電動汽車的P擋控制及應(yīng)急維修

◆文/廣東 汪學(xué)慧 汪貴行

電動汽車的P擋控制及應(yīng)急維修

◆文/廣東 汪學(xué)慧 汪貴行

電動汽車的P擋是自動變速器的駐車擋(圖1)，當(dāng)換擋桿被推到P擋位時，通過變速器內(nèi)換擋手柄對換擋搖臂的操縱，驅(qū)動停車鎖桿上的錐形體將停車爪壓下，此時變速器的鎖止齒輪被停車爪銷鎖止不能轉(zhuǎn)動，車輛不能移動稱之為“駐車”。不論是在上坡道或下坡道，P擋都是車輛可靠停車的保證。電動汽車普遍裝有P擋控制器，電動汽車上的P擋控制，其作用等同于傳統(tǒng)自動變速器的“駐車擋”，此功能通過一個復(fù)雜的電機系統(tǒng)來完成。當(dāng)前，從實際維修經(jīng)驗來看，由于與P擋控制相關(guān)的零件質(zhì)量和使用等因素，國產(chǎn)電動汽車的P擋控制出現(xiàn)故障的頻率較高。

圖1 P擋電機安裝在變速器上

一旦P擋被突然鎖止不能釋放，車輛則不能行駛，即便換擋桿撥到D或R擋，車輛仍然不能移動，使車友們措手不及十分尷尬。而一般初接觸電動汽車的維修技師往往也對P擋控制原理不夠熟悉，到現(xiàn)場救援后容易不知所措。即使有經(jīng)驗的維修技師，現(xiàn)場解決此問題也較為困難，導(dǎo)致最后只能拖車，使車主花費增加。針對此現(xiàn)象本文將主要介紹電動汽車P擋控制裝置的結(jié)構(gòu)及控制原理，以及當(dāng)出現(xiàn)P擋故障時的簡單應(yīng)緊處理方法。

一、電動汽車的P擋控制裝置

在電動汽車上實現(xiàn)P擋鎖止齒輪的停車爪銷結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的錐形推桿是可伸出或縮回的。當(dāng)錐形推桿伸出時，停車爪被壓下，其爪塊卡在鎖止齒輪的槽內(nèi)，實現(xiàn)P擋的鎖止功能；若錐形推桿是縮回狀態(tài)，停車爪不被壓下，依靠回位彈簧的作用，停車爪被彈起則釋放鎖止齒輪，這時鎖止齒輪能旋轉(zhuǎn)，車輛則可正常行駛。而錐形推桿的伸縮平移則是由上方的P擋驅(qū)動軸來推動的，圖2中的波形彈簧有使錐形推桿定位的作用。

1.P擋控制裝置

P當(dāng)控制裝置主要包括：P擋鎖止電機、電機控制器、霍爾式鎖止位置傳感器、P位按鈕(雷達感應(yīng)按鈕)、擋位控制器等。在圖2上方的P擋驅(qū)動軸是由P擋電機來驅(qū)動的，它直接安裝在變速器整體的側(cè)面，由于電機要產(chǎn)生較大的推力，受空間體積的限制，其控制方式與結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

P位按鈕在換擋桿處于P位時，能自動產(chǎn)生信號，電機控制器和擋位控制器是獨立存在的，電機控制器安裝在駕駛員座椅下方，擋位控制器裝于駕駛室中控臺換擋操縱機構(gòu)的前方，而P擋鎖止電機裝在變速器側(cè)面，鎖止電機內(nèi)部有霍爾式位置傳感器，兩者是集成一體裝的。P擋電機控制器的作用是控制P擋電機的旋轉(zhuǎn)，在P位時會自動鎖止變速器的輸出，完成對P擋電機的轉(zhuǎn)動控制，以實現(xiàn)爪銷鎖止對其輸出齒輪的鎖止作用。而當(dāng)換擋桿不在P擋時則電機反轉(zhuǎn)，帶動錐形推桿縮回，直到停車爪銷釋放鎖止齒輪，這時車輛則可以行駛。

