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概述：Protean Electric開發(fā)了一種輪內(nèi)驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電機、動力電子設(shè)備、數(shù)字控制和摩擦制動器集成在一個緊湊的外殼中。Protean Drive為制造商提供了更高程度的設(shè)計自由度，甚至可以用于將現(xiàn)有車輛轉(zhuǎn)換為混合動力或全電動汽車。
Protean Drive是一種用于乘用車和輕型商用車的輪轂電機系統(tǒng)。電機占據(jù)了輪輞內(nèi)部的空間，與傳統(tǒng)上占據(jù)該空間的機械制動器合并在一起。
車輛可以配置為兩輪或四輪驅(qū)動，無論是純電動還是混合動力，并配備400或800 V電池系統(tǒng)。一對輪內(nèi)電機代表了傳統(tǒng)電動車軸的替代方案，在電動車軸中，電機和逆變器安裝在車身上，驅(qū)動通過齒輪、差速器和半軸傳遞給車輪。展示了一個使用四個輪轂電機的系統(tǒng)。
輪內(nèi)電機是直接驅(qū)動，意味著沒有變速箱或變速器。電機是一個帶外轉(zhuǎn)子的永磁同步電動機(PMSM)。逆變器與電機集成在同一個封裝中。與傳統(tǒng)的電動車軸相比，車輪內(nèi)部所有組件的集成大大節(jié)省了空間。
輪內(nèi)電機的優(yōu)勢
使用輪內(nèi)電機節(jié)省的空間為重新封裝電氣元件創(chuàng)造了機會。例如，電動汽車的一個常見缺點是電池的位置。在大多數(shù)電動汽車中，電池以所謂的滑板設(shè)計放置在地板上。這種包裝的效果是將地板抬高約150毫米。這迫使車輛設(shè)計師要么減少乘員的座艙空間，要么提高車頂?shù)母叨?，?dǎo)致空氣阻力的增加，相應(yīng)的續(xù)航里程減少。
采用輪內(nèi)電機的替代電池包概念如圖所示。在這個示例中，電池封裝為乘客的腳艙留出空間。這種電池單元的排列提供了與滑板電池相同的充電容量，但使車輛設(shè)計師能夠在不提高車頂高度的情況下增加乘員的座艙空間。
圖?采用輪內(nèi)電機的電池包概念(Protean)
與電動車軸相比，使用輪內(nèi)電機的車輛的動力傳動系統(tǒng)部件的質(zhì)量也有所減少，這對電池也有好處。通過減少質(zhì)量，既可以減少電池容量，也可以增加現(xiàn)有電池的續(xù)航里程。
輪轂電機的另一個優(yōu)點是這種系統(tǒng)的扭矩矢量控制能力。扭矩矢量控制是跨軸差分扭矩的應(yīng)用，是輪內(nèi)電機系統(tǒng)的零成本特性，通過要求左右電機輸出不同的扭矩來實現(xiàn)。這允許轉(zhuǎn)向不足和過度轉(zhuǎn)向特性動態(tài)優(yōu)化。扭矩矢量控制還可以減少后輪驅(qū)動應(yīng)用中的轉(zhuǎn)彎半徑，使后輪與轉(zhuǎn)彎的前輪一起工作。通過對汽車后橋施加扭矩矢量，在不改變車輛的情況下，轉(zhuǎn)彎半徑可以減少7%到10%，如圖所示。
圖?使用輪內(nèi)電機減少轉(zhuǎn)彎半徑(Protean)
在傳統(tǒng)車輛上，懸架系統(tǒng)妥協(xié)，以實現(xiàn)所需的欠轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向自扶正行為。由于這些功能可以通過扭矩矢量控制來實現(xiàn)，因此懸架系統(tǒng)可以在不影響車輛操控的情況下優(yōu)化以提升乘坐質(zhì)量。
輪轂電機面臨的挑戰(zhàn)
盡管輪轂電機帶來了諸多好處，但其設(shè)計也帶來了一些挑戰(zhàn)。工程師們面臨的主要困難之一是將電機和逆變器封裝到輪輞內(nèi)的可用空間中。目標(biāo)是盡量減少對輪端其他系統(tǒng)的干擾，如車輪軸承、懸架、轉(zhuǎn)向和摩擦制動。大直徑環(huán)形體積適合于高半徑，軸向短，高扭矩電機，但不適合封裝逆變器。Protean Drive的設(shè)計可以使用標(biāo)準(zhǔn)輪輞、軸承、懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)解決方案相比，制動盤必須倒置。圖顯示了懸架和制動器的典型集成。
