◆文/山東 劉春暉

一、驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)參數(shù)

如圖1所示，奧迪e-tron電動車平臺和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車平臺是有所不同的，兩臺異步電機(jī)分別位于前后軸，電池位于車身的中間，布局在車底位置。位于前軸的電機(jī)(圖2)最大功率是125kW，boost模式下能夠達(dá)到135kW。位于后軸的電機(jī)(圖3)最大功率140kW，在boost模式可以爆發(fā)165kW。多數(shù)時間下，e-tron都只靠后軸的電機(jī)驅(qū)動，需要時轉(zhuǎn)化為四驅(qū)模式。這兩臺電動機(jī)，最大功率合計為265kW，峰值扭矩561N·m，0-100km/h加速時間為6.6s，要是增壓boost模式下，0-100km/h加速時間可以達(dá)到5.7s。奧迪e-tron配備了95kW時的鋰離子電池，電池單次充電可以行駛400km。

圖1 奧迪e-tron異步電機(jī)的安裝位置

圖2 位于前軸的電機(jī)

圖3 位于后軸的電機(jī)

動力電機(jī)內(nèi)部集成減速齒輪組，減小尺寸。同時電機(jī)上部集成電機(jī)驅(qū)動功率逆變器。進(jìn)一步簡化高壓布線，使得純電總成更緊湊。電驅(qū)動橋既保證了高功率密度，又能夠很好地適應(yīng)后軸空間嚴(yán)苛的要求。更高的功率密度需要更好的電機(jī)熱管理系統(tǒng)。奧迪e-tron引入了高效的前后軸電驅(qū)動橋電機(jī)電控水冷系統(tǒng)。前橋電驅(qū)動裝置采用的APA 250平行軸式異步電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1，后橋電驅(qū)動裝置采用的AKA 320同軸式異步電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 APA 250平行軸式異步電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 AKA 320同軸式異步電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

2.驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)

奧迪e-tron車上使用的驅(qū)動電機(jī)是異步電機(jī)。每個電機(jī)的主要部件有：帶有3個呈120°布置銅繞組(U，V，W)的定子，轉(zhuǎn)子(鋁制籠型轉(zhuǎn)子)。轉(zhuǎn)子把轉(zhuǎn)動傳入齒輪箱。為了能達(dá)到一個較高的功率密度，靜止不動的定子與轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子之間的氣隙就得非常小。電機(jī)與齒輪箱合成一個車橋驅(qū)動裝置。

車橋驅(qū)動裝置有兩種不同類型，其區(qū)別體現(xiàn)在電機(jī)相對于車橋的布置上。前橋上采用平行軸式電機(jī) (APA 250)來驅(qū)動車輪，后橋則采用同軸式電機(jī)(AKA 320)來驅(qū)動車輪。前橋和后橋上每個交流驅(qū)動裝置都有一根等電位線連著車身。

驅(qū)動電機(jī)(圖4)由冷卻液接口、帶密封件的交流電連接、定子水套、帶兩個極對的定子、轉(zhuǎn)子、基于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置傳感器和電機(jī)溫度傳感器組成。圖5為前橋電驅(qū)動電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。

圖4 前橋電驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖5 前橋電驅(qū)動電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

3.驅(qū)動電機(jī)功能

驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動過程如圖6所示，定子是通過功率電子裝置來獲得交流電供給的。銅繞組內(nèi)的電流會在定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁通量(旋轉(zhuǎn)的磁場)，這個旋轉(zhuǎn)磁場會穿過定子。如圖7所示，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動要稍慢于定子的轉(zhuǎn)動磁場(這就是異步的意思)，這個差值我們稱之為轉(zhuǎn)差率(轉(zhuǎn)差率表示的是轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)磁場之間的轉(zhuǎn)速差，也叫滑差率)。于是就在轉(zhuǎn)子的鋁制籠內(nèi)感應(yīng)出一個電流，轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的磁場會形成一個切向力，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，疊加的磁場就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。

圖6 驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動過程

圖7 驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)理

4.電機(jī)扭矩//轉(zhuǎn)速建立

在電驅(qū)動模式時，功率電子裝置將高壓蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電(交流)，這個轉(zhuǎn)換是通過脈沖寬度調(diào)制來進(jìn)行的。轉(zhuǎn)速是通過改變頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的，電驅(qū)動裝置電機(jī)V662和V663的扭矩是通過改變單個脈沖寬度的接通時間進(jìn)行調(diào)節(jié)的(圖8、圖9)。如在一臺有2個極對的異步電機(jī)上要想達(dá)到1000r/min這個旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，需要使用33.34Hz的交流電。因受到異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率的限制，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得要慢些。