2.P擋電機采取開關(guān)磁阻電機

P擋電機采取體積極小巧的特殊開關(guān)磁阻電機，它也屬于一種交流異步電機，但其低速和起始的輸出轉(zhuǎn)矩較大。開關(guān)磁阻電機利用磁鐵吸引鐵質(zhì)材料的性質(zhì)，電機的定子鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制，有多個偶數(shù)的凸齒極，其上繞有線圈，當(dāng)通電后會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁性；轉(zhuǎn)子鐵芯有比定子較少的凸極，它不是采用永磁材料，是由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制疊成。磁阻電機是利用磁阻變化原理來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，是由定子與轉(zhuǎn)子間氣隙中磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組輪流通電時，產(chǎn)生一個單相磁場，遵循“磁阻最小原則”，利用磁拉力即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，如同橡皮筋有收縮的性質(zhì)，如圖3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，有磁拉力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使其趨向于磁阻最小的位置。使兩軸線重合，類似于磁鐵吸引鐵材料的現(xiàn)象，開關(guān)磁阻電機就是屬于這一類型的電機。

圖2 P擋鎖止齒輪的停車爪銷結(jié)構(gòu)

圖3 三相12/8極磁阻電機的旋轉(zhuǎn)原理圖

電動汽車上的P電機通常采取三相12/8極的磁阻電機，英文簡稱為SRD開關(guān)磁阻電機，其定子為三相有12個極，轉(zhuǎn)子為8個凸極，需要專門的三相變頻器為它供電，其結(jié)構(gòu)如圖3。當(dāng)定子線圈輪流通上交流電，一個通電周期為三相六個節(jié)拍。轉(zhuǎn)子被定子的旋轉(zhuǎn)磁場形成的磁拉力帶動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。

磁阻電機的結(jié)構(gòu)簡單，定子上只有簡單的集中繞組，轉(zhuǎn)子上無任何繞組、不用永磁體和滑環(huán)等，甚至比鼠籠式電機更為簡單。SRD電機的材料利用系數(shù)高，比直流電機或感應(yīng)電機體積小、堅固、維護少。特別是有低速運行時轉(zhuǎn)矩大的特點，電機的轉(zhuǎn)矩與電流方向無關(guān)，只需電流激勵，不會出現(xiàn)像交流電機變頻器那樣有電源直通短路的危險，所以功率變換器電路相對較簡單，可靠性高，可在寬廣的速度和負載范圍內(nèi)高效運行，有非常高效的調(diào)速性能。存在的不足之處主要是轉(zhuǎn)矩脈動大、振動和噪聲也較大磁阻電機的這些優(yōu)點特別適合在電動汽車上應(yīng)用，有極廣闊的前景，將是下一代汽車使用的主要驅(qū)動電機。

3.P擋電機中電機控制器的控電功能

P擋磁阻電機之所以能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，需要對它供給三相交流電，P擋電機控制器給電機提供三相交流電，其工作電壓為13±0.2V。在電機控制器內(nèi)有一個三相逆變器就是完成此項功能的，它能將汽車上蓄電池的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟?，這就是逆變器的電子開關(guān)作用。

4.電機內(nèi)部“擺輪”式減速機構(gòu)

其特點是能產(chǎn)生很大的減速比，電機的輸出轉(zhuǎn)速減慢到只有5.8r/min，可獲達7.5N·m的輸出力矩，足夠驅(qū)動停車爪的運作。擺輪減速機構(gòu)內(nèi)有葉輪和擺輪等部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 P擋電機的解剖圖

從圖4P擋電機的解剖的圖上可知，左邊帶黃色的為磁阻電機的定子有12極，通入三相交流電，電機的中部電路板上是霍爾式位置傳感器的電子信號部分，在圖右端蓋的中間為固定的齒圈，齒圈有61齒。圖上左上方為磁阻電機的8極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時通過軸承下方的一個偏心圓，能驅(qū)動帶外齒的擺輪旋轉(zhuǎn)，擺輪上有60個齒。固定齒圈與擺齒構(gòu)成了一個大速比的減速器，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60圈時，擺輪才旋轉(zhuǎn)一圈。擺輪的背面裝了一個法蘭盤(圖4中部帶九孔的圓板)，圓板背面的中央有一個花鍵套，通過花鍵套與P擋鎖止機構(gòu)的“P擋驅(qū)動軸”(圖2)相配。由于電機有減速機構(gòu)，所以電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩被放大到7.5～7.8N·m，對驅(qū)動P擋鎖止齒輪的停車爪銷伸縮是有利的。

