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(shí)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(shí)的費(fèi)迪南德·保時(shí)捷在還沒創(chuàng)立PORSCHE汽車公司時(shí)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(cuò)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(shí)，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

　?。?）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(shí)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(shí)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,。

　?。?）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(gè)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(shí)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

　?。?）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（Lancer Evolution 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(gè)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 6 Protean-E電機(jī)裝配圖

　?。?）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,，空間小,；標(biāo)稱7.5k W的輪轂電機(jī)（實(shí)際額定5k W）,，最高車速可達(dá)到90 公里，同時(shí)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(shí)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(shí),，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,。控制器檢測轉(zhuǎn)子磁場所在的扇區(qū),，然后控制繞組產(chǎn)生指向下一個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)刻僅有兩相繞組導(dǎo)通,。具體控制流程如圖：

　　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(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(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(gè)扇區(qū),。

　　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(shí)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(shí)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),。

　　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 。

　?。?）當(dāng) 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(fù)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(shí), 下橋 管為導(dǎo)通狀態(tài) , 右端點(diǎn)信號為 , 此時(shí),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(shí),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(gè)下橋臂處于工作狀態(tài) ,故 3個(gè)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(shí)刻 , 是關(guān)斷時(shí)刻 ,是導(dǎo)通時(shí)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(shí) , 的輸出為低電平（過流信號）。