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电动车之功率架构
[作者 Mark Patrick]   2021年04月09日 星期五 浏览人次: [1786]

轮毂马达已经开始用於电动车(EV),这项技术采用可去除差速器(differential)和传动轴(driveshaft)等装置,使电动车显着节省空间。但是,该方法也带来一些技术挑战,例如增加了非簧载质量(unsprung weight)。本文将介绍轮毂马达发展状况,并讨论驱动电子装置等一些设计整合问题。


轮毂马达:专为电动车传动系统而生

汽车技术发展历来是一个保守但却不断演化过程,即便在电动车发生深刻技术变化背景下,设计人员也会「尽量使其安全」,希??让电动车总体布局、形状和感觉尽可能与传统内燃机(ICE)汽车相似。由於采用这种方式,到当下为止,电动车设计趋向於用单个马达代替汽油或柴油引擎,并结合传统驱动轴、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。具有多个马达之设计确实存在,但是这些马达通常仍固定在车辆底盘内,并透过机械连接与车轮相连。


在19世纪末,斐迪南·保时捷(Ferdinand Porsche)构想了一个很好主意。他以「洛纳-保时捷(Lohner-Porsche)电动车」为原型(图1)开发了一种Lohner-Porsche 「无马马车」,在该车每个轮毂中央都嵌入一个由电池供电马达,并由车载汽油引擎充电。马达控制是基本要求,但却消除了传统汽车动力系统和ICE变速器功率损耗。当年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Lohner-Porsche电动车。
图1 : 采用中央轮毂马达驱动Lohner-Porsche电动车。

然而,轮毂马达概念现在又重新出现,特别是这种技术曾经用在1970年代初月球漫游车(LRV)中,最近在公路行驶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年代後期[1]是技术先驱,直至今日这种技术仍在得到持续不断开发, Nissan的「BladeGlider」[2]等概念演示表明,这种技术是现实可行方案。


轮毂马达优势

相较单个安装在底盘上马达,多达四个轮毂马达似??更为复杂,但是从全系统范围看,这种布局却具备真正优势: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,根据电池大小和行驶周期不同,直接驱动车轮导致总体重量减轻和节能效果可使续航里程提高30%以上[3]。


轮毂马达可以布局非常紧凑,并且连同驱动轴和差速器一同拆卸,因而可以扩大驾驶室空间,而且布局更加灵活。倘若其中还整合有驱动电子装置,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线至每个马达。将变频驱动器保持在轮毂马达内部还可以减少源於电缆电磁辐射。


轮毂马达一个主要优势是可以改善驾驶动态性能和安全性。在常规内燃机中,需要使用复杂机械装置提供防锁死煞车和牵引控制,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速度转动,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,例如用於越野的「限滑(limited slip)」等。这些系统可能非常复杂,需要电子装置来感测车轮速度和实际扭矩,但最终,唯一可用控制是增加或降低整个引擎功率,或对某个车轮进行煞车。


对於单个固定马达,尽管可能使马达反转利用其扭矩实现整体煞车效果,这些为与ICE不同之处,但也必须保留一些复杂机械和电气设计。而轮毂马达则可以分别控制扭矩,目标是控制车轮速度和煞车,并对每个车轮上感测器和驾驶员输入做出回应。


所谓「扭矩向量控制」可以分别针对每个车轮施加驱动,以实现最隹操纵和安全效果(图2)。虽然轮毂马达可以将能量转换为电池电量,并透过反转扭矩来达到煞车效果,但仍然需要液压/摩擦煞车,以避免在强烈煞车时使马达驱动器超载。



图2 : 轮毂马达可以简单地实现扭矩向量化。
图2 : 轮毂马达可以简单地实现扭矩向量化。

但是,轮毂马达也存在缺点。这其中需要多个马达,每个马达都有自身电子驱动器,总成本要高於同等功率输出单一马达。但是可以断定,轮毂马达节能效果最终将抵消上述成本,而其在安全性和性能层面亦有优势,额外驾驶室空间和续航里程改进也具有非常高价值。