5.電機內(nèi)部霍爾式位置傳感器

用于檢測爪銷對輸出齒輪的鎖止?fàn)顩r。同時P擋控制器還接收安裝在電機一體的霍爾式位置傳感器傳來的信號，檢測電機旋轉(zhuǎn)到限位時，即換擋桿在P擋位時，電機帶動錐形推桿伸出，讓停車爪銷鎖止鎖止齒輪的信號，一旦車輛被鎖止后，電機也立即斷電并停止旋轉(zhuǎn)。如果換擋桿不在P位時，則電機反轉(zhuǎn)推動錐形推桿縮進，使停車爪銷釋放鎖止齒輪，能讓車輛行駛，同樣當(dāng)釋放鎖止齒輪后，電機也會自動停止供電?；魻柺絺鞲衅骶褪菍ｉT檢測車輛是否在P鎖止位置的，在電機8極轉(zhuǎn)子的背面中部有一個永磁體隨轉(zhuǎn)子一道旋轉(zhuǎn)，霍爾式位置傳感器能感應(yīng)出轉(zhuǎn)子瞬間到達的位置，以控制變頻器對電機的供電。

二、P擋故障的應(yīng)緊處理方法

當(dāng)電動車出現(xiàn)P擋被鎖止不能釋放，車輛不能行駛故障時，因為現(xiàn)場維修很困難，通常的做法是請大型拖車將車輛拖到專業(yè)維修廠去修理，車主不僅要耽誤較長時間，還需要支付較高的拖車費和維修費。P擋電機是安裝在變速器的側(cè)面，其上有DC-DC轉(zhuǎn)換器才可接觸到P擋控制器，現(xiàn)場維修需要卸下變頻器上的進出冷卻水管，動力電池的橙色直流高壓線和三相高壓輸出線，以及控制線束的接插件和固定螺絲等，還要帶上補充防凍液，工作量大也很不安全。能不能用簡便的方法，靈活地應(yīng)急處置一下，讓車輛能正常運行，或能開到修理廠再進行處理呢？

1.P擋鎖止電機的控制過程分析

圖5是P擋的控制邏輯圖，當(dāng)換擋桿不在P擋，即在D擋、R擋或N擋時，如圖5中黑體字所述，實行解鎖的邏輯控制，通過P擋電機控制器將解鎖命令傳給P擋電機，電機旋轉(zhuǎn)將鎖止機構(gòu)的錐形推桿縮回，P擋鎖止機構(gòu)被釋放，則車輛可行駛。當(dāng)P擋被釋放，電機完成任務(wù)后就會自動停止運轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)換擋桿在P擋時，如圖5下方一行紫紅色字所述，車輛則實行鎖止的邏輯控制，此時P擋電機控制器將鎖止信號給P擋電機，電機逆向旋轉(zhuǎn)將鎖止機構(gòu)的錐形推桿伸出，P擋鎖止機構(gòu)被鎖止，則車輛不能移動。同樣當(dāng)P擋被鎖止后，也會自動停止電機的運轉(zhuǎn)。

圖5 P擋及非P擋的的邏輯控制

2.換N擋的操作辦法

一旦P擋位出現(xiàn)異常跡象時，如不易換D擋和R擋，或車輛不能實現(xiàn)行駛狀況時，表明P擋電機本身或P擋控制器可能出現(xiàn)了故障。這在停車時，車友們可將換擋桿放于N擋，拉上駐車制動器即可駐車，切不可按往常的操作方法，將換擋桿放在P位，然后及時將車開到維修廠去修理。其實這時車輛是可以運行的，只是缺了P擋，車友應(yīng)注意在停車時需要記住這種操作方法，就是切記換擋桿回避P位！這樣P擋鎖止裝置不運作，就是不讓P 擋被鎖的現(xiàn)象發(fā)生。注意在停車時應(yīng)選擇在平坦道路，還一定要拉緊駐車制動器！

3.檢查和更換低壓蓄電池

P擋的磁阻電機由車上的低壓蓄電池供電，而不使用動力電池的高壓電。P擋電機控制器的電路原理圖如圖6所示，蓄電池提供的電機電源，經(jīng)P擋繼電器后流向磁阻電機，輪流通過三相磁阻電機的定子線圈，流向P擋電機控制器中的電子開關(guān)，即三相逆變器后，再流回電源的負極而構(gòu)成回路。如果蓄電池使用較長時間電壓不足時，磁阻電機的工作電壓不足，也會造成電機輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩下降。若是車輛停在坡道上，停車爪與鎖止齒輪間產(chǎn)生側(cè)邊摩擦阻力，可能會加重P擋電機的負荷，如果蓄電池的電壓不足，也會造成P擋無法釋放的情形，這時更換蓄電池可能是解決此故障的一種方法。

圖6 P擋電機控制器的電路原理圖

4.采取反向旋轉(zhuǎn)磁阻電機的P