电机之计

宋喜秀

电机之计

宋喜秀

专用汽车触电，越来越为常见；电机牵引汽车，多彩技术路线。与工业电机的作业环境相比，专用汽车工况复杂、耗电快，机械性能要求高。为此，车用牵引电机采取了一系列应对之策。

电机按照用途分为驱动用电机和控制用电机2大类。电动汽车的驱动电机，又称牵引电机，属于驱动用电机。驱动电机把电源电能转化为汽车机械能的过程，是电压、电流、频率、波形等电能参数与转速、转矩、转动惯量、功率等机械能参数的合理匹配过程。匹配合理，电机及其控制系统既能物尽其用、又可延长寿命；匹配不合理，欲速则不达，还会造成电机或整车的功能浪费。

专用汽车的动力性包括最高速度、加速时间和爬坡能力3个指标。除此之外，电动汽车还有续驶里程要求。所以，电动专用汽车的动力驱动系统应该满足如下4项基本要求：

(1)转矩要求：转矩密度高，满足频繁启动、负荷爬坡、瞬间加速等复杂工况的动态转矩特性。

(2)调速要求：转速范围宽，能够形成比较经济的动态转速特性。

(3)效率要求：传动效率最优化，有比较理想的动力性能和续驶里程。

图1 牵引电机的变量关系图

(4)成本要求：性价比最大化。比功率小，可靠性高，工艺性好的低成本驱动。

电源电能转化为汽车机械能的结果，是电机的电磁转矩Te、汽车传递的负载转矩TL与电机转速n达到动态平衡：

Te-TL=J.dn/dt

以上平衡方程有多种解决方案，经过优化对比，机电工程师们普遍选择了“低速恒转矩，高速恒功率”的牵引模式(图1)。

1 电机直驱

面对复杂多变的作业工况，牵引电机的应对之策应是因车制宜。对于低负荷、低转速汽车来说，电机的负载功率不高，可以根据配置要求，选用相应类型、必要数量的电机直接驱动。4种主流电机机械性能见表1。

1.1 电机的由来

单机驱动最常用的电机是直流串励电机，直流串励电机的特点是定子的励磁电流等于转子的电枢电流，转矩形成原理简单，速度调节容易。电机的电枢电流Ia(A)及气隙磁通φ(Wb)直接决定电磁转矩：

表1 4种主流电机性能比较

图2 电动轮矿用自卸车

图3 转速耦合模式

图4 功率耦合模式

其中，CT、Cφ分别为电磁转矩系数和磁通系数。

而电机的电磁转矩、转子转速与额定功率又是相辅相成的依存关系：

P=Te.n/9 550

所以，只要改变电机的输入电流，就能很方便地在较大范围内实现对转矩和速度的调节，调节过程中的各种变量关系见图1。直流串励电机在额定功率条件下功率基本恒定，使其获得了低速大转矩和高速低转矩的天然优势——与作业类车辆的机械特性不谋而合。直流串励电机广泛应用于环卫车、观光车、平板运输车等工况简单的专用车上。

直流电动机是直流激磁，电机的电枢电流是由电刷和换向器引入的，电刷、换向器容易磨损、烧蚀，接触部分也存在有摩擦损失。同时，这种电机因为带有整流子，所以体积庞大，而且制造和维修过程比较复杂。转子转角传感器和电子开关控制器的发明，取代了电刷和换向器，诞生了直流无刷电机，人们开始倾向于应用无刷电机。其中，永磁无刷电机，是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电机，可以通过改变电枢电压来方便地调速，是小功率直流电机的换代机型，1990年代以前，电机驱动装置一直沿用直流电机直接驱动。

1882—1888年南斯拉夫出生的美国发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)发明了交流电机。交流电机又称感应电机，无换向火花，也无需整流，因为结构简单，性能可靠，转速范围宽，所以后来居上，特别适合于高速重载运输。

