第一代无线轮毂电机技术

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第一代无线轮毂电机技术

EV技研

公众号EV技研作者19002019/06/10原创电动汽车 IP:北京

就算使用比以前更柔软灵活的电缆，只要是导线就一定会有性能上的限制，无法成为解决问题的根本方法。在此介绍一种解决方案，那就是2015 年发表的第一代无线轮毂电机。无线电能传输为了回避断路风险如前所述，以前的IWM通过与车体连接的电缆（电线）传输电能。如果能将这部分电缆无线化，可靠性将大大提升。应用无线电能传输技术，在车体和IWM 之间高效地传输电能。另外，驱动电机所需的控制信号也要进行收发。此处通过无线通信来实现信号交流。无线轮毂电机：W-IWM图8 所示的IWM 结构为无线轮毂电机。笔者将对其工作原理和第一次试制进行介绍。

工作原理和结构磁共振无线电能传输随着悬架的活动，IWM 和车体的相对位置会发生变化。无线电能传输使用的发射器和接收器间也会同样产生相对位置的变化。因此，采用图9 所示的有着优异位置偏移特性的磁共振方式。

与电磁感应方式相同，由发射/ 接收线圈间的磁场进行电能传输，同时如图10 所示，除了发射/ 接收线圈，还使用谐振电容器有效利用LC 谐振。

（1）发射/ 接收线圈间的距离：100mm在第一代W-IWM 中，考虑到要充分确保悬架行程和对方向盘的应用上，于是设置发射/ 接收线圈间的距离为100mm。
（2）无线电能传输频率：85kHz
此外，由于EV 的无线电能传输采用85kHz 频率标准，笔者使用该频率进行制作。因此，正如表2 所示，W-IWM 磁共振方式更好。

电源转换电路的组成W-IWM 的发射/ 接收侧的电源转换电路W-IWM 的组成如图11 所示。此处发射侧为车体，接收侧为轮胎。

（1）发射侧
发射侧的电源转换电路通过2 个方向上的升降压断路器将车载电池的电压升降到一个适当的值，并通过逆变器将其从直流转换为交流。发射侧和接收侧之间，使用85kHz 的交流电，通过磁共振方式传输电能。
（2）接收侧
为了能够控制电机，接收侧的电源转换电路将收到的电能转换为直流电，并使用三相PWM 逆变器驱动永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。使用Si-IGBT 和SiC-MOSFET由于发射侧的升降压断路器和接收侧的三相PWM逆变器无高频动作，因此使用Si-IGBT。另外，无线电能传输使用的发射侧逆变器和接收侧变换器由85kHz频率驱动，故使用SiC-MOSFET 实现高效化。控制信号通过蓝牙通信发射/ 接收侧间的控制信号使用蓝牙通信。并且，此处不进行高速通信，只收发低速控制信号。双向无线电能传输实现再生操作实现再生操作的电路EV 行驶时，不仅为了加速要给电机供电，还要能够回收再生制动时的电能。W-IWM 也进行同样的操作。也就是说，不只是从车体向线圈传输电能，还要能够在电能再生时从线圈向车体回传再生的电能（图12）。

图11 所示的W-IWM 的结构是以能进行这样的动作为前提设计的，因此双方向上的无线电能传输都适用。发射侧和接收侧使用同一电路结构的意义首先，由于采用了S-S 方式的磁共振无线电能传输，发射侧和接收侧都将线圈与谐振电容器串联连接，形成了对称的电路结构。此外，直流电变换为交流电时使用的发射侧逆变器与接收侧变换器为同样的电路结构，这样无论向哪个方向传输电能都能维持同样的方式。因此，电能再生时不用对这些电路进行切换，从而实现高速响应。电源转换电路的操作（1）电机驱动
如前所述，接收侧的变换器将发射侧逆变器传输来的电能进行整流，对电机逆变器传输电能。
（2）再生制动
将接收侧的变换器作为逆变器，发射侧的逆变器作为变换器工作，从而使线圈向车体传输再生电能成为可能。由于不需要进行电路切换等，就能够控制从电能运行动作到电能再生动作的无缝转换，从而实现了高速响应的再生动作。机电一体化结构的轮毂电机为了将机械和电气设备都安装进车轮IWM 有机电一体化的特性。如图11 所示，W-IWM不仅要把电机逆变器，还要把接收侧的线圈和变换器也安装到车轮内（图13）。

为了将多个零件安装在有限空间内，通过各转换器和电机的小型化设计及综合设计，从而实现了拥有能够安装在实际车辆上的机电一体化结构IWM。机电一体的有效性机电一体化结构在汽车电子界大受瞩目，除了节省空间，还有无线带来的轻量化等许多优点。目前的车辆驱动系统中，分别设计驱动轮胎的电机和进行控制的逆变器，最后用线缆连接起来是一般的做法。由于W-IWM 是机电一体化结构，车辆的驱动系统全部集中到了车轮内。
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