來源: EEWORLD

輪轂馬達已經開始在電動汽車（EV）中得到應用，這項技術的采用可去除差速器（differential）和傳動軸（driveshaft）等裝置，能夠使電動汽車顯著地節省空間。但是，該方法也帶來了一些技術挑戰，例如增加了簧下重量（unsprung weight）。本文將介紹輪轂馬達的發展狀況，并討論驅動電子設備等一些設計集成問題。 

輪轂馬達：電動汽車傳動系統的創新方法

汽車技術發展歷來就是一個保守但卻不斷演化的過程，即使在電動汽車發生了深刻技術變化的背景下，設計人員也會“盡量使其安全”，希望使電動汽車的總體布局、形狀和感覺盡可能與傳統內燃機（ICE）動力汽車相似。由于采用了這種方式，到目前為止，電動汽車的設計趨向于用單個馬達代替汽油或柴油發動機，并結合傳統的驅動軸、差速器齒輪箱以及前輪驅動、等速萬向節（constant velocity joint）來進行布置。具有多個馬達的設計確實存在，但是這些馬達通常仍固定在車輛底盤內，并通過機械連接與車輪相連。

在 19 世紀末，費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）構想了一個很好的主意。他以“洛納 - 保時捷（Lohner-Porsche）電動汽車”為原型（圖 1）開發了一種“無 馬馬車”，該車輛在每個輪轂中央都嵌入了一個由電池供電的馬達，然后由車載汽油發動機充電。馬達的控制是基本要求，但卻消除了傳統動力總成和 ICE 變速箱的功率損耗。當時的設計因其轉向非常沉重，動力很低，而重量卻高達一噸半，續航能力很差。因此，該汽車因其性能怪異而在歷史上銷聲匿跡。

圖 1：采用中央輪轂馬達驅動的 Lohner-Porsche 電動汽車

然而，輪轂馬達的概念現在又重新出現，特別是這種技術曾經用在 1970 年代初的月球漫游車（LRV）中，最近在公路行駛的車輛等實際應用中也得到采納。輪轂馬達有時被稱為“主動輪”技術，米其林（Michelin）在 2000 年代后期[1]是該技術的先驅，直到現在這種技術仍在得到持續不斷的開發，日產（Nissan）的“ BladeGlider” [2]等概念演示表明，這種技術是現實可行的方案。

輪轂馬達的優勢

與單個安裝在底盤上的馬達相比，多達四個輪轂馬達似乎更為復雜，但是從全系統范圍看，這種布局卻具有真正的優勢：直接驅動車輪可以消除從集中式馬達到動力傳動系統的能量損耗，無需機械差速器，并且可減輕系統總重量。一家從事輪轂驅動系統開發的公司聲稱，根據電池的大小和行駛周期的不同，直接驅動車輪導致的總體重量減輕和節能效果可使續航里程提高 30％以上[3]。輪轂馬達可以非常緊湊，并且連同驅動軸和差速器一同拆卸，從而可以擴大駕駛室空間，而且布局更加靈活。如果其中還集成有驅動電子設備，則可以簡化布線，僅需一條電源線和回程線，而如果將牽引驅動逆變器安裝在底盤上，則至少需要三根電源電纜連接至每個馬達。將變頻驅動器保持在輪轂馬達內還可以減少來自電纜的電磁輻射。

輪轂馬達的一個主要優點是可以改善駕駛的動態性能和安全性。在常規內燃機中，需要使用復雜的機械裝置提供防抱死制動和牽引控制，以避免車輪在不良路面和轉彎時打滑。差速器還允許車輪轉彎時以不同的速度旋轉，以減少輪胎磨損并改善操縱性能，有的還包括一些高級配置，例如用于越野的“限滑”等等。這些系統可能非常復雜，需要電子設備來感應車輪速度和實際扭矩，但最終，唯一可用的控制是增加或降低整個發動機的功率，或對某個車輪進行制動。

對于單個固定馬達，盡管存在使馬達反轉利用其轉矩實現整體制動效果等與 ICE 不同之處，但也必須保留一些復雜的機械和電氣設計。而輪轂馬達則可以分別控制扭矩，目標車輪速度和制動，并對每個車輪上的傳感器和駕駛員輸入做出反應。所謂“扭矩矢量控制”可以分別針對每個車輪施加動力，以實現最佳操縱和安全效果（見圖 2）。雖然輪轂馬達可以將能量轉換為電池電量，并通過反轉其扭矩來達到制動效果，但仍然需要液壓 / 摩擦制動，以避免在強烈制動時使馬達驅動器過載。

圖 2：輪轂馬達可以簡單地實現轉矩矢量化

但是，輪轂馬達也存在缺點，這其中需要多個馬達，每個馬達都有自己的電子驅動器，總成本要高于同等功率輸出的單個馬達。但是可以斷定，輪轂馬達的節能效果最終將抵消上述成本，而其在安全性和性能方面也有優勢，額外的駕駛室空間和續航里程改進也具有非常高的價值。

