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基于輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車技術(shù)探討

巨磁Magtron ? 2018-11-13 17:57 ? 次閱讀


基于輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車技術(shù)探討


(浙江巨磁智能技術(shù)有限公司

MAGTRON

摘要: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(jī)械電氣結(jié)構(gòu)上明顯比前者相對簡單。通過將電機(jī)與電池進(jìn)行系統(tǒng)整合來替換傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)、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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能為汽車提供動力,因此驅(qū)動電機(jī)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(jī)驅(qū)動是電動汽車動力的主要驅(qū)動形式。雖然其優(yōu)點(diǎn)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(jī)驅(qū)動的新能源汽車存在變速器、離合器、傳動軸等機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究尚淺。目前,輪轂電機(jī)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(jī)的概念

輪轂電機(jī)技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)元年,當(dāng)時的費(fèi)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(jī)的電動汽車。上世紀(jì)70年代,輪轂電機(jī)技術(shù)運(yùn)用在礦山運(yùn)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(jī)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(jī)技術(shù)的自主品牌廠商。

圖 2 歷史上的輪轂電機(jī)汽車

輪轂電機(jī),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(jī),換句話說也就是將驅(qū)動電機(jī)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(jī)(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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Protean Drive TM)

三、輪轂電機(jī)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(jī),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(jī)的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)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(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(yùn)行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。

缺點(diǎn): 難以實(shí)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(jī),電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接,電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速一致。

優(yōu)點(diǎn): 由于沒有減速機(jī)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(diǎn): 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(jī)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(jī)技術(shù)是日本東洋電機(jī)提供,該輪轂電機(jī)具有以下特點(diǎn):逆變器采用 BOOST升壓方案,且為每臺電機(jī)由一臺逆變器控制;電機(jī)采用永磁同步電機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動機(jī)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(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(dú)特構(gòu)造的懸掛裝置,電機(jī)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(jī)之間,由直線導(dǎo)塊控制電機(jī)的上下運(yùn)動,螺旋彈簧則支承電機(jī)的重量,減震器用于減震;電機(jī)可靠性的提高,電機(jī)應(yīng)用的密封技術(shù)以及部件耦合技術(shù),使得輪轂電機(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(Siemens / Michelin)

(3) Protean-E

Protean-E 輪轂電機(jī)采用分布式電機(jī)方案,即一體化的電機(jī)中包括8個共用母線小型永磁電機(jī),環(huán)形電容旋轉(zhuǎn)在電機(jī)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(jī)系統(tǒng)散熱采用自然冷卻。

圖 6Protean-E電機(jī)裝配圖

(4)天津一汽

采用前艙集中驅(qū)動和后輪輪轂電機(jī)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(jī)(實(shí)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)),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?a target="_blank">檢測轉(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(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子機(jī)械角度一周,所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速控制器對電機(jī)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(shí)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:

wx_article_20181031111656_Wa6CvN.jpg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)。

wx_article_20181031111656_x9y2sM.jpg

圖 8 扇區(qū)示意圖

六、電機(jī)驅(qū)動漏電現(xiàn)象

原因大致有以下幾類:

電機(jī)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(jī)長期過載運(yùn)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(jī)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

圖9 電機(jī)的漏電現(xiàn)象

七、電流檢測方案

目前來說,運(yùn)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?yàn)橥ㄟ^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(shí)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)。


wx_article_20181031111656_KISEBi.jpg


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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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)。


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