電機之計

宋喜秀

電機之計

宋喜秀

專用汽車觸電，越來越為常見；電機牽引汽車，多彩技術路線。與工業電機的作業環境相比，專用汽車工況復雜、耗電快，機械性能要求高。為此，車用牽引電機采取了一系列應對之策。

電機按照用途分為驅動用電機和控制用電機2大類。電動汽車的驅動電機，又稱牽引電機，屬于驅動用電機。驅動電機把電源電能轉化為汽車機械能的過程，是電壓、電流、頻率、波形等電能參數與轉速、轉矩、轉動慣量、功率等機械能參數的合理匹配過程。匹配合理，電機及其控制系統既能物盡其用、又可延長壽命；匹配不合理，欲速則不達，還會造成電機或整車的功能浪費。

專用汽車的動力性包括最高速度、加速時間和爬坡能力3個指標。除此之外，電動汽車還有續駛里程要求。所以，電動專用汽車的動力驅動系統應該滿足如下4項基本要求：

(1)轉矩要求：轉矩密度高，滿足頻繁啟動、負荷爬坡、瞬間加速等復雜工況的動態轉矩特性。

(2)調速要求：轉速范圍寬，能夠形成比較經濟的動態轉速特性。

(3)效率要求：傳動效率最優化，有比較理想的動力性能和續駛里程。

圖1 牽引電機的變量關系圖

(4)成本要求：性價比最大化。比功率小，可靠性高，工藝性好的低成本驅動。

電源電能轉化為汽車機械能的結果，是電機的電磁轉矩Te、汽車傳遞的負載轉矩TL與電機轉速n達到動態平衡：

Te-TL=J.dn/dt

以上平衡方程有多種解決方案，經過優化對比，機電工程師們普遍選擇了“低速恒轉矩，高速恒功率”的牽引模式(圖1)。

1 電機直驅

面對復雜多變的作業工況，牽引電機的應對之策應是因車制宜。對于低負荷、低轉速汽車來說，電機的負載功率不高，可以根據配置要求，選用相應類型、必要數量的電機直接驅動。4種主流電機機械性能見表1。

1.1 電機的由來

單機驅動最常用的電機是直流串勵電機，直流串勵電機的特點是定子的勵磁電流等于轉子的電樞電流，轉矩形成原理簡單，速度調節容易。電機的電樞電流Ia(A)及氣隙磁通φ(Wb)直接決定電磁轉矩：

表1 4種主流電機性能比較

圖2 電動輪礦用自卸車

圖3 轉速耦合模式

圖4 功率耦合模式

其中，CT、Cφ分別為電磁轉矩系數和磁通系數。

而電機的電磁轉矩、轉子轉速與額定功率又是相輔相成的依存關系：

P=Te.n/9 550

所以，只要改變電機的輸入電流，就能很方便地在較大范圍內實現對轉矩和速度的調節，調節過程中的各種變量關系見圖1。直流串勵電機在額定功率條件下功率基本恒定，使其獲得了低速大轉矩和高速低轉矩的天然優勢——與作業類車輛的機械特性不謀而合。直流串勵電機廣泛應用于環衛車、觀光車、平板運輸車等工況簡單的專用車上。

直流電動機是直流激磁，電機的電樞電流是由電刷和換向器引入的，電刷、換向器容易磨損、燒蝕，接觸部分也存在有摩擦損失。同時，這種電機因為帶有整流子，所以體積龐大，而且制造和維修過程比較復雜。轉子轉角傳感器和電子開關控制器的發明，取代了電刷和換向器，誕生了直流無刷電機，人們開始傾向于應用無刷電機。其中，永磁無刷電機，是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電機，可以通過改變電樞電壓來方便地調速，是小功率直流電機的換代機型，1990年代以前，電機驅動裝置一直沿用直流電機直接驅動。

1882—1888年南斯拉夫出生的美國發明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)發明了交流電機。交流電機又稱感應電機，無換向火花，也無需整流，因為結構簡單，性能可靠，轉速范圍寬，所以后來居上，特別適合于高速重載運輸。

