應(yīng)對多電機電動汽車的設(shè)計挑戰(zhàn)

與內(nèi)燃機汽車一樣，電動汽車全輪驅(qū)動的優(yōu)勢從一開始就很明顯，并且有可能提供多個電機，理想情況下每個驅(qū)動輪一個電機。此類車輛已變得越來越普遍，但它們繼續(xù)給設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)。

• 控制四電機電動汽車的主要電氣挑戰(zhàn)包括：

• 用于管理單個車輪扭矩的復(fù)雜扭矩矢量算法

• 布線復(fù)雜性增加

• 在某些情況下，對電池和控制系統(tǒng)的功率要求可能更高

• 電機控制精確同步的需求

最后一個挑戰(zhàn)是由于電機甚至電機之間可能存在不均勻的負載分配，如果不仔細儀表和控制，實際上會相互對抗。最后，由于電機控制電路和潛在故障點的數(shù)量增加，因此需要先進的故障檢測和緩解策略。

多電機系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題是什么？

• 扭矩矢量復(fù)雜性：將扭矩精確地獨立地分配到每個車輪需要復(fù)雜的算法來優(yōu)化牽引力和控性，尤其是在低牽引力條件下，這可能是計算密集型的。

• 布線復(fù)雜性：管理從四個或更多電機到控制單元的電線數(shù)量增加會增加整體系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和故障點的可能性。

• 電力需求：同時作多個電機對電池和電力電子設(shè)備提出了更高的要求，需要精心設(shè)計來管理電流消耗和散熱。

• 同步問題：確保所有四個電機以最佳同步運行，以避免生澀運動并保持平穩(wěn)的駕駛體驗，這對于用戶體驗和安全至關(guān)重要。當(dāng)面對路面和駕駛需求的潛在巨大差異時，它變得具有挑戰(zhàn)性。

• 負載分布不均：不平坦的路況或駕駛動態(tài)會導(dǎo)致電機的負載分布不均勻，從而可能影響效率和性能。

• 故障檢測和緩解：隨著電機控制電路的增加，實施強大的故障檢測和緩解系統(tǒng)，甚至故障預(yù)測對于確保安全和防止系統(tǒng)故障至關(guān)重要。

四電機電動汽車的潛在好處是什么？

這種設(shè)計的幾個明顯好處解釋了為什么許多制造商都朝著這個方向發(fā)展：

• 增強的控性：精確的扭矩矢量分配可實現(xiàn)卓越的轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性和敏捷性。

• 提高牽引力：單獨的車輪扭矩控制可以在具有挑戰(zhàn)性的路況下優(yōu)化牽引力。

• 提高性能：具有更高的加速度和改進的動態(tài)控制的潛力。

扭矩矢量控制涉及哪些問題？

扭矩矢量控制是許多挑戰(zhàn)的交匯點，尤其是保持電動汽車的效率。

在多電機電動汽車 （EV） 中，“扭矩矢量化”是指利用多個電機獨立控制傳遞給每個車輪的扭矩的能力，允許通過改變車輪之間的動力分配來精確調(diào)整控性和穩(wěn)定性，尤其是在轉(zhuǎn)彎時，顯著提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)和轉(zhuǎn)彎敏捷性。

核心概念依賴于擁有多個電動機，通常每個車軸一個電機，甚至每個車輪一個電動機，從而在每個車輪上實現(xiàn)獨立的扭矩控制。通過調(diào)整車輪之間的扭矩分配，車輛可以主動抵消轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的趨勢，從而提高轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性和響應(yīng)能力。

軟件控制是扭矩矢量分配的核心。扭矩分配由復(fù)雜的車輛控制軟件管理。它在支持實時的硬件上執(zhí)行，該硬件分析轉(zhuǎn)向角、車速和路況等輸入，以確定每個車輪的最佳扭矩分配。

扭矩矢量控制如何工作？

扭矩矢量控制有兩個主要特征：通過減少扭矩或再生/摩擦制動實現(xiàn)的輪內(nèi)制動，以及偏航力矩控制。

在內(nèi)角輪制動時，在轉(zhuǎn)彎過程中，內(nèi)側(cè)車輪可能會因降低扭矩而略微減慢速度，而外側(cè)車輪則獲得更多扭矩以保持抓地力。雖然傳統(tǒng)的汽車差速器通過純機械方式實現(xiàn)扭矩傳遞的“平均”，但在多電機電動汽車中，類似或更好的適當(dāng)扭矩傳遞可以通過傳感器和控制電路來實現(xiàn)。