圖??集成了懸架和制動的Protean Drive(Protean)
輪內(nèi)電機工作的環(huán)境需要設(shè)計成能承受振動和沖擊。根據(jù)GMW3172標(biāo)準(zhǔn)，在三個軸上以平均11 g rms的加速度進(jìn)行32小時以上的振動測試。此外，其設(shè)計必須在每個軸的兩個方向上能承受20個100g的沖擊加速度。
與傳統(tǒng)電動汽車的電機和逆變器相比，密封也是一個更大的挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)在其使用壽命期間可能需要置于水中，并受到灰塵、砂礫和其他物質(zhì)的影響。在轉(zhuǎn)彎和重載制動時，車輪軸承的偏轉(zhuǎn)使動態(tài)密封的功能進(jìn)一步復(fù)雜化，這反過來意味著密封必須容忍轉(zhuǎn)子和定子之間的相對運動。
熱量必須在系統(tǒng)中得到控制。電機用50:50的水-乙二醇混合物冷卻，通?？梢栽?3升/分鐘的公稱流量下去除約5千瓦的熱量。電機繞組、逆變器和摩擦制動器都是熱源。通常情況下，繞組可承受最高180°C的溫度，電子元件可承受最高125°C，電容器元件可承受最高100°C。在運行過程中，制動盤可能達(dá)到最高500°C的高溫;制動盤連接到轉(zhuǎn)子，意味著傳導(dǎo)到驅(qū)動磁體的熱也必須考慮在內(nèi)。
噪聲、振動和粗糙度(NVH)是輪轂電機的一個重要考慮因素。如果設(shè)計時不仔細(xì)約束磁場對磁體的勵磁，大直徑外轉(zhuǎn)子會是一個潛在的噪聲源。這是進(jìn)一步復(fù)雜化的非直線特性的電動機，這很大程度上是緊湊設(shè)計的結(jié)果。通過在適當(dāng)?shù)姆群拖辔徊迦牖l的諧波來調(diào)整相電流波形的能力可以減少扭矩脈動，從而使車廂內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲水平對于高質(zhì)量的乘用車來說是可以接受的。
如果不提非簧載質(zhì)量，關(guān)于輪轂電機的挑戰(zhàn)的討論就不完整。無可爭辯的是，輪轂電機增加了車輛非彈簧部件的質(zhì)量。這種增長的影響還不明晰。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，任何非彈簧質(zhì)量的增加都是有問題的，應(yīng)該不惜一切代價避免。現(xiàn)實情況要復(fù)雜得多。從理論角度來看，關(guān)鍵因素不是絕對非簧載質(zhì)量，而是簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之比。與此同時，在大型車輛中，除了經(jīng)驗最豐富的駕駛員外，安裝輪轂電機對操控性的影響幾乎沒有人注意到，而快速扭矩響應(yīng)和扭矩矢量控制的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)彌補了這一點。在實際應(yīng)用方面，Protean已經(jīng)委托進(jìn)行了幾項關(guān)于非簧載質(zhì)量影響的研究，其中包括Lotus Engineering的一項評估。本文的結(jié)論是，雖然使用復(fù)雜的工程技術(shù)可以測量性能上的差異，但在典型的車輛開發(fā)計劃中，沒有任何差異超出了與目標(biāo)的正常偏差。
電機結(jié)構(gòu)
該設(shè)計是由封裝電機和逆變器的可用空間決定的。可用的體積是環(huán)形的。輪輞限制外徑，輪軸承限制內(nèi)徑，總軸向長度受輪輞寬度和要求納入摩擦制動器的限制。例如，Protean Drive電機-逆變器設(shè)計用于18英寸輪輞的客車，并提供1400牛米的扭矩輸出，其外徑約為400毫米，內(nèi)徑為200毫米，總軸向長度約為140毫米。