對于高速或高負載汽車而言，單機配置相對困難，可以選擇雙機乃至于多機驅動模式。雙電機驅動根據電機關系又有雙電機獨立驅動與耦合驅動2種不同形式。

1.2 雙電機驅動

驅動軸兩端的兩個驅動電機并駕齊驅模式，稱為雙電機獨立驅動。包括輪邊電機驅動與輪轂電機驅動。

輪邊驅動是將牽引電機與輪邊減速器巧妙集成的電動輪驅動橋技術——將一對牽引電機分別安裝在驅動橋兩側驅動輪的邊緣內，通過一個很薄的行星齒輪減速機構實現減速增扭。裝備輪邊驅動電機，既可以提高車輪的直接驅動力，又能夠增加車橋的通過性，所以，廣泛應用于重型貨車、大型客車、越野汽車及其它一些大型工礦用車輛上。

輪轂電機驅動是將輪轂與電機集成一體，以控制輪轂電機轉速，也就等于控制電動汽車的車速了。當然，用于集成的電機必須是外轉子型電機。輪轂電機一體化模式對技術和工藝要求比較高，實際應用并不是很多。

雙電機獨立驅動時，一對電機相互獨立，互不干涉，不但需要相對獨立的2套控制系統，而且對車輪及車橋的布置空間要求也比較高。相比較而言，雙電機耦合模式則能取長補短。

1.3 耦合驅動

雙電機耦合驅動有轉矩耦合、轉速耦合與功率耦合3種技術方案。

轉矩耦合是把輔助電機通過固定速比的大速比減速機輸出大轉矩，彌補主牽引電機的動力不足，與主牽引電機共同驅動，全程參與動力牽引，提高整車的負載、加速與爬坡能力。

轉速耦合模式(圖3)：A、B兩個牽引電機通過行星齒輪耦合，低速時，齒圈鎖止，電機B靜止不動，電機A通過中心輪減速增扭，以較大轉矩驅動車輛；當車速增加到某一設定值時，齒圈解鎖，電機B開始工作，與電機A耦合，形成更高的行星速度牽引車輛高速運行。

表2 功率耦合選項表

功率耦合模式(圖4)，是轉矩耦合與轉速耦合、A電機驅動與B電機驅動方案的排列組合模式。對具體排列組合的選擇由一組離合器控制，各種結果如表2。

轉矩耦合增轉矩，轉速耦合加轉速，功率耦合選項多，轉速轉矩皆滿足。無論是單電機驅動，還是雙電機驅動，電機直驅模式，初步顯示了電力驅動的無比優越性。

2 交流電機

轉速與轉矩、轉速范圍與傳動效率是對立統一的矛盾關系。交流牽引電機雖然在功能、性能、體積、質量、制造成本及可靠性方面都比直流電機優越得多，但是因為速度范圍過于寬大，所以調速比較困難。隨著液力變矩器、大功率晶閘管變流器、AMT變速器技術的發展，各種先進的變速變矩變流變壓技術應運而生。

2.1 變流調速

研究發現，在電源與電機之間加裝變流器，從改善電機的輸入特性入手，可以改變電機的輸出特性。變流器用途豐富多彩，包括直流變流器、交流變流器、整流器、逆變器、變頻器等多種形式和用途。其中，變頻器在交流牽引中應用最多。

圖5 電動汽車電傳動系統組成圖例

以微電子技術和變頻技術為基礎的當代變頻器技術，不僅能夠實現精準調速，而且具備過載、過流和過壓等保護功能。因此，變頻牽引電機在高鐵和電動汽車電傳動中得到了十分廣泛的應用。在“低速恒轉矩，高速恒功率”的牽引模式中，合理設置變頻器的壓頻比，可以使車輛的動力性和經濟性達到完美統一。

牽引電機、牽引變流器及其控制系統組成汽車的電傳動系統(圖5)。3個組成部分是一個有機整體，而每一個組成部分又是一個復雜的系統工程。如牽引變流器由脈沖整流器、中間直流電路和逆變器3個模塊組成；脈沖整流器又由變頻器、交流接觸器組成；逆變器通過無接點控制裝置(如IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)控制濾波電容器輸入的電壓，輸出變頻變壓的三相交流電。

