學習筆記 | 輪轂電機驅動系統，與集中驅動系統有什麼不同
把輪轂電機用在四輪電動汽車上，每個輪子都需要整車控制器告訴它該怎麼動，它才知道怎麼動，直行、轉彎、過坑窪，處理這些場景，沒有自發動作，全部是計算的結果。這樣的驅動系統，與傳統的集中驅動系統存在著很大差異。主要從電機本身的設計，機械系統設計和電氣系統設計幾個角度去看。
1 輪轂電機的一般設計過程（以永磁同步電機為例）
首先，確定電機設計需求，包括：電機額定工作電壓，額定功率，額定轉速，最高轉速，額定轉矩，額定效率，以及直徑。對於永磁電機，在電機材料利用率不變的條件下，電機的功率與電機尺寸有直接關係，它與電機電樞直徑的平方成正比，與鐵芯長度和電樞繞組匝數成正比。
第二步，確定電機原理類型，比如採用永磁同步電機基本原理設計，外轉子直驅結構。
第三步，繞組設計，這裡確定，電機設計是採用分數槽繞組還是整數槽繞組，是單層繞組還是雙層繞組，確定槽數和極對數；
第四步，永磁體設計，根據永磁體位置的不同，永磁轉子可以分為內置式和表貼式兩種，其中表貼式能夠帶來較大的功率密度。永磁體的一般設計原則：滿足設計需求要求的氣隙磁場強度；滿足磁場強度要求的情況下，使用盡量少的永磁材料；磁片需要具備良好的力學特點和加工性。
第五步，完成電機結構初步設計，確定定子內外直徑，轉子內外直徑，和電機軸向長度，並在結構設計上體現冷卻方案。
電機的冷卻一般有3種方法，強迫風冷、循環水冷卻和油冷。強迫風冷，結構簡單，成本低，但效果差；水冷，可以在定子繞組內部安放開冷卻水導管，或者在定子機殼之中設計冷卻水道；油冷，可以把被冷卻部件浸泡在絕緣性能良好的冷卻油脂中，是外轉子電機比較適宜的冷卻形式。
可以看到，輪轂電機的初步設計過程，設計要點與一般電機並沒有太大不同。但設計的具體內容，存在著一些不一樣的難點。
細節的不同
必須適應輪轂內空間尺寸以外；更惡劣的工作環境，需要更加複雜而高效的冷卻系統；接近路面，使得防塵防水的設計要求比較高，而這有與冷卻的要求存在矛盾之處；
除了電機本身的設計以外，電機與車輛配合的部分，機械連接結構和電氣控制都存在著差異。影響最明顯的部分就是機械結構中的懸架設計，電氣控制系統中的電子差速設計。
2懸架設計
輪轂電機驅動系統的應用，給車輛底盤的性能帶來了一些變化。懸架和轉向系統零部件安裝硬點發生變化，簧下質量顯著增加，整車質量分布比例發生變化，轉向特性也受到影響。如果沿用傳統車輛的懸架結構，底盤結構的運動干涉可能會使得驅動系統根本無法運轉。
基於以上問題，研究人員提出了多種懸架設計方案，雙橫臂懸架系統、多連桿懸架系統、以及直接在麥弗遜式懸架基礎上做局部修改，只解決干涉問題等。
輪轂電機想要發揮出優勢，針對輪轂電機驅動系統質量分布特點和四輪驅動帶來的操控穩定性問題，都需要懸架的調整。
3 電子差速
輪轂電機操控系統，沒有了機械差速器控制車輪之間的速度配合關係，需要通過其他途徑實現轉彎過程中各個輪胎之間的配合轉動。一個主要的技術方案就是電子差速。電子差速是指在輪轂電機驅動系統中，通過控制器調節不同車輪的實時轉速，儘力實現４個車輪繞汽車轉向中心同角速度旋轉。控制效果的好壞，往往通過轉向過程中滑移量的大小，輪胎磨損的多少，車輛加速性能和操控穩定性的好壞來評定。電子差速的基本實現過程如下。