对于高速或高负载汽车而言，单机配置相对困难，可以选择双机乃至于多机驱动模式。双电机驱动根据电机关系又有双电机独立驱动与耦合驱动2种不同形式。

1.2 双电机驱动

驱动轴两端的两个驱动电机并驾齐驱模式，称为双电机独立驱动。包括轮边电机驱动与轮毂电机驱动。

轮边驱动是将牵引电机与轮边减速器巧妙集成的电动轮驱动桥技术——将一对牵引电机分别安装在驱动桥两侧驱动轮的边缘内，通过一个很薄的行星齿轮减速机构实现减速增扭。装备轮边驱动电机，既可以提高车轮的直接驱动力，又能够增加车桥的通过性，所以，广泛应用于重型货车、大型客车、越野汽车及其它一些大型工矿用车辆上。

轮毂电机驱动是将轮毂与电机集成一体，以控制轮毂电机转速，也就等于控制电动汽车的车速了。当然，用于集成的电机必须是外转子型电机。轮毂电机一体化模式对技术和工艺要求比较高，实际应用并不是很多。

双电机独立驱动时，一对电机相互独立，互不干涉，不但需要相对独立的2套控制系统，而且对车轮及车桥的布置空间要求也比较高。相比较而言，双电机耦合模式则能取长补短。

1.3 耦合驱动

双电机耦合驱动有转矩耦合、转速耦合与功率耦合3种技术方案。

转矩耦合是把辅助电机通过固定速比的大速比减速机输出大转矩，弥补主牵引电机的动力不足，与主牵引电机共同驱动，全程参与动力牵引，提高整车的负载、加速与爬坡能力。

转速耦合模式(图3)：A、B两个牵引电机通过行星齿轮耦合，低速时，齿圈锁止，电机B静止不动，电机A通过中心轮减速增扭，以较大转矩驱动车辆；当车速增加到某一设定值时，齿圈解锁，电机B开始工作，与电机A耦合，形成更高的行星速度牵引车辆高速运行。

表2 功率耦合选项表

功率耦合模式(图4)，是转矩耦合与转速耦合、A电机驱动与B电机驱动方案的排列组合模式。对具体排列组合的选择由一组离合器控制，各种结果如表2。

转矩耦合增转矩，转速耦合加转速，功率耦合选项多，转速转矩皆满足。无论是单电机驱动，还是双电机驱动，电机直驱模式，初步显示了电力驱动的无比优越性。

2 交流电机

转速与转矩、转速范围与传动效率是对立统一的矛盾关系。交流牵引电机虽然在功能、性能、体积、质量、制造成本及可靠性方面都比直流电机优越得多，但是因为速度范围过于宽大，所以调速比较困难。随着液力变矩器、大功率晶闸管变流器、AMT变速器技术的发展，各种先进的变速变矩变流变压技术应运而生。

2.1 变流调速

研究发现，在电源与电机之间加装变流器，从改善电机的输入特性入手，可以改变电机的输出特性。变流器用途丰富多彩，包括直流变流器、交流变流器、整流器、逆变器、变频器等多种形式和用途。其中，变频器在交流牵引中应用最多。

图5 电动汽车电传动系统组成图例

以微电子技术和变频技术为基础的当代变频器技术，不仅能够实现精准调速，而且具备过载、过流和过压等保护功能。因此，变频牵引电机在高铁和电动汽车电传动中得到了十分广泛的应用。在“低速恒转矩，高速恒功率”的牵引模式中，合理设置变频器的压频比，可以使车辆的动力性和经济性达到完美统一。

牵引电机、牵引变流器及其控制系统组成汽车的电传动系统(图5)。3个组成部分是一个有机整体，而每一个组成部分又是一个复杂的系统工程。如牵引变流器由脉冲整流器、中间直流电路和逆变器3个模块组成；脉冲整流器又由变频器、交流接触器组成；逆变器通过无接点控制装置(如IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)控制滤波电容器输入的电压，输出变频变压的三相交流电。