同樣，通過調(diào)整單個車輪的扭矩，車輛可以產(chǎn)生“偏航力矩”，以主動控制車輛圍繞其垂直軸的旋轉(zhuǎn)。偏航力矩控制被認為是在劇烈駕駛機動期間控制車輛橫向運動的一種方式。這與成熟且廣泛使用的電子穩(wěn)定控制 （ESC） 技術(shù)密切相關(guān)，但單個車輪電機的控制挑戰(zhàn)和潛在優(yōu)勢更大。

目前有哪些具有扭矩矢量的多電機 EV 應(yīng)用示例？

這項技術(shù)主要來自高性能電動賽車，這些賽車通常配備四個獨立的電機，每個車輪一個，以最大限度地提高轉(zhuǎn)彎性能。特斯拉 Model X Plaid 等量產(chǎn)車使用三電機系統(tǒng)，Rimac Nevera 超級跑車每個車輪使用一個內(nèi)側(cè)電機，六輪軒尼詩 Hyper-GT 每個車輪有一個電機（見文章頂部的圖片和下面的軒尼詩視頻），獨立控制每個電機以實現(xiàn)高級扭矩矢量。

構(gòu)建多電機 EV 控制系統(tǒng)面臨哪些挑戰(zhàn)？

“多電機 EV 控制電路”管理和控制多個電動機的運行，以提供精確的扭矩分配和增強的牽引力控制。多電機 EV 控制電路的關(guān)鍵方面包括電機類型，由于其高效率和精確控制能力，通常是無刷直流 （BLDC） 或永磁同步電機 （PMSM）。

中央控制單元 （MCU） 需要是一個功能強大的微控制器，可以處理來自各種傳感器（如車速、輪速、轉(zhuǎn)向角）的輸入，并計算必要的電機命令以實現(xiàn)最佳性能。磁場定向控制 （FOC） 算法實現(xiàn)對電機磁場的精確調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)精確的扭矩控制和平穩(wěn)運行。如前所述，扭矩矢量分配根據(jù)路況和駕駛員輸入獨立分配扭矩，從而提高控性和穩(wěn)定性。

最后，需要適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議來確保中央控制單元和各個電機控制器之間有效和及時的數(shù)據(jù)交換，從而協(xié)調(diào)整個車輛的電機作。

設(shè)計多電機 EV 控制電路有哪些挑戰(zhàn)？

需要準(zhǔn)確的實時計算來優(yōu)化扭矩分配并確保不同駕駛條件之間的平滑過渡。然后，保持精確的電機同步對于避免振動和不均勻的功率輸出至關(guān)重要。當(dāng)然，這種能源應(yīng)用意味著管理電機控制器內(nèi)熱量產(chǎn)生的工程方法不容忽視。

部署單個車輪電機的另一個問題是，現(xiàn)代和起亞等公司目前正在開發(fā)“車輪內(nèi)”電動汽車技術(shù)，其“Uni Wheel”設(shè)計的特點是將電機直接集成到每個車輪中。據(jù)報道，其他公司也在探索類似的電動汽車輪轂電機技術(shù)（見圖）。

從許多方面來看，四電機電動汽車是提供安全且響應(yīng)迅速的車輛的理想安排，但復(fù)雜性使實施具有挑戰(zhàn)性。[與 R. Srikanth、Sharath S、Suhas R Holla、V Kishore（2016 年 7 月）“電動汽車中的單獨車輪驅(qū)動”的圖 2 有關(guān)，國際電氣、電子和儀器儀表工程高級研究雜志檔案——根據(jù)知識共享許可提供]

車輪技術(shù)具有多個電機所涉及的所有挑戰(zhàn)，以及潛在的減震問題，因為電機直接暴露在道路缺陷中。同樣，這種設(shè)計可能會增加“簧下重量”，從而在舒適度和控性方面產(chǎn)生不理想的物理效果。

雖然公司積極研究和開發(fā)輪轂電機技術(shù)以及 Uni Wheel 的相關(guān)機械功能，但它尚未在商業(yè)生產(chǎn)的電動汽車中廣泛使用。