但仍有一些实际问题。轮毂马达现在已成为车辆「非簧载质量」一部分,也就是说,它们属於不为悬架系统支撑部件。这无疑会影响操作,但测试显示,在受一定重量限制正常驾驶中,这种影响不会造成破坏。相较被封闭在底盘内部,并由线圈悬架和减震器缓冲单个马达,轮毂马达、电子驱动器和机械元件也处於更严酷运作环境下。


严酷环境

车辆中非簧载零部件都处在最糟糕运作环境,它们会受到由道路引起震动和冲击,容易被道路碎屑影响,并可能暴露於道路处理过程中所用水和盐分等腐蚀性液体。附近摩擦煞车器会生热,轮毂马达及其驱动电子装置即便能效很高,也产生很多热量。


为了保持较长使用寿命和可靠运作,轮毂马达及其元件必须非常坚固可靠,任何失效导致锁死甚至突然失去动力都可能致命。当然,它们需要满足汽车品质标准ISO 26262,对於功能安全和系统,必须达到汽车安全完整性等级(ASIL)D最高级别。各个元件需进行适当认证,来自合格汽车电子供应商之被动和主动元件需要经由AEC-Qxx认证,而设计和制造则必须满足生产部件批准程式(PPAP)层面ISO/TS 16949品质标准。


驱动电子装置

即便技术进步实现马达小型化,但在轮毂中嵌入马达时,驱动电子装置总会成为尺寸和重量层面考量因素。其中所用牵引马达大多为永久磁铁同步马达(PMSM),需要在脉冲宽度调变(PWM)控制下透过半导体开关「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,以满足扭矩需求(图3)。



图3 : 使用MOSFET电动车马达驱动。
图3 : 使用MOSFET电动车马达驱动。

电动车同样也遵循常见保守方法,到当下为止,设计主要使用IGBT作为开关,该技术於1960年代开始出现,尽管经过多年改进,但由於元件开关时更高频率意味着每秒更多暂态(transitions),从而导致更多损耗,由此产生损耗限制了达到合理效率所需桥PWM时脉速率。


出於此原因,特别是在大功率状况下,马达驱动器通常以低於10kHz频率开关,从而导致相对较高纹波电压和电流,不利於马达控制回应,此外也产生了难以滤除差动和共模干扰电流。所达到较低效率还表明轮毂马达驱动器必须使用较大散热器,导致随之而来系统过重,体积过大。


为了在马达控制和EMI层面具备更好效果,实现更快开关速度,同时提高效率,并减小系统体积和重量,轮毂马达正在采用一些全新半导体开关技术。碳化矽(SiC)MOSFET作为一种宽能隙元件,是满足上述要求之典型选择方案,这种技术传导损耗低,运作温度高,元件能够以极低损耗非常快速开关,从而使PWM频率可达到数十kHz。SiC元件能够以MHz速率进行开关,但与一般电源应用中变压器尺寸会大大减小状况不同,在马达控制中,这没有任何实际意义。


马达控制桥电路一个特点是会发生「换向(commutation)」,即在开关「死区」和再生(regeneration)期间,电流沿与正常相反方向流动,为此,必须在IGBT中增加一个快速平行二极体。但是,对於SiC MOSFET,有一个内置「本体」二极体可以执行该功能,然而有些状况下为了获得最高效率,可以透过一个外部二极体将其旁路。


SiC MOSFET具有适当电压和电流额定值,可提供所需最高电池电压和轮毂功率水准,当下一般约为80kW。对於单个安装在底盘上马达,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易事,IGBT通常可提供最高额定电流。


总结

电动车中轮毂马达技术具有深厚历史渊源,并且跟随马达和驱动技术进步,它们已成为替代底盘安装马达方法之可行方案,同时在燃油经济性、续航里程和驾驶体验等层面都具有优势。伴随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「操作室」,人们可以更自由自在在其中工作和放松。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


叁考资料

[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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