圖8 頻率越高轉(zhuǎn)速就越高

圖9 PWM信號的接通時間越長扭矩就越大

二、驅(qū)動電動汽車的行駛動力學(xué)特性

1.起步特性

奧迪e-tron車上有兩種不同的起步特性：在“正?！毙旭偰Ｊ綍r，整個驅(qū)動控制力爭獲得一個均衡的行駛方式。如果在行駛擋S時同時踏下加速踏板和制動踏板，那么功率表就會開始閃爍，這與ESC(電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))此時是接通還是關(guān)閉無關(guān)。隨后動力系統(tǒng)就會“處于預(yù)備狀態(tài)”，以便讓電機(jī)能更快地克服起步力矩。自動變速器的那種蠕動特性，在奧迪e-tron 上是沒有的。

2.坡路的起步

如果把奧迪e-tron 車上的起步輔助系統(tǒng)關(guān)閉了，其行駛特性如下：如果車輛停在坡路上且掛入了某個行駛擋，那么在松開制動器后，車輛會溜車。如果溜車方向與所掛的行駛擋方向相反，那么ESC控制單元會把溜車車速限制為1km/h。如果溜車方向與所掛的行駛擋方向相同，就不會有制動過程了。在接通了起步輔助系統(tǒng)的情況下，ESC會讓車輛保持不動。

3.倒車

如果掛入R擋，那么功率電子裝置會轉(zhuǎn)動電場，也就是轉(zhuǎn)動磁場，于是電機(jī)就反轉(zhuǎn)。最高車速通過限制驅(qū)動力矩而得到限制。車速信號是基于ESC(ABS控制單元J104)的。

4.電機(jī)用作驅(qū)動電機(jī)

如果電機(jī)是作為驅(qū)動電機(jī)來使用，那么發(fā)動機(jī)控制單元J623會把驅(qū)動請求發(fā)送至前橋和后橋的功率電子裝置上。功率電子裝置會把所需要的電壓以交流電壓的形式提供給電機(jī)使用。后部交流驅(qū)動裝置VX90效率更高，在能量回收以及在驅(qū)動車輛時，是起主要作用的。

5.電機(jī)用作發(fā)電機(jī)

要想在車輛行駛中讓電機(jī)產(chǎn)生充電電流，那么在減速超速和制動過程中，是把電機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)來使用的。在減速超速工況時，功率電子裝置會讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快于定子磁場(負(fù)轉(zhuǎn)差率)。于是就在定子內(nèi)感應(yīng)出一個交流電壓，功率電子裝置利用該電壓形成高壓蓄電池的充電電流。

6.慣性滑行模式(空載模式)時的電機(jī)

要想切換到慣性滑行模式，前、后電機(jī)扭矩會被調(diào)節(jié)至0，以抵消摩擦損失。

三、驅(qū)動電機(jī)冷卻系統(tǒng)

1.前后橋電機(jī)冷卻

奧迪e-tron電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用了熱泵技術(shù)，熱泵系統(tǒng)包含車內(nèi)空調(diào)和熱交換系統(tǒng)、壓縮機(jī)、冷卻裝置(chiller)和動力電機(jī)廢熱回收裝置。如圖10所示，前橋和后橋上的電驅(qū)裝置通過低溫循環(huán)管路水冷，定子和轉(zhuǎn)子上都有冷卻液流過。尤其是附帶的轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻，在持續(xù)功率輸出和峰值功率方面具有重要意義。在前橋上，功率電子控制器和電機(jī)彼此串聯(lián)在冷卻環(huán)路中。冷卻液首先流經(jīng)功率電子控制器，然后流經(jīng)前橋電機(jī)內(nèi)部的“水槍”對轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻，之后流經(jīng)定子水套返回循環(huán)管路中。在后橋上，冷卻液首先流經(jīng)功率電子控制器，隨后流經(jīng)定子冷卻水套之后流經(jīng)轉(zhuǎn)子內(nèi)的“水槍”，最后返回循環(huán)管路。

圖10 前橋和后橋電機(jī)冷卻系統(tǒng)

(未完待續(xù))