电机集成于车轮中心：电动汽车传动系统的革新方案。
汽车行业的进步始终是一个保守而渐进的过程，即便电动汽车带来了深刻的技术变革，设计师们仍然尽可能地采取保守策略，力求使电动汽车的设计、外形和整体外观与传统的内燃机汽车保持相似。因此，迄今为止，电动汽车的设计往往是用单个电机取代汽油或柴油发动机，并通过传统的传动轴、差速器以及（在前轮驱动的情况下）等速万向节等组合进行连接。虽然也存在采用多电机设计的方案，但这些电机通常通过机械连接固定在车辆底盘上，并与车轮相连。
19世纪末，费迪南德·保时捷提出了一个更好的想法：他研发了一种名为“洛纳-保时捷电动汽车”（Lohner-Porsche Electromobile，图1）的“无马马车”。这款车的每个轮毂内都装有一台电动机，由电池供电，而电池又由一台集成的汽油发动机充电。虽然电机控制系统较为简陋，但它避免了内燃机驱动系统和变速箱中固有的动力损耗。然而，这款车的转向极其沉重，动力也十分有限，而且由于车重达一吨半，续航里程也十分有限。因此，这款车最终以汽车史上的一件奇葩之作而载入史册。.
然而，轮毂驱动电机的概念在20世纪70年代初通过月球车（LRV）再次出现，但最近才以实际应用于公路车辆的形式出现。这项技术有时被称为“主动轮毂”技术，米其林在21世纪初率先开发了这项技术[1]，并一直持续发展至今，日产的“BladeGlider”[2]等概念车的展示表明，这项技术可以成为现实。.
轮毂集成电机的价值体现在哪里？
与单个底盘安装式电机相比，多达四个轮毂电机看起来似乎更复杂，但从整个系统来看，它具有显著优势：直接驱动车轮消除了集中式电机的传动损耗，因此不再需要机械差速器，并且整体重量得以减轻。一家致力于开发轮毂驱动系统的公司声称，根据电池容量和驾驶工况，整体重量和能耗的降低可以将续航里程提高 30% 以上 [3]。轮毂电机可以非常紧凑，并且由于省去了传动轴和差速器，驾驶室空间可以更大、更灵活。如果驱动电子设备也集成在轮毂内，则布线将更加简化：只需一根电源线和一根回流线，而无需像底盘安装式牵引驱动那样为每个电机配备三根电源线。将变频驱动电机置于轮毂内还可以减少电缆的电磁辐射。
其主要优势在于提升驾驶动态性能和安全性的潜力：传统的内燃机使用复杂的机械装置来防止车轮抱死，并控制牵引力，从而防止在不平坦路面和转弯时车轮打滑。差速器还允许车轮在转弯时以不同的速度旋转，以减少轮胎磨损并改善操控性，一些高级功能（例如用于越野的限滑差速器）也支持此功能。这些系统通过电子系统来感知车轮速度和扭矩，因此可能极其复杂，但最终只能控制发动机的整体功率或对单个车轮施加制动。
如果使用单个固定电机，则必须保留所有这些机械和电气复杂性，尽管与内燃机不同的是，电机可以反转扭矩以实现整体制动效果。然而，轮毂电机的扭矩、所需车轮速度和制动可以单独控制，并响应每个车轮上的传感器和驾驶员的反馈。这种所谓的“扭矩感应”技术可以单独向每个车轮施加动力，从而优化操控性和安全性（图 2）。虽然轮毂电机可以通过转换和回收车轮的旋转能量来给电池充电，并通过反转其扭矩来实现制动效果，但仍然需要液压或摩擦制动器来防止在非常剧烈的制动过程中电机推进过载。
图 2：轮毂电机可以轻松实现扭矩灵敏度。.
