应对多电机电动汽车的设计挑战

与内燃机汽车一样，电动汽车全轮驱动的优势从一开始就很明显，并且有可能提供多个电机，理想情况下每个驱动轮一个电机。此类车辆已变得越来越普遍，但它们继续给设计人员带来挑战。

• 控制四电机电动汽车的主要电气挑战包括：

• 用于管理单个车轮扭矩的复杂扭矩矢量算法

• 布线复杂性增加

• 在某些情况下，对电池和控制系统的功率要求可能更高

• 电机控制精确同步的需求

最后一个挑战是由于电机甚至电机之间可能存在不均匀的负载分配，如果不仔细仪表和控制，实际上会相互对抗。最后，由于电机控制电路和潜在故障点的数量增加，因此需要先进的故障检测和缓解策略。

多电机系统设计中的关键问题是什么？

• 扭矩矢量复杂性：将扭矩精确地独立地分配到每个车轮需要复杂的算法来优化牵引力和控性，尤其是在低牵引力条件下，这可能是计算密集型的。

• 布线复杂性：管理从四个或更多电机到控制单元的电线数量增加会增加整体系统的复杂性、成本和故障点的可能性。

• 电力需求：同时作多个电机对电池和电力电子设备提出了更高的要求，需要精心设计来管理电流消耗和散热。

• 同步问题：确保所有四个电机以最佳同步运行，以避免生涩运动并保持平稳的驾驶体验，这对于用户体验和安全至关重要。当面对路面和驾驶需求的潜在巨大差异时，它变得具有挑战性。

• 负载分布不均：不平坦的路况或驾驶动态会导致电机的负载分布不均匀，从而可能影响效率和性能。

• 故障检测和缓解：随着电机控制电路的增加，实施强大的故障检测和缓解系统，甚至故障预测对于确保安全和防止系统故障至关重要。

四电机电动汽车的潜在好处是什么？

这种设计的几个明显好处解释了为什么许多制造商都朝着这个方向发展：

• 增强的控性：精确的扭矩矢量分配可实现卓越的转弯稳定性和敏捷性。

• 提高牵引力：单独的车轮扭矩控制可以在具有挑战性的路况下优化牵引力。

• 提高性能：具有更高的加速度和改进的动态控制的潜力。

扭矩矢量控制涉及哪些问题？

扭矩矢量控制是许多挑战的交汇点，尤其是保持电动汽车的效率。

在多电机电动汽车 （EV） 中，“扭矩矢量化”是指利用多个电机独立控制传递给每个车轮的扭矩的能力，允许通过改变车轮之间的动力分配来精确调整控性和稳定性，尤其是在转弯时，显着提高转向响应和转弯敏捷性。

核心概念依赖于拥有多个电动机，通常每个车轴一个电机，甚至每个车轮一个电动机，从而在每个车轮上实现独立的扭矩控制。通过调整车轮之间的扭矩分配，车辆可以主动抵消转向不足或转向过度的趋势，从而提高转弯稳定性和响应能力。

软件控制是扭矩矢量分配的核心。扭矩分配由复杂的车辆控制软件管理。它在支持实时的硬件上执行，该硬件分析转向角、车速和路况等输入，以确定每个车轮的最佳扭矩分配。

扭矩矢量控制如何工作？

扭矩矢量控制有两个主要特征：通过减少扭矩或再生/摩擦制动实现的轮内制动，以及偏航力矩控制。

在内角轮制动时，在转弯过程中，内侧车轮可能会因降低扭矩而略微减慢速度，而外侧车轮则获得更多扭矩以保持抓地力。虽然传统的汽车差速器通过纯机械方式实现扭矩传递的“平均”，但在多电机电动汽车中，类似或更好的适当扭矩传递可以通过传感器和控制电路来实现。

同样，通过调整单个车轮的扭矩，车辆可以产生“偏航力矩”，以主动控制车辆围绕其垂直轴的旋转。偏航力矩控制被认为是在剧烈驾驶机动期间控制车辆横向运动的一种方式。这与成熟且广泛使用的电子稳定控制 （ESC） 技术密切相关，但单个车轮电机的控制挑战和潜在优势更大。

目前有哪些具有扭矩矢量的多电机 EV 应用示例？

这项技术主要来自高性能电动赛车，这些赛车通常配备四个独立的电机，每个车轮一个，以最大限度地提高转弯性能。特斯拉 Model X Plaid 等量产车使用三电机系统，Rimac Nevera 超级跑车每个车轮使用一个内侧电机，六轮轩尼诗 Hyper-GT 每个车轮有一个电机（见文章顶部的图片和下面的轩尼诗视频），独立控制每个电机以实现高级扭矩矢量。

构建多电机 EV 控制系统面临哪些挑战？

“多电机 EV 控制电路”管理和控制多个电动机的运行，以提供精确的扭矩分配和增强的牵引力控制。多电机 EV 控制电路的关键方面包括电机类型，由于其高效率和精确控制能力，通常是无刷直流 （BLDC） 或永磁同步电机 （PMSM）。

中央控制单元 （MCU） 需要是一个功能强大的微控制器，可以处理来自各种传感器（如车速、轮速、转向角）的输入，并计算必要的电机命令以实现最佳性能。磁场定向控制 （FOC） 算法实现对电机磁场的精确调节，以实现精确的扭矩控制和平稳运行。如前所述，扭矩矢量分配根据路况和驾驶员输入独立分配扭矩，从而提高控性和稳定性。

最后，需要适当的通信协议来确保中央控制单元和各个电机控制器之间有效和及时的数据交换，从而协调整个车辆的电机作。

设计多电机 EV 控制电路有哪些挑战？

需要准确的实时计算来优化扭矩分配并确保不同驾驶条件之间的平滑过渡。然后，保持精确的电机同步对于避免振动和不均匀的功率输出至关重要。当然，这种能源应用意味着管理电机控制器内热量产生的工程方法不容忽视。

部署单个车轮电机的另一个问题是，现代和起亚等公司目前正在开发“车轮内”电动汽车技术，其“Uni Wheel”设计的特点是将电机直接集成到每个车轮中。据报道，其他公司也在探索类似的电动汽车轮毂电机技术（见图）。

从许多方面来看，四电机电动汽车是提供安全且响应迅速的车辆的理想安排，但复杂性使实施具有挑战性。[与 R. Srikanth、Sharath S、Suhas R Holla、V Kishore（2016 年 7 月）“电动汽车中的单独车轮驱动”的图 2 有关，国际电气、电子和仪器仪表工程高级研究杂志档案——根据知识共享许可提供]

车轮技术具有多个电机所涉及的所有挑战，以及潜在的减震问题，因为电机直接暴露在道路缺陷中。同样，这种设计可能会增加“簧下重量”，从而在舒适度和控性方面产生不理想的物理效果。

虽然公司积极研究和开发轮毂电机技术以及 Uni Wheel 的相关机械功能，但它尚未在商业生产的电动汽车中广泛使用。