與逆變器相關(guān)的電源和控制電子設(shè)備分布在封裝的車輛(或車載)一側(cè)。電容器是定制設(shè)計部件，占據(jù)了電機內(nèi)部的一個環(huán)。定子的主體是一個機械加工的鋁鑄件，作為一個散熱裝置;冷卻通道在電機的兩個面運行，也冷卻電力電子設(shè)備。
電力電子設(shè)計在定制模塊中使用650 V額定絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。每個電源模塊由一個三相逆變器組成，每個單元包含四個這樣的模塊。線圈和逆變器的布置如圖所示。
圖??定子內(nèi)電子元件、電容器和電機的布置(Protean)
定子包括由鑄件制造的鋁體，其上有熱滴工藝安裝的背鐵。背鐵由一堆電工鋼疊片組成，尺寸的選擇使得在所有工作溫度下，兩個部分之間都有一個干涉配合，能夠應(yīng)對最大扭矩。
定子的電磁設(shè)計由壓入定子背鐵的插入齒組成。總共有72顆齒，每顆都纏繞著32圈銅線。在制造過程中，自動繞線機將導(dǎo)線繞在三個連續(xù)的齒上形成一匝。這些匝通過引線框連接在一起，將電機配置成八個三匝子電機，其中兩個子電機并聯(lián)繞線，如圖所示。
圖??驅(qū)動架構(gòu)示意圖(Protean)
定子本體是水冷的。冷卻劑通道配置為兩層;第一層為電力電子設(shè)備提供冷卻，第二層為線圈和定子背鐵提供冷卻。該系統(tǒng)使用50:50的水-乙二醇混合物，標(biāo)稱流量為13升/分鐘。冷卻通道設(shè)計如圖8所示。
圖??定子冷卻通道(Protean)
一對電力電子模塊安裝在定子的后面，每個模塊有兩個三匝電橋。定子的后部有電子罩保護(hù)不受環(huán)境影響。
轉(zhuǎn)子由鋁鑄件制成。在制造過程中，轉(zhuǎn)子外殼加熱，并插入背鐵。這兩個部件的尺寸都經(jīng)過精心選擇，以確保它們在所有車輛運行溫度下都能相互配合。
三十二對驅(qū)動磁體堆粘接在背鐵的內(nèi)表面。這些磁鐵與定子線圈產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生扭矩。背鐵提供了一個封閉的磁通路徑，以確保轉(zhuǎn)子外沒有雜散磁場。
制動盤用螺栓固定在轉(zhuǎn)子外部，提供機械制動，因此該結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成能夠承受在制動和橫向加速事件中施加在轉(zhuǎn)子上的最壞情況的力。在這些情況下施加的力取決于車輛的質(zhì)量。
轉(zhuǎn)子內(nèi)部裝有一個磁環(huán)。有相同數(shù)量的極對作為轉(zhuǎn)子驅(qū)動磁體。位置傳感器(正弦/余弦編碼器)測量這個環(huán)產(chǎn)生的磁場，以確定轉(zhuǎn)子的角度位置。
轉(zhuǎn)子還包含橡膠密封，以防止污染物進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔。該密封可以隨著速度的增加而提升，以減少密封和運行表面的磨損。
一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車軸承連接轉(zhuǎn)子和定子。軸承承載車輛的全部載荷，因此轉(zhuǎn)子和定子都不承載支撐車輛的力。與電機設(shè)計的所有元素一樣，軸承的特性也是一種權(quán)衡。它必須足夠堅硬，以確保在高橫向加速事件中定子不會觸碰到轉(zhuǎn)子。反過來，軸承的阻力必須盡可能低，以減少損失并最大限度地提高系統(tǒng)的效率。
電機包含兩個電子模塊，每個電子模塊包含兩個逆變器。每個模塊都包含一個處理器，該處理器讀取相關(guān)傳感器并生成信號以開關(guān)門驅(qū)動器。這些依次為IGBT提供開關(guān)信號。這些模塊安裝在定子的背面，并連接到引線框中的引腳，引腳又連接到線圈。
