电动汽车的P挡控制及应急维修

◆文/广东 汪学慧 汪贵行

电动汽车的P挡控制及应急维修

◆文/广东 汪学慧 汪贵行

电动汽车的P挡是自动变速器的驻车挡(图1)，当换挡杆被推到P挡位时，通过变速器内换挡手柄对换挡摇臂的操纵，驱动停车锁杆上的锥形体将停车爪压下，此时变速器的锁止齿轮被停车爪销锁止不能转动，车辆不能移动称之为“驻车”。不论是在上坡道或下坡道，P挡都是车辆可靠停车的保证。电动汽车普遍装有P挡控制器，电动汽车上的P挡控制，其作用等同于传统自动变速器的“驻车挡”，此功能通过一个复杂的电机系统来完成。当前，从实际维修经验来看，由于与P挡控制相关的零件质量和使用等因素，国产电动汽车的P挡控制出现故障的频率较高。

图1 P挡电机安装在变速器上

一旦P挡被突然锁止不能释放，车辆则不能行驶，即便换挡杆拨到D或R挡，车辆仍然不能移动，使车友们措手不及十分尴尬。而一般初接触电动汽车的维修技师往往也对P挡控制原理不够熟悉，到现场救援后容易不知所措。即使有经验的维修技师，现场解决此问题也较为困难，导致最后只能拖车，使车主花费增加。针对此现象本文将主要介绍电动汽车P挡控制装置的结构及控制原理，以及当出现P挡故障时的简单应紧处理方法。

一、电动汽车的P挡控制装置

在电动汽车上实现P挡锁止齿轮的停车爪销结构如图2所示，图中的锥形推杆是可伸出或缩回的。当锥形推杆伸出时，停车爪被压下，其爪块卡在锁止齿轮的槽内，实现P挡的锁止功能；若锥形推杆是缩回状态，停车爪不被压下，依靠回位弹簧的作用，停车爪被弹起则释放锁止齿轮，这时锁止齿轮能旋转，车辆则可正常行驶。而锥形推杆的伸缩平移则是由上方的P挡驱动轴来推动的，图2中的波形弹簧有使锥形推杆定位的作用。

1.P挡控制装置

P当控制装置主要包括：P挡锁止电机、电机控制器、霍尔式锁止位置传感器、P位按钮(雷达感应按钮)、挡位控制器等。在图2上方的P挡驱动轴是由P挡电机来驱动的，它直接安装在变速器整体的侧面，由于电机要产生较大的推力，受空间体积的限制，其控制方式与结构较为复杂。

P位按钮在换挡杆处于P位时，能自动产生信号，电机控制器和挡位控制器是独立存在的，电机控制器安装在驾驶员座椅下方，挡位控制器装于驾驶室中控台换挡操纵机构的前方，而P挡锁止电机装在变速器侧面，锁止电机内部有霍尔式位置传感器，两者是集成一体装的。P挡电机控制器的作用是控制P挡电机的旋转，在P位时会自动锁止变速器的输出，完成对P挡电机的转动控制，以实现爪销锁止对其输出齿轮的锁止作用。而当换挡杆不在P挡时则电机反转，带动锥形推杆缩回，直到停车爪销释放锁止齿轮，这时车辆则可以行驶。

2.P挡电机采取开关磁阻电机

P挡电机采取体积极小巧的特殊开关磁阻电机，它也属于一种交流异步电机，但其低速和起始的输出转矩较大。开关磁阻电机利用磁铁吸引铁质材料的性质，电机的定子铁芯由导磁良好的硅钢片冲制，有多个偶数的凸齿极，其上绕有线圈，当通电后会产生旋转磁性；转子铁芯有比定子较少的凸极，它不是采用永磁材料，是由导磁良好的硅钢片冲制叠成。磁阻电机是利用磁阻变化原理来产生转矩的，是由定子与转子间气隙中磁阻的变化产生的。当定子绕组轮流通电时，产生一个单相磁场，遵循“磁阻最小原则”，利用磁拉力即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，如同橡皮筋有收缩的性质，如图3所示，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，有磁拉力作用在转子上并产生转矩，使其趋向于磁阻最小的位置。使两轴线重合，类似于磁铁吸引铁材料的现象，开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。

图2 P挡锁止齿轮的停车爪销结构

图3 三相12/8极磁阻电机的旋转原理图

电动汽车上的P电机通常采取三相12/8极的磁阻电机，英文简称为SRD开关磁阻电机，其定子为三相有12个极，转子为8个凸极，需要专门的三相变频器为它供电，其结构如图3。当定子线圈轮流通上交流电，一个通电周期为三相六个节拍。转子被定子的旋转磁场形成的磁拉力带动产生旋转运动。