变频器控制系统一般由滤波器、传感器、显示器、保护器、DSP(digital signal processing，数字信号处理器)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)或计算机等组成。通过PLC或车载计算机设置电压、电流、转速、转矩等控制参数后，牵引变流器就会根据DSP指令调频调压，进而调节牵引电机的速度和转矩，驱动汽车运行。

2.2 变矩调速

采用变频调速时，既可以取代机械变速器，实现无级变速，又很容易控制正反转，还能够高效回收再生制动能量。所以，交流电机牵引变频器的研究和开发一度成为电力产业节能减排的重大课题。

IGBT芯片及模块技术是电动汽车电机动力的“CPU”。单机直接驱动模式对牵引变流器的容量和精度要求比较高，不仅增加了车辆的功率密度负担，同时提高了控制系统的配置成本。因此，动力与变速器组合的传统驱动模式有了用武之地。电机与变速器组合驱动，有AT、MT、AMT、CVT、DSG多种变速器可供选择。

图6 电机—AMT控制系统

图7 串联式混合动力

图8 定轴齿轮式混合动力结构图

“Motor+AT”就是变矩调速系统。因为AT系统的主流是由液力变矩器和行星齿轮变速器构成的自动变速系统。其工作原理是自动操纵系统控制行星轮系各构件上的离合器与制动器，实现AT系统的自动变速。

变矩调速系统的突出优势是，动力调速，起步平稳，性能可靠，应用广泛。不足之处是结构复杂，效率较低，造价较高。

2.3 变挡调速

MT((Manual Transmission)是手动变速器，又称手动挡，是历史悠久的机械式传统变速器。电机驱动力与MT系统匹配，性价比和传动效率都比较突出，所以，广泛应用于冷链运输和城乡快递车辆。

电机驱动力也可以与AMT系统匹配，AMT从传统的手动齿轮式变速器基础上改进而来，是耦合了AT和MT两者优点的机电液一体化自动变速器，既具有普通自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处，集成性好，容易布置，在公交车、大客车及重型卡车上运用较多。

电机与变速器组合驱动，一举多得：既充分发挥了牵引电机转速范围宽的优势，又巧妙集中了变速器减速增扭的价值，还有效降低了电机控制器的制造成本，使高速度、高效率与高牵引力相得益彰。

3 多种形式并存

电源牵引电机，电机驱动车轮。受电池容量、电池寿命等技术发展局限性的限制，车辆的续驶里程也总是不尽人意。为了增加续驶里程，人们在完善各种快速充电换电制度的同时，借助内燃机助力的增程式电动汽车也获得了长足发展。

3.1 串联式HEV

1901年巴黎车展上展出的罗纳尔保时捷(Lohner— Porsche)，是世界上第一款油电混合汽车。由当时25岁的费迪南德·保时捷(Ferdinand Porsche)在1900年前后为其供职的Jacob Lohner公司开发制造，动力传递是通过内燃机转动发电机，利用电力驱动装有马达的两个电动轮前轮，是复合式电动汽车(Hybrid-Electric Vehicle，英文缩写为HEV)的鼻祖，属于串联式混合动力。

在串联式HEV中，发动机的作用是带动发电机为蓄电池充电，驱动功能则完全由电机控制器完成，控制系统通过保持内燃机的最佳工况实现节能减排：汽车低速或低负荷行驶时，过剩的动力会变成电能储存起来；高速或高负荷运转时，电动机会自动工作，补充动力不足；发动机与电动机的最佳组合，兼容了“强劲动力”和“最低油耗”两个看似相反的性能参数，有加速加载不加油、怠速空载不费油的省油优势，所以在频繁起步停车的短途公交车上应用较多。

3.2 并联式HEV

与串联式对应的是并联式：电动机和内燃机并行布置，动力可以由两者单独提供或共同提供。在并联混合动力系统中，电动机同时也是发电机，既能回收减速和制动能量发电，又能助力加速和加载。电动机产生的辅助动力通过分担发动机负荷，降低发动机油耗和排放。