控制逆變器所需的傳感器包括:
——每個逆變器三個電流傳感器，每匝一個(每個電機總共十二個)
——每個模塊一個位置傳感器(每個電機總共兩個)
——每個逆變器三個線圈熱敏電阻，每匝一個(每個電機總共十二個)
——每匝兩個IGBT熱敏電阻(每臺電機共24個)
——每個逆變器一個母線電壓傳感器(每個電機總共四個)。
電機中的逆變器采用場定向控制(FOC)。該方法利用矢量技術(shù)控制定子電流。該算法將三相系統(tǒng)(通常稱為U, V和W)的三相電流隨時間呈正弦變化，轉(zhuǎn)換為兩坐標(biāo)系統(tǒng)(稱為D和Q)，其中電流在特定扭矩點處是時穩(wěn)定的。這有效地將控制三個交流電的問題轉(zhuǎn)化為一個控制兩個(大部分)獨立直流電的問題。
簡單來說，Q軸上的電流與扭矩成正比。D軸電流為磁通分量;當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中的磁體產(chǎn)生的反電磁力(EMF)開始超過直流母線電壓時，這個術(shù)語變得重要。D軸電流通過一種稱為磁通減弱的技術(shù)抵消反電動勢。
FOC在很大程度上依賴于兩個變換，即Park-Clarke變換，將三相電流(U, V,W)轉(zhuǎn)換為二維(D和Q)，以及逆變換，將D, Q向量轉(zhuǎn)換回三相。
一旦信號被轉(zhuǎn)換到直流域(D和Q)，它們就可以使用傳統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行控制，例如比例積分(P-I)回路。
對FOC控制技術(shù)的全面討論不在本文的范圍，但一些半導(dǎo)體制造商提供了有用的介紹，例如德州儀器。
FOC控制的挑戰(zhàn)之一是確定在特定直流母線電壓和速度下產(chǎn)生特定扭矩所需的D和Q電流量。在其他資料中描述了一種確定D和Q電流需求的理論方法。電機采用查找表的方法，根據(jù)直流母線電壓、電機轉(zhuǎn)速和扭矩需求推導(dǎo)出所需的D和Q電流需求。
Protean Drive的緊湊設(shè)計導(dǎo)致電機包含反電動勢中電頻率的諧波。這些與基本相電流相互作用，產(chǎn)生扭矩脈動。為了消除這種不良影響，控制器在P-I回路的輸出中注入電壓以消除干擾。頂層控制回路如圖所示。
圖? FOC控制回路(Protean)
控制回路每62.5 μs (16 kHz)反復(fù)一次。控制頻率是幾個因素之間的平衡。控制回路必須足夠頻繁地運行以控制系統(tǒng)。在電機的最高轉(zhuǎn)速(1600轉(zhuǎn)/分)和轉(zhuǎn)子中有32對磁體時，最大電頻率為853赫茲。在16千赫，因此每周期大約有19個點，這提供了一個很好的控制水平。每次IGBT關(guān)閉或打開時，都會產(chǎn)生少量的熱量。為了使效率最大化，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，因此較低的開關(guān)頻率更好。
NVH是輪轂電機的主要考慮因素。開關(guān)瞬態(tài)和轉(zhuǎn)子上磁鐵之間的相互作用可能導(dǎo)致可聽見的噪聲。因此，開關(guān)頻率必須大于人耳可感知的最大頻率，大多數(shù)成年人的感知最大頻率約為16千赫。
結(jié)論
Protean電氣公司花了多年時間來改進(jìn)他們的組合電機-逆變器的設(shè)計，以生產(chǎn)高扭矩密度驅(qū)動系統(tǒng)。Protean Drive是一種輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)，為純電動汽車和混合動力汽車提供了高度的設(shè)計自由度。在開發(fā)過程中做出了一些妥協(xié)，克服了一些挑戰(zhàn)。
審核編輯：黃飛
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