磁阻电机的结构简单，定子上只有简单的集中绕组，转子上无任何绕组、不用永磁体和滑环等，甚至比鼠笼式电机更为简单。SRD电机的材料利用系数高，比直流电机或感应电机体积小、坚固、维护少。特别是有低速运行时转矩大的特点，电机的转矩与电流方向无关，只需电流激励，不会出现像交流电机变频器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路相对较简单，可靠性高，可在宽广的速度和负载范围内高效运行，有非常高效的调速性能。存在的不足之处主要是转矩脉动大、振动和噪声也较大磁阻电机的这些优点特别适合在电动汽车上应用，有极广阔的前景，将是下一代汽车使用的主要驱动电机。

3.P挡电机中电机控制器的控电功能

P挡磁阻电机之所以能产生旋转，需要对它供给三相交流电，P挡电机控制器给电机提供三相交流电，其工作电压为13±0.2V。在电机控制器内有一个三相逆变器就是完成此项功能的，它能将汽车上蓄电池的直流电转变为三相交流电，这就是逆变器的电子开关作用。

4.电机内部“摆轮”式减速机构

其特点是能产生很大的减速比，电机的输出转速减慢到只有5.8r/min，可获达7.5N·m的输出力矩，足够驱动停车爪的运作。摆轮减速机构内有叶轮和摆轮等部件，其结构如图4所示。

图4 P挡电机的解剖图

从图4P挡电机的解剖的图上可知，左边带黄色的为磁阻电机的定子有12极，通入三相交流电，电机的中部电路板上是霍尔式位置传感器的电子信号部分，在图右端盖的中间为固定的齿圈，齿圈有61齿。图上左上方为磁阻电机的8极转子，转子旋转时通过轴承下方的一个偏心圆，能驱动带外齿的摆轮旋转，摆轮上有60个齿。固定齿圈与摆齿构成了一个大速比的减速器，当电机转子旋转60圈时，摆轮才旋转一圈。摆轮的背面装了一个法兰盘(图4中部带九孔的圆板)，圆板背面的中央有一个花键套，通过花键套与P挡锁止机构的“P挡驱动轴”(图2)相配。由于电机有减速机构，所以电机的最大输出转矩被放大到7.5～7.8N·m，对驱动P挡锁止齿轮的停车爪销伸缩是有利的。

5.电机内部霍尔式位置传感器

用于检测爪销对输出齿轮的锁止状况。同时P挡控制器还接收安装在电机一体的霍尔式位置传感器传来的信号，检测电机旋转到限位时，即换挡杆在P挡位时，电机带动锥形推杆伸出，让停车爪销锁止锁止齿轮的信号，一旦车辆被锁止后，电机也立即断电并停止旋转。如果换挡杆不在P位时，则电机反转推动锥形推杆缩进，使停车爪销释放锁止齿轮，能让车辆行驶，同样当释放锁止齿轮后，电机也会自动停止供电。霍尔式传感器就是专门检测车辆是否在P锁止位置的，在电机8极转子的背面中部有一个永磁体随转子一道旋转，霍尔式位置传感器能感应出转子瞬间到达的位置，以控制变频器对电机的供电。

二、P挡故障的应紧处理方法

当电动车出现P挡被锁止不能释放，车辆不能行驶故障时，因为现场维修很困难，通常的做法是请大型拖车将车辆拖到专业维修厂去修理，车主不仅要耽误较长时间，还需要支付较高的拖车费和维修费。P挡电机是安装在变速器的侧面，其上有DC-DC转换器才可接触到P挡控制器，现场维修需要卸下变频器上的进出冷却水管，动力电池的橙色直流高压线和三相高压输出线，以及控制线束的接插件和固定螺丝等，还要带上补充防冻液，工作量大也很不安全。能不能用简便的方法，灵活地应急处置一下，让车辆能正常运行，或能开到修理厂再进行处理呢？

1.P挡锁止电机的控制过程分析

图5是P挡的控制逻辑图，当换挡杆不在P挡，即在D挡、R挡或N挡时，如图5中黑体字所述，实行解锁的逻辑控制，通过P挡电机控制器将解锁命令传给P挡电机，电机旋转将锁止机构的锥形推杆缩回，P挡锁止机构被释放，则车辆可行驶。当P挡被释放，电机完成任务后就会自动停止运转。反之，当换挡杆在P挡时，如图5下方一行紫红色字所述，车辆则实行锁止的逻辑控制，此时P挡电机控制器将锁止信号给P挡电机，电机逆向旋转将锁止机构的锥形推杆伸出，P挡锁止机构被锁止，则车辆不能移动。同样当P挡被锁止后，也会自动停止电机的运转。

