎn)子磁場重合時，即定子的直軸磁場對轉(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的位置，來驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁鋼的不斷轉(zhuǎn)動，控制定子磁場總是領(lǐng)先于轉(zhuǎn)子磁

場一定角度，從而形成了永磁體的磁場總是在追趕繞組合成磁場?？刂破鳈z測轉(zhuǎn)子磁場所在的扇區(qū)，然后控制繞組產(chǎn)生指向下一個扇區(qū)的磁場，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周只需改變定子繞組六次即可。但是，由于輪轂電機的極對數(shù)通常不為，所以每完成一個通電周期意味著轉(zhuǎn)子僅僅是轉(zhuǎn)動了電角度一圈，并未實現(xiàn)轉(zhuǎn)子機械角度一周，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機械角度一周需要的換向周期數(shù)和極對數(shù)相同。

這種控制主要實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制。通過讀取霍爾傳感器的位置信號，判斷轉(zhuǎn)子位置，同時電機轉(zhuǎn)速控制器對電機的轉(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現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。這種控制方法通過簡單的六步換向改變電樞磁場，引領(lǐng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在任意時刻僅有兩相繞組導(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個扇區(qū)?？刂破鳈z測轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，控制電樞磁場指引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向下一個扇區(qū)。

圖 8 扇區(qū)示意圖

六、電機驅(qū)動漏電現(xiàn)象

原因大致有以下幾類：

電機驅(qū)動漏電現(xiàn)象

主要

分類

繞組受潮使絕緣電阻下降

電動機長期過載運行

金屬異物侵入繞組內(nèi)部損壞絕緣

重繞定子繞組時絕緣損壞碰鐵心

繞組端部碰端蓋機座

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

七、電流檢測方案

目前來說，運用霍爾傳感器（Hall Current Sensor）或電流互感器（Current transformer）對功率變換器上直流母線電流進(jìn)行反饋檢測的方式具備多方面的局限性。因為通過主開關(guān)器件的電流普遍相對較大 ，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，此時方案體積大、成本高。 另外，其不便于實現(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的電流檢測電路

電路工作原理 （如圖10所示）：

下橋的驅(qū)動信號為 。

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

（2）當(dāng)為時， 下橋 管為導(dǎo)通狀態(tài) ， 右端點信號為 ， 此時，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，輸出也同樣為高阻態(tài) ，的電壓為二極管的壓降。通過運放組成的減法電路將信號減去信號， 可得到內(nèi)阻上的壓降。

圖 11 各點對應(yīng)的波形圖

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

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