根據上圖中所示的廣為認可的車輛轉彎模型，做出下面三個假設，第一，車輛為剛體，其車身長度不會發生變化；其二，輪胎的運動為純滾動；其三，輪胎側向變形與側向力成正比。通過模型推導可以知道，轉彎過程中，輪胎的速度只與車輛總體速度和轉向角有關。這個確定的物理參數之間的關係，是電子差速的理論基礎。大體控制過程如下：
1）控制器採集電子踏板、前輪轉角信號和輪胎轉速信號，將踏板信號轉化成輪轂電機的驅動力矩；
2）考慮汽車轉彎時的垂直載荷變化，根據模型計算出汽車左右驅動輪的轉矩比，並根據轉矩比分配每個輪轂電機應輸出的轉矩；
3）控制器發送控制信號給輪轂電機控制器，電機控制器調製出符合要求的PWM波形驅動電機輸出轉矩；
4）如果取消純滾動假設，在分配轉矩的同時，控制器還需要根據輪速和車速計算驅動輪運動中的滑移分量，並以內外側驅動輪的滑移率保持均衡為目標，修正各個輪轂電機的輸出轉矩。
4 幾個名詞
輪轂電機驅動系統，需要調整一些局部設計，進而區別於傳統車輛，主要是出於對車輛平順性和操控穩定性的考慮。什麼是車輛平順性和操控穩定性？
車輛平順性：指車速在一定範圍內，乘車人員不會因為車輛的自身屬性造成的振動而感到疲勞、不適、甚至損害健康的一類車輛性能指標。簡單說就是人坐在車上是否感到顛簸不舒服。
這是一個比較主觀的感受，不同的人有不同的感受，於是出台標準，對平順性指標做統一評價。ISO2631《人承受振動評價指南》和國標GB/T 4970-1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》對具體試驗方法做出了規定。
影響平順性的因素較多，輪胎、懸架、座椅等，傳遞振動鏈條上的所有因素，對平順性都會帶來影響。為什麼不提路面情況，因為路面是車輛以外的因素，不屬於車輛自身的性質。
車輛操縱穩定性：指在駕駛員正常操作條件下，汽車能遵循駕駛員意圖做出行駛動作，且在外界干擾下能保持穩定行駛的能力。操縱穩定性，主要是從駕駛員的駕駛體驗觸出發，但實質上是車輛力學性能和控制系統性能在綜合發揮作用。
評價車輛操縱穩定性的標準，國標GB/T 6323.4-94~GB/T 6323.6.94《汽車操縱穩定穩定性試驗方法》規定了穩態迴轉、轉向回正、轉向輕便性的試驗方法；汽車行業標準QC/T 480-1999《汽車操縱穩定性指標限值和評價方法》主要對試驗結果的評價方法做出要求。
汽車操縱穩定性，是車輛綜合力學性能的一種體現，影響因素更多，輪胎、懸架、傳動系統，轉向系統，車輛垂直質量分布等等。車輛操控性的好壞，直接對安全性造成影響。
歡迎交流，歡迎指正。
參考文獻
1 雷良育，電動汽車用外轉子輪轂電機的設計研究；
2 向奎，四輪轂電機代步車控制系統設計；
3 陳龍，適合輪轂電機驅動的新型懸架系統設計；
4 魏亞鵬，電動車輛輪轂電機減振系統設計與分析；
5 解文辰，低速外轉子輪轂電機散熱系統設計；
6 史天澤，輪轂電機驅動電動車懸架和轉向系統設計與性能匹配；
7 李剛，線控四輪獨立驅動輪轂電機電動汽車穩定性與節能控制研究；
8 趙雲，四驅輪轂電機電動汽車穩定性控制研究；
9肖文文，輪轂電機驅動電動汽車平順性綜述。
（圖片來自互聯網公開資料）
推薦閱讀：