應對多電機電動(dòng)汽車(chē)的設計挑戰

與內燃機汽車(chē)一樣，電動(dòng)汽車(chē)全輪驅動(dòng)的優(yōu)勢從一開(kāi)始就很明顯，并且有可能提供多個(gè)電機，理想情況下每個(gè)驅動(dòng)輪一個(gè)電機。此類(lèi)車(chē)輛已變得越來(lái)越普遍，但它們繼續給設計人員帶來(lái)挑戰。

• 控制四電機電動(dòng)汽車(chē)的主要電氣挑戰包括：

• 用于管理單個(gè)車(chē)輪扭矩的復雜扭矩矢量算法

• 布線(xiàn)復雜性增加

• 在某些情況下，對電池和控制系統的功率要求可能更高

• 電機控制精確同步的需求

最后一個(gè)挑戰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(shí)際上會(huì )相互對抗。最后，由于電機控制電路和潛在故障點(diǎn)的數量增加，因此需要先進(jìn)的故障檢測和緩解策略。

多電機系統設計中的關(guān)鍵問(wèn)題是什么？

• 扭矩矢量復雜性：將扭矩精確地獨立地分配到每個(gè)車(chē)輪需要復雜的算法來(lái)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(xiàn)復雜性：管理從四個(gè)或更多電機到控制單元的電線(xiàn)數量增加會(huì )增加整體系統的復雜性、成本和故障點(diǎn)的可能性。

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

• 同步問(wèn)題：確保所有四個(gè)電機以最佳同步運行，以避免生澀運動(dòng)并保持平穩的駕駛體驗，這對于用戶(hù)體驗和安全至關(guān)重要。當面對路面和駕駛需求的潛在巨大差異時(shí)，它變得具有挑戰性。

• 負載分布不均：不平坦的路況或駕駛動(dòng)態(tài)會(huì )導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(zhù)電機控制電路的增加，實(shí)施強大的故障檢測和緩解系統，甚至故障預測對于確保安全和防止系統故障至關(guān)重要。

四電機電動(dòng)汽車(chē)的潛在好處是什么？

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

• 增強的控性：精確的扭矩矢量分配可實(shí)現卓越的轉彎穩定性和敏捷性。

• 提高牽引力：?jiǎn)为毜能?chē)輪扭矩控制可以在具有挑戰性的路況下優(yōu)化牽引力。

• 提高性能：具有更高的加速度和改進(jìn)的動(dòng)態(tài)控制的潛力。

扭矩矢量控制涉及哪些問(wèn)題？

扭矩矢量控制是許多挑戰的交匯點(diǎn)，尤其是保持電動(dòng)汽車(chē)的效率。

在多電機電動(dòng)汽車(chē) （EV） 中，“扭矩矢量化”是指利用多個(gè)電機獨立控制傳遞給每個(gè)車(chē)輪的扭矩的能力，允許通過(guò)改變車(chē)輪之間的動(dòng)力分配來(lái)精確調整控性和穩定性，尤其是在轉彎時(shí)，顯著(zhù)提高轉向響應和轉彎敏捷性。

核心概念依賴(lài)于擁有多個(gè)電動(dòng)機，通常每個(gè)車(chē)軸一個(gè)電機，甚至每個(gè)車(chē)輪一個(gè)電動(dòng)機，從而在每個(gè)車(chē)輪上實(shí)現獨立的扭矩控制。通過(guò)調整車(chē)輪之間的扭矩分配，車(chē)輛可以主動(dòng)抵消轉向不足或轉向過(guò)度的趨勢，從而提高轉彎穩定性和響應能力。

軟件控制是扭矩矢量分配的核心。扭矩分配由復雜的車(chē)輛控制軟件管理。它在支持實(shí)時(shí)的硬件上執行，該硬件分析轉向角、車(chē)速和路況等輸入，以確定每個(gè)車(chē)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(gè)主要特征：通過(guò)減少扭矩或再生/摩擦制動(dòng)實(shí)現的輪內制動(dòng)，以及偏航力矩控制。

