摘要：隨著(zhù)節能減排的有關(guān)政策標準相繼出臺，傳統動(dòng)力汽車(chē)逐漸向新能源汽車(chē)過(guò)渡。后者在機械與電氣結構上明顯比前者相對簡(jiǎn)單。通過(guò)將電機與電池進(jìn)行系統整合來(lái)替換傳統的發(fā)動(dòng)機了。然而還有一個(gè)更大的問(wèn)題困擾著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員，除了變速箱結構得到了相應簡(jiǎn)化，傳動(dòng)系統還是非常復雜。目前，輪轂電機技術(shù)如果能夠完全推廣，將能取代汽車(chē)現有傳動(dòng)系統。

一、應用背景

眾所周知，電池、電機、電控是新能源汽車(chē)必備的三大核心部件。當前的新能源汽車(chē)，均采用電機驅動(dòng)系統將電能轉化為機械能為汽車(chē)提供動(dòng)力，因此驅動(dòng)電機也是新能源汽車(chē)的核心技術(shù)之一。

圖 1 新能源汽車(chē)主要系統架構

目前，集中電機驅動(dòng)是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的主要驅動(dòng)形式。雖然其優(yōu)點(diǎn)很明顯，即傳動(dòng)系統和控制系統的布置相對簡(jiǎn)單，但是也存在著(zhù)一些問(wèn)題。由于通過(guò)這類(lèi)電機驅動(dòng)的新能源汽車(chē)存在變速器、離合器、傳動(dòng)軸等機械傳動(dòng)部件，使得底盤(pán)結構更加復雜，隨之帶來(lái)的影響就是乘坐空間十分狹小，而且傳動(dòng)系統通過(guò)機械部件傳遞動(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)系統在新能源汽車(chē)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。國外的專(zhuān)家學(xué)者早年就開(kāi)展了輪轂電機驅動(dòng)的技術(shù)研究，從而優(yōu)化了新能源汽車(chē)底盤(pán)中電機驅動(dòng)的結構緊湊度、能量利用效率等問(wèn)題；而國內相關(guān)院校和單位針對輪轂電機驅動(dòng)技術(shù)的研究尚淺。目前，輪轂電機驅動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在部分新能源汽車(chē)上應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世紀元年，當時(shí)的費迪南德·保時(shí)捷在還沒(méi)創(chuàng )立PORSCHE汽車(chē)公司時(shí)就研制出了前輪裝備輪轂電機的電動(dòng)汽車(chē)。上世紀70年代，輪轂電機技術(shù)運用在礦山運輸車(chē)上取得不錯的反響。另外，日本車(chē)企在關(guān)于乘用車(chē)輪轂電機技術(shù)方面的研究開(kāi)展相對較早，基本占據領(lǐng) 先地位。豐田和通用等國際汽車(chē)巨頭也都對該技術(shù)有所涉足。與此同時(shí)，國內也逐漸誕生出研發(fā)輪轂電機技術(shù)的自主品牌廠(chǎng)商。

圖 2 歷史上的輪轂電機汽車(chē)

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

三、輪轂電機驅動(dòng)方式

（1）減速驅動(dòng)

此驅動(dòng)方式采用高速內轉子電機，同時(shí)配置了固定傳動(dòng)比的減速器，功率密度相對較高，該電機的轉速更高可達到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；減速結構增矩后使得輸出轉矩更大，爬坡性能好; 能保證汽車(chē)在低速運行時(shí)獲得較大的平穩轉矩。

缺點(diǎn): 難以實(shí)現潤滑，行星齒輪減速結構的齒輪磨損較快，使用壽命相對變短，不易散熱，噪聲比較大。

（2）直接驅動(dòng)

此驅動(dòng)方式采用低速外轉子電機，電機的外轉子直接與輪轂機械連接，電機的轉速一般在1.5K r /min左右，無(wú)減速結構，車(chē)輪的轉速與電機轉速一致。

優(yōu)點(diǎn): 由于沒(méi)有減速機構，使得整個(gè)驅動(dòng)輪的結構更加緊湊，軸向尺寸也較前一種驅動(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，電機效率峰值區域小，負載電流超過(guò)一定值后效率下降很快。

四、國內外現狀

   （1）日本三菱

三菱公司（Mitsubishi）的MIEV技術(shù)始于2006年，并應用于其 MIEV樣車(chē)上。目前該樣車(chē)已經(jīng)發(fā)展到了第三代。其中比較有代表性的是 Colt EV 及四驅跑車(chē)（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(diǎn)：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(dòng)器及減震系統；東洋電機方案同樣具有冷卻的問(wèn)題，采用自然冷卻，且未批量推廣。