然而，轮毂电机也存在一些缺点：为了达到相同的功率输出，需要多个电机，每个电机都配备独立的电子驱动系统，这导致总成本高于单个电机。尽管如此，其节能效果仍然值得称道，而且在安全性和性能方面，以及额外的车厢空间和续航里程，也带来了额外的价值。此外，
还存在一些实际问题：目前，轮毂电机属于车辆的“非簧载质量”——即悬架系统无法支撑的部件。这无疑会影响车辆的操控性，但测试表明，在一定的重量限制范围内，它不会对正常的驾驶造成负面影响。与由螺旋弹簧和减震器缓冲的单个电机相比，轮毂电机、电子驱动系统和机械部件在底盘内的布局也更为复杂。
严苛的环境
：没有悬架的车辆部件往往处于最恶劣的环境中，承受着来自道路碎屑的冲击、振动和碰撞，以及道路处理剂（如水和盐）的腐蚀性物质的影响。附近的摩擦制动器有时会暴露在极高的温度下，而轮毂电机及其驱动电子设备，无论效率如何，也会产生大量的热量。为了确保较长的使用寿命和可靠的运行，轮毂电机及其部件必须极其坚固耐用：任何导致抱死甚至突然失去牵引力的故障都可能造成致命的后果。当然，汽车行业的质量标准 ISO 26262 适用于功能安全，系统必须达到汽车安全完整性等级 (ASIL) D，即最高等级。各种部件必须经过相应的认证：被动和主动电子元件必须获得 AEC-Qxx 认证，且必须来自符合 ISO/TS 16949 质量标准的合格汽车供应商，这些供应商的设计和制造必须符合质量标准，并经过生产件批准程序 (PPAP)。
推进电子设备：
尽管技术进步使得电机尺寸得以缩小，但推进电子设备集成到轮毂中时也会影响电机的尺寸和重量。所使用的牵引电机大多为永磁同步电机（PMSM），需要变频三相推进，该推进由脉冲宽度调制（PWM）控制的半导体开关组成的“桥式”结构实现。桥式结构以高频开关，其有效输出幅度由脉冲宽度决定，该脉冲宽度代表扭矩需求（图 3）。
图 3：使用 MOSFET 的电动汽车电机的电推进。.
根据以往保守的做法，电动汽车设计主要采用IGBT作为开关，这项技术最早于20世纪60年代提出。尽管经过多年的改进，IGBT仍因器件开关过程中产生的损耗而限制了桥式整流器的PWM时钟频率，从而难以达到合理的效率：更高的频率意味着每秒更多的开关次数，导致更大的损耗。因此，电机驱动器（尤其是大功率电机驱动器）的开关频率通常低于10 kHz，这会产生相对较高的纹波电压和电流、较差的电机控制响应以及难以滤波的差模和共模干扰电流。有限的效率也需要更高的散热能力，导致轮毂电机驱动器的重量过大，难以接受。.
为了实现更快的开关速度，从而获得更好的控制和电磁干扰抑制性能，同时提高效率并减小尺寸和重量，轮毂电机正在采用新型半导体开关技术。碳化硅 MOSFET 是一种常见的选择：作为一种宽带器件，它们具有低导通损耗、耐高温以及极快的开关速度和极低的损耗，从而可以实现数十 kHz 的脉宽调制 (PWM) 频率。碳化硅可以以兆赫兹 (MHz) 的频率进行开关，但这在电机控制中并非显著优势，不像在一般电源应用中那样可以大幅减小变压器的尺寸。电机桥式控制电路的一个特点是会发生“换向”：在开关的“死区”和再生期间，电流会沿与正常方向相反的方向流动。为了实现这一点，必须在 IGBT 上并联一个快速二极管。然而，碳化硅 MOSFET 集成了一个“体”二极管，可以起到类似的作用，尽管为了获得最佳效率，也可以将其与外部二极管并联。碳化硅 MOSFET 具有适合较高电池电压和轮毂功率水平（目前约为 80 kW）的电压和电流额定值。对于底盘中只有一个电机的车辆，电子驱动系统必须提供车辆的所有动力（可能高达数百千瓦），因此在 IGBT 和碳化硅 MOSFET 之间进行选择并非那么简单，因为 IGBT 通常具有最大电流额定值。.
Mouser Electronics 提供的产品系列包括来自英飞凌、意法半导体、德州仪器和 Wolfspeed Cree 等供应商的汽车级碳化硅 MOSFET、IGBT 和其他有源元件，以及各种无源和机电元件。.
摘要：
电动汽车轮毂电机发展历史悠久，随着电机和推进技术的进步，已成为底盘安装式电机的可行替代方案，在燃油经济性、续航里程和驾驶体验方面展现出显著优势。随着未来自动驾驶汽车的普及，节省下来的乘员舱空间正被用于将车辆打造成为人们工作和休闲的“移动工作空间”。
参考文献
[1] https://www.greencarcongress.com/2008/12/michelin-to-com.html
[2] https://www.nissan-global.com/EN/ZEROEMISSION/HISTORY/BLADEGLIDER/
[3] https://www.proteanelectric.com/
结尾
Mouser Electronics
授权经销商