图5 P挡及非P挡的的逻辑控制

2.换N挡的操作办法

一旦P挡位出现异常迹象时，如不易换D挡和R挡，或车辆不能实现行驶状况时，表明P挡电机本身或P挡控制器可能出现了故障。这在停车时，车友们可将换挡杆放于N挡，拉上驻车制动器即可驻车，切不可按往常的操作方法，将换挡杆放在P位，然后及时将车开到维修厂去修理。其实这时车辆是可以运行的，只是缺了P挡，车友应注意在停车时需要记住这种操作方法，就是切记换挡杆回避P位！这样P挡锁止装置不运作，就是不让P 挡被锁的现象发生。注意在停车时应选择在平坦道路，还一定要拉紧驻车制动器！

3.检查和更换低压蓄电池

P挡的磁阻电机由车上的低压蓄电池供电，而不使用动力电池的高压电。P挡电机控制器的电路原理图如图6所示，蓄电池提供的电机电源，经P挡继电器后流向磁阻电机，轮流通过三相磁阻电机的定子线圈，流向P挡电机控制器中的电子开关，即三相逆变器后，再流回电源的负极而构成回路。如果蓄电池使用较长时间电压不足时，磁阻电机的工作电压不足，也会造成电机输出的驱动转矩下降。若是车辆停在坡道上，停车爪与锁止齿轮间产生侧边摩擦阻力，可能会加重P挡电机的负荷，如果蓄电池的电压不足，也会造成P挡无法释放的情形，这时更换蓄电池可能是解决此故障的一种方法。

图6 P挡电机控制器的电路原理图

4.采取反向旋转磁阻电机的P挡拔出法

虽然采取换N挡的操作办法可回避P挡锁止，但车主们往往在不经意间，习惯性地会将换挡杆放回到P位，又产生P挡被异常锁止，出现车辆无法行驶的现象。为此我们在处理这种故障时，特别采取了“反向旋转电机”的P挡拔出法。具体操作的方法是，找到P挡电机控制器，如比亚迪F3DM、秦牌和唐牌车，P挡电机控制器装于驾驶员座椅下方，将座椅尽量向前推移，可方便地对P挡电机控制器上接插件进行拨下操作。

如图6所示，“三相电子开关逆变器为电机提供三相交流电回路。图6中还有从P挡电机反馈回来的霍尔式位置传感器的蓝、灰、紫色三条线，以及经挡位控制器及驱动电机控制器来的、通讯用的CAN总线蓝、橙两条线。此外还有供电的低压火线和搭铁线，P挡继电器的控制线等。其中从三相逆变器与P挡电机连接的共有九条线，从图7可见九条线分为三组，每组三条线是并联在一起的，线色分别是三条蓝/红（L/R）线、三条蓝/黑（L/B）线和三条黄/绿（Y/G）线。

如果发生换挡杆放回到P位产生被异常锁止，车辆无法行驶的尴尬情况时，可将P挡电机控制器上三相逆变器到P挡电机的三相交流电进行换相操作。即将蓝/黑线、黄/绿线剪断后，将蓝/黑线与黄/绿线交错对接，具体见图7所示的“一、交错相线，电机逆转”。

将输出到三相磁阻锁止电机的蓝/黑线与黄/绿线交错对接后，此时换挡杆仍停留在P位，此时车辆再进行正常通电操作，仔细听可听到P挡电机反转的响声，表明P挡锁止已经被释放了。此时千万不要移动换挡杆，要是换挡杆保持在P位不动，并将P挡电机控制器上交错对接的蓝/黑线与黄/绿线断开，切断P挡电机的供电线，此时电机则无法旋转，只能保持在释放位置。如图7的“二、保持P挡状态下剪断二条相线”，车辆此时已恢复到可行驶的状况。之后，不管换挡杆放置在什么位置，P挡均不能被锁止。对已断开的蓝/黑线与黄/绿线均应单独进行绝缘包扎，防止其发生短路再连接。

值得特别提醒的是，经过上述处理的车辆，切记在停车时应选择在平坦处，不要在坡道上驻车！并应保持手刹功能良好，以防止出现坡道滑车事故！建议车辆最好开到专业维修厂进行正规化的维修，如图7的“三、行驶进厂维修”所指。

其实，P挡控制功能只是驻车锁住汽车，使其不能移动，由于现在电动汽车的P挡控制方法存在的故障频率较多，有些国产的电动汽车则已经对这种控制方法进行了改进，如2016年款的比亚迪电动汽车，就取消了传统的P挡控制方式，用加强手刹来锁止车辆。

图7 三相磁阻电机的换相操作