（2）法國米其林

Michelin公司開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)減震輪轂電機系統。該系統在電動(dòng)機和車(chē)輪之間增加了一套減震裝置，從而提高了車(chē)輛的行駛平順性和主動(dòng)安 全性。該公司新公布的新一代輪轂電機系統的特點(diǎn)如下：輕量化和結構緊湊化，而且減少了系統質(zhì)量；獨特構造的懸掛裝置，電機的懸掛裝置是由直線(xiàn)狀導塊、螺旋彈簧、減震器、緩沖擋塊構成，并位于車(chē)軸與電機之間，由直線(xiàn)導塊控制電機的上下運動(dòng)，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。

(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(gè)共用母線(xiàn)小型永磁電機，環(huán)形電容旋轉在電機內部，逆變器也同樣分為8 組模塊固定在輪轂上，Protean-E的電機系統散熱采用自然冷卻。

（4）天津一汽

采用前艙集中驅動(dòng)和后輪輪轂電機驅動(dòng)的混聯(lián)方案；外轉子安裝制動(dòng)器后外面連接輪輞；原有的前輪驅動(dòng)問(wèn)題：采用避讓原則，空間??；標稱(chēng)7.5k W的輪轂電機（實(shí)際額定5kW），更高車(chē)速可達到90 公里，同時(shí)由于轉矩小，啟動(dòng)較慢。

五、電機控制原理

    直流無(wú)刷控制的原理，控制器讀取霍爾信號判斷電機轉子所在扇區，決定逆變橋橋臂的開(kāi)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導通，即相電流正向流出；**相定子繞組內反相導通，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(zhù)轉子磁場(chǎng)不斷轉動(dòng)，若忽略磁阻轉矩（表貼式永磁同步電機），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，當這定轉子磁場(chǎng)重合時(shí)，即定子的直軸磁場(chǎng)對轉子磁鋼的相互作用，產(chǎn)生的電磁轉矩為零。所以，需要不停的改變定子磁場(chǎng)的位置，來(lái)驅動(dòng)轉子磁鋼的不斷轉動(dòng)，控制定子磁場(chǎng)總是領(lǐng) 先于轉子磁

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)?？刂破鳈z測轉子磁場(chǎng)所在的扇區，然后控制繞組產(chǎn)生指向下一個(gè)扇區的磁場(chǎng)，控制轉子轉動(dòng)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通常不為，所以每完成一個(gè)通電周期意味著(zhù)轉子僅僅是轉動(dòng)了電角度一圈，并未實(shí)現轉子機械角度一周，所以轉子轉動(dòng)機械角度一周需要的換向周期數和極對數相同。

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

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?？刂破鳈z測轉子所在扇區，控制電樞磁場(chǎng)指引轉子轉向下一個(gè)扇區。

六、電機驅動(dòng)漏電現象

    原因大致有以下幾類(lèi)：

七、電流檢測方案

目前來(lái)說(shuō)，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(xiàn)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(guò)主開(kāi)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——基于半導體器件構成的電流檢測電路 ,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(zhuān)用集成電路(ASIC)。

電路工作原理 (如圖10所示)：

下橋的驅動(dòng)信號為 。

（1）當 為時(shí), 下橋 MOSFET管的為關(guān)閉狀態(tài) ,右端信號點(diǎn)為二極管的管壓降, 此時(shí)，的正向輸入端為, 負向輸入端電壓為，此時(shí)輸出為低電平 ,輸出也為低電平 ,是集電極開(kāi)路輸出方式, 同樣存在導通壓降的問(wèn)題 , 故將信號減去信號, 消除因導通壓降引起的檢測誤差，起到消除輸入誤差的作用。

（2）當為時(shí), 下橋 管為導通狀態(tài) , 右端點(diǎn)信號為 , 此時(shí),的正向輸入端為, 負向輸入端電壓為, 輸出為高阻態(tài) ,的電壓為 內阻上的壓降加上快恢復二極管的壓降 , 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)運放組成的減法電路將信號減去信號, 可得到內阻上的壓降。

開(kāi)關(guān)管管壓降和電流檢測電路相關(guān)點(diǎn)的波形分析如圖 3所示。采用兩兩導通方式中,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)下橋臂的導通壓降之和約等于電機繞組的平均電流。

和是導通時(shí)刻 , 是關(guān)斷時(shí)刻 ,是導通時(shí)的管壓降, 為導通壓降 。在該檢測電路中,起到是過(guò)流保護的功能 , 當的電壓大于時(shí) , 的輸出為低電平（過(guò)流信號）。