但仍有一些實際問題。輪轂馬達現在已成為車輛“簧下重量”的一部分，也就是說，它們屬于不為懸架系統支撐的部件。這無疑會影響操作，但測試表明，在受一定重量限制的正常駕駛中，這種影響不會造成破壞。與被封閉在底盤內部，并由線圈懸架和減震器緩沖的單個馬達相比，輪轂馬達、電子驅動設備和機械組件也處于更惡劣的工作環境。

嚴酷的環境

車輛中的簧下零部件都處在最嚴酷的工作環境，它們會受到由道路引起的震動和沖擊，容易被道路碎屑影響，并可能暴露于道路處理過程中產生的水和鹽分等腐蝕性液體。相鄰的摩擦制動器會生熱，輪轂馬達及其驅動電子裝置即便能效很高，也會產生很多熱量。為了保持較長的使用壽命和可靠運行，輪轂馬達及其組件必須非常堅固可靠，任何失效導致的鎖死甚至突然失去動力都可能是致命的。當然，它們需要滿足汽車質量標準 ISO 26262，對于功能安全和系統，必須達到汽車安全完整性等級（ASIL）D 的最高級別。各個組件需進行適當的認證，來自合格汽車電子供應商的被動和主動元件需要通過 AEC-Qxx 認證，而設計和制造則必須滿足生產部件批準程序（PPAP）層面的 ISO/TS 16949 質量標準。

驅動電子設備

盡管技術進步實現了馬達的小型化，但在輪轂中嵌入馬達時，驅動電子設備總是成為尺寸和重量方面的考慮因素。其中所用的牽引馬達大多為永磁同步馬達（PMSM），需要在脈沖寬度調制（PWM）控制下通過半導體開關的“橋式”布局實現三相變頻驅動。電橋在高頻下開關，其輸出有效幅度由脈沖寬度設置，以滿足轉矩的需求（見圖 3）。

圖 3：使用 MOSFET 的電動汽車馬達驅動

電動汽車同樣也遵循通常的保守方法，到目前為止，其設計主要使用 IGBT 作為開關，該技術于 1960 年代開始出現，盡管經過多年改進，但由于器件開關時的更高頻率意味著每秒更多的瞬態（transitions），從而導致更多的損耗，由此產生的損耗限制了達到合理效率所需的橋 PWM 時鐘速度。出于這個原因，特別是在大功率的情況下，馬達驅動器通常以低于 10kHz 的頻率開關，從而導致相對較高的紋波電壓和電流，不利于馬達的控制響應，此外也產生了難以濾除的差動和共模干擾電流。可達到的有限效率還反映出輪轂馬達驅動器必須使用較大散熱器，導致隨之而來的系統過重，體積過大。

為了在馬達控制和 EMI 方面實現更好效果的同時，實現更快的開關速度，同時提高效率，并減小系統的體積和重量，輪轂馬達正在采用一些全新的半導體開關技術。碳化硅（SiC）MOSFET 作為一種寬帶隙器件，是滿足上述要求的典型選擇方案，這種技術傳導損耗低，工作溫度高，器件能夠以極低的損耗非常快速地開關，從而使 PWM 頻率可達到數十 kHz。SiC 器件能夠以 MHz 的速率進行開關，與一般電源應用中變壓器尺寸會大大減小的情況不同，在馬達控制中，這沒有任何實際的意義。馬達控制橋電路的一個特點是會發生“換向”，即在開關“死區”期間和再生（regeneration,）期間，電流沿與正常方向相反方向流動，因此，為此，必須在 IGBT 中增加一個快速并聯的二極管。但是，對于 SiC MOSFET，有一個內置的“體”二極管可以執行該功能，盡管有些情況下為了獲得最高效率，可以通過一個外部二極管將其旁路。SiC MOSFET 具有適當的電壓和電流額定值，可提供所需的最高電池電壓和輪轂功率水平，目前一般約為 80kW。對于單個安裝在底盤上的馬達，電子驅動器必須提供全部車輛功率，可能高達數百千瓦，因此在 IGBT 和 SiC MOSFET 之間進行選擇并不是一件容易的事，IGBT 通常可提供最高額定電流。

總結

電動汽車中的輪轂馬達技術具有深厚的歷史淵源，并且隨著馬達和驅動技術進步，它們已成為替代底盤安裝馬達的可行方案，同時在燃油經濟性、續航里程和駕駛體驗等方面都具有優勢。隨著汽車逐步走向自動駕駛，輪轂馬達技術能夠幫助節省駕駛室空間，從而使汽車更多地成為“工作間”，人們可以更自由自在地在其中工作和放松。

參考文獻

[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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