电动汽车的轮毂马达及驱动电子设备

摘要

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。

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。

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）。

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。
 
贸泽电子（Mouser Electronics）可提供范围广泛的汽车级 SiC MOSFET、IGBT 和其他有源 / 无源以及机电组件，其中包括 英飞凌(Infineon) 、意法半导体（STMicroelectronics）、德州仪器（Texas Instruments）、以及 Wolfspeed Cree 等公司的产品。
 
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。