在內角輪制動(dòng)時(shí)，在轉彎過(guò)程中，內側車(chē)輪可能會(huì )因降低扭矩而略微減慢速度，而外側車(chē)輪則獲得更多扭矩以保持抓地力。雖然傳統的汽車(chē)差速器通過(guò)純機械方式實(shí)現扭矩傳遞的“平均”，但在多電機電動(dòng)汽車(chē)中，類(lèi)似或更好的適當扭矩傳遞可以通過(guò)傳感器和控制電路來(lái)實(shí)現。

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

目前有哪些具有扭矩矢量的多電機 EV 應用示例？

這項技術(shù)主要來(lái)自高性能電動(dòng)賽車(chē)，這些賽車(chē)通常配備四個(gè)獨立的電機，每個(gè)車(chē)輪一個(gè)，以最大限度地提高轉彎性能。特斯拉 Model X Plaid 等量產(chǎn)車(chē)使用三電機系統，Rimac Nevera 超級跑車(chē)每個(gè)車(chē)輪使用一個(gè)內側電機，六輪軒尼詩(shī) Hyper-GT 每個(gè)車(chē)輪有一個(gè)電機（見(jiàn)文章頂部的圖片和下面的軒尼詩(shī)視頻），獨立控制每個(gè)電機以實(shí)現高級扭矩矢量。

構建多電機 EV 控制系統面臨哪些挑戰？

“多電機 EV 控制電路”管理和控制多個(gè)電動(dòng)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(lèi)型，由于其高效率和精確控制能力，通常是無(wú)刷直流 （BLDC） 或永磁同步電機 （PMSM）。

中央控制單元 （MCU） 需要是一個(gè)功能強大的微控制器，可以處理來(lái)自各種傳感器（如車(chē)速、輪速、轉向角）的輸入，并計算必要的電機命令以實(shí)現最佳性能。磁場(chǎng)定向控制 （FOC） 算法實(shí)現對電機磁場(chǎng)的精確調節，以實(shí)現精確的扭矩控制和平穩運行。如前所述，扭矩矢量分配根據路況和駕駛員輸入獨立分配扭矩，從而提高控性和穩定性。

最后，需要適當的通信協(xié)議來(lái)確保中央控制單元和各個(gè)電機控制器之間有效和及時(shí)的數據交換，從而協(xié)調整個(gè)車(chē)輛的電機作。

設計多電機 EV 控制電路有哪些挑戰？

需要準確的實(shí)時(shí)計算來(lái)優(yōu)化扭矩分配并確保不同駕駛條件之間的平滑過(guò)渡。然后，保持精確的電機同步對于避免振動(dòng)和不均勻的功率輸出至關(guān)重要。當然，這種能源應用意味著(zhù)管理電機控制器內熱量產(chǎn)生的工程方法不容忽視。

部署單個(gè)車(chē)輪電機的另一個(gè)問(wèn)題是，現代和起亞等公司目前正在開(kāi)發(fā)“車(chē)輪內”電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)，其“Uni Wheel”設計的特點(diǎn)是將電機直接集成到每個(gè)車(chē)輪中。據報道，其他公司也在探索類(lèi)似的電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機技術(shù)（見(jiàn)圖）。

從許多方面來(lái)看，四電機電動(dòng)汽車(chē)是提供安全且響應迅速的車(chē)輛的理想安排，但復雜性使實(shí)施具有挑戰性。[與 R. Srikanth、Sharath S、Suhas R Holla、V Kishore（2016 年 7 月）“電動(dòng)汽車(chē)中的單獨車(chē)輪驅動(dòng)”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——根據知識共享許可提供]

車(chē)輪技術(shù)具有多個(gè)電機所涉及的所有挑戰，以及潛在的減震問(wèn)題，因為電機直接暴露在道路缺陷中。同樣，這種設計可能會(huì )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(kāi)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(dòng)汽車(chē)中廣泛使用。