變頻器控制系統一般由濾波器、傳感器、顯示器、保護器、DSP(digital signal processing，數字信號處理器)、PLC(Programmable Logic Controller，可編程控制器)或計算機等組成。通過PLC或車載計算機設置電壓、電流、轉速、轉矩等控制參數后，牽引變流器就會根據DSP指令調頻調壓，進而調節牽引電機的速度和轉矩，驅動汽車運行。

2.2 變矩調速

采用變頻調速時，既可以取代機械變速器，實現無級變速，又很容易控制正反轉，還能夠高效回收再生制動能量。所以，交流電機牽引變頻器的研究和開發一度成為電力產業節能減排的重大課題。

IGBT芯片及模塊技術是電動汽車電機動力的“CPU”。單機直接驅動模式對牽引變流器的容量和精度要求比較高，不僅增加了車輛的功率密度負擔，同時提高了控制系統的配置成本。因此，動力與變速器組合的傳統驅動模式有了用武之地。電機與變速器組合驅動，有AT、MT、AMT、CVT、DSG多種變速器可供選擇。

圖6 電機—AMT控制系統

圖7 串聯式混合動力

圖8 定軸齒輪式混合動力結構圖

“Motor+AT”就是變矩調速系統。因為AT系統的主流是由液力變矩器和行星齒輪變速器構成的自動變速系統。其工作原理是自動操縱系統控制行星輪系各構件上的離合器與制動器，實現AT系統的自動變速。

變矩調速系統的突出優勢是，動力調速，起步平穩，性能可靠，應用廣泛。不足之處是結構復雜，效率較低，造價較高。

2.3 變擋調速

MT((Manual Transmission)是手動變速器，又稱手動擋，是歷史悠久的機械式傳統變速器。電機驅動力與MT系統匹配，性價比和傳動效率都比較突出，所以，廣泛應用于冷鏈運輸和城鄉快遞車輛。

電機驅動力也可以與AMT系統匹配，AMT從傳統的手動齒輪式變速器基礎上改進而來，是耦合了AT和MT兩者優點的機電液一體化自動變速器，既具有普通自動變速器自動變速的優點，又保留了原手動變速器齒輪傳動的效率高、成本低、結構簡單、易制造的長處，集成性好，容易布置，在公交車、大客車及重型卡車上運用較多。

電機與變速器組合驅動，一舉多得：既充分發揮了牽引電機轉速范圍寬的優勢，又巧妙集中了變速器減速增扭的價值，還有效降低了電機控制器的制造成本，使高速度、高效率與高牽引力相得益彰。

3 多種形式并存

電源牽引電機，電機驅動車輪。受電池容量、電池壽命等技術發展局限性的限制，車輛的續駛里程也總是不盡人意。為了增加續駛里程，人們在完善各種快速充電換電制度的同時，借助內燃機助力的增程式電動汽車也獲得了長足發展。

3.1 串聯式HEV

1901年巴黎車展上展出的羅納爾保時捷(Lohner— Porsche)，是世界上第一款油電混合汽車。由當時25歲的費迪南德·保時捷(Ferdinand Porsche)在1900年前后為其供職的Jacob Lohner公司開發制造，動力傳遞是通過內燃機轉動發電機，利用電力驅動裝有馬達的兩個電動輪前輪，是復合式電動汽車(Hybrid-Electric Vehicle，英文縮寫為HEV)的鼻祖，屬于串聯式混合動力。

在串聯式HEV中，發動機的作用是帶動發電機為蓄電池充電，驅動功能則完全由電機控制器完成，控制系統通過保持內燃機的最佳工況實現節能減排：汽車低速或低負荷行駛時，過剩的動力會變成電能儲存起來；高速或高負荷運轉時，電動機會自動工作，補充動力不足；發動機與電動機的最佳組合，兼容了“強勁動力”和“最低油耗”兩個看似相反的性能參數，有加速加載不加油、怠速空載不費油的省油優勢，所以在頻繁起步停車的短途公交車上應用較多。

3.2 并聯式HEV

與串聯式對應的是并聯式：電動機和內燃機并行布置，動力可以由兩者單獨提供或共同提供。在并聯混合動力系統中，電動機同時也是發電機，既能回收減速和制動能量發電，又能助力加速和加載。電動機產生的輔助動力通過分擔發動機負荷，降低發動機油耗和排放。