与双电机耦合驱动类似，电动机和内燃机并联，也有转矩耦合、转速耦合与功率耦合3种耦合方式，每种耦合方式又有若干种不同的耦合方法。如转矩耦合就有传动轴式、定轴齿轮式、皮带轮或链轮组合式等3种不同的技术路线；转速耦合有定子浮动电动机及行星齿轮式2种模式。

定子浮动电动机模式根据定子浮动的控制情况，又可以呈现3种不同工况(表3)。并联式混合动力具有较高的能量传递效率，特别适合路况复杂的重型卡车及大型客车工况。

3.3 混联式HEV

20世纪末，大气污染加剧，燃油价格飙升，电动汽车升级到新能源的战略高度，混合动力汽车进入现代化的发展阶段。1997年12月诞生的第一款批量生产的混合动力丰田车，采用了能量传递效率更高的混联动力模式。混联式是在并联的基础上，将发电机和电动机分离开，使电动机在运转过程中也能进行充电，动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转状态，车辆能以串联和并联两种模式工作，所以适用于轻型高端的物流车辆。

毋容置疑，并联及混联式HEV虽然系统复杂，成本也比较高，但却是HEV从低端走向高端的突破口——不仅节能降耗，而且赋予了车主自由选择动力方式的权利：油价低则烧油，电价低则用电。为了与优惠政策接轨，又有插入式混合动力问世——在普通混合动力系统的基础上增加一套巨大的电池组及升压用逆变器、充电用逆变器等充电装置，不但可以用专用充电桩快速充电，还可使用家庭220 V电源缓慢充电，同时还能获得牌照、补贴和购置附加税减免等优惠。

图9 定子浮动电动机

雾霾天气新常态，呼唤汽车新能源。电动汽车历久弥新，发动机与电机动力重组也让新能源汽车左右逢源。有关研究表明，纯电动汽车的能量利用率为30%～40%，而加速加载不加油的HEV的能量利用率为40～50%，在所有类型电动汽车中是最高的。正因为如此，许多人对HEV的细分市场情有独钟。

政策法规

19家机动车排放检验机构违规

环保部网站2016年6月21日发布消息称，环境保护部近期联合交通运输部、国家认监委组织开展了机动车排放检验机构监督检查工作，期间发现山东、辽宁、广东、山西、河南5省共19家机动车排放检验机构存在违规问题。

检查发现，部分检验机构存在内部管理制度不健全，检验设备维护保养不到位、不及时，检测人员技术操作不规范等突出问题。

针对存在的问题，环境保护部要求5省环保厅：督促地方环保部门对检验机构存在的违法违规问题依法严肃查处，并督促检验机构整改到位，向社会公开处罚情况；加强省内检验机构排放检验情况的监督检查，研究制定检验机构监管制度，组织开展业务培训，督促地方环保部门依法实施监督管理；督促地方环保部门完善机动车排污监控平台，与具备法定资质的检验机构实施联网，加大检验机构运行监管力度，按期实现省市平台与国家联网。

据了解，19家违规机构中，山东省包括：济南彩龙汽车检测服务有限公司、济南正通机动车安全检测有限公司、济宁恒润机动车检测有限公司、济宁同太机动车尾气检测有限公司；辽宁省包括：大连夏家河子陆安机动车车辆检测有限公司、大连众森德泰机动车检测有限公司、鞍山长风机动车检测有限责任公司、鞍山宝润机动车尾气检测有限公司；广东省包括：广州大昌行喜龙机动车检测有限公司、广州穗安环保科技发展有限公司、深圳市安茂华车辆检测有限公司、深圳市中检深二汽车检测有限公司；山西省包括：太原市富明机动车检测有限公司、太原市极限机动车尾气检测有限公司、晋中市榆次通泰汽车检测有限公司、晋中市源达机动车尾气检测有限公司；河南省包括：郑州嘉伟机动车检测有限公司、郑州大承汽车检测有限公司、新乡市宏发机动车检测有限公司。