與雙電機耦合驅動類似，電動機和內燃機并聯，也有轉矩耦合、轉速耦合與功率耦合3種耦合方式，每種耦合方式又有若干種不同的耦合方法。如轉矩耦合就有傳動軸式、定軸齒輪式、皮帶輪或鏈輪組合式等3種不同的技術路線；轉速耦合有定子浮動電動機及行星齒輪式2種模式。

定子浮動電動機模式根據定子浮動的控制情況，又可以呈現3種不同工況(表3)。并聯式混合動力具有較高的能量傳遞效率，特別適合路況復雜的重型卡車及大型客車工況。

3.3 混聯式HEV

20世紀末，大氣污染加劇，燃油價格飆升，電動汽車升級到新能源的戰略高度，混合動力汽車進入現代化的發展階段。1997年12月誕生的第一款批量生產的混合動力豐田車，采用了能量傳遞效率更高的混聯動力模式。混聯式是在并聯的基礎上，將發電機和電動機分離開，使電動機在運轉過程中也能進行充電，動力系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉狀態，車輛能以串聯和并聯兩種模式工作，所以適用于輕型高端的物流車輛。

毋容置疑，并聯及混聯式HEV雖然系統復雜，成本也比較高，但卻是HEV從低端走向高端的突破口——不僅節能降耗，而且賦予了車主自由選擇動力方式的權利：油價低則燒油，電價低則用電。為了與優惠政策接軌，又有插入式混合動力問世——在普通混合動力系統的基礎上增加一套巨大的電池組及升壓用逆變器、充電用逆變器等充電裝置，不但可以用專用充電樁快速充電，還可使用家庭220 V電源緩慢充電，同時還能獲得牌照、補貼和購置附加稅減免等優惠。

圖9 定子浮動電動機

霧霾天氣新常態，呼喚汽車新能源。電動汽車歷久彌新，發動機與電機動力重組也讓新能源汽車左右逢源。有關研究表明，純電動汽車的能量利用率為30%～40%，而加速加載不加油的HEV的能量利用率為40～50%，在所有類型電動汽車中是最高的。正因為如此，許多人對HEV的細分市場情有獨鐘。

政策法規

19家機動車排放檢驗機構違規

環保部網站2016年6月21日發布消息稱，環境保護部近期聯合交通運輸部、國家認監委組織開展了機動車排放檢驗機構監督檢查工作，期間發現山東、遼寧、廣東、山西、河南5省共19家機動車排放檢驗機構存在違規問題。

檢查發現，部分檢驗機構存在內部管理制度不健全，檢驗設備維護保養不到位、不及時，檢測人員技術操作不規范等突出問題。

針對存在的問題，環境保護部要求5省環保廳：督促地方環保部門對檢驗機構存在的違法違規問題依法嚴肅查處，并督促檢驗機構整改到位，向社會公開處罰情況；加強省內檢驗機構排放檢驗情況的監督檢查，研究制定檢驗機構監管制度，組織開展業務培訓，督促地方環保部門依法實施監督管理；督促地方環保部門完善機動車排污監控平臺，與具備法定資質的檢驗機構實施聯網，加大檢驗機構運行監管力度，按期實現省市平臺與國家聯網。

據了解，19家違規機構中，山東省包括：濟南彩龍汽車檢測服務有限公司、濟南正通機動車安全檢測有限公司、濟寧恒潤機動車檢測有限公司、濟寧同太機動車尾氣檢測有限公司；遼寧省包括：大連夏家河子陸安機動車車輛檢測有限公司、大連眾森德泰機動車檢測有限公司、鞍山長風機動車檢測有限責任公司、鞍山寶潤機動車尾氣檢測有限公司；廣東省包括：廣州大昌行喜龍機動車檢測有限公司、廣州穗安環保科技發展有限公司、深圳市安茂華車輛檢測有限公司、深圳市中檢深二汽車檢測有限公司；山西省包括：太原市富明機動車檢測有限公司、太原市極限機動車尾氣檢測有限公司、晉中市榆次通泰汽車檢測有限公司、晉中市源達機動車尾氣檢測有限公司；河南省包括：鄭州嘉偉機動車檢測有限公司、鄭州大承汽車檢測有限公司、新鄉市宏發機動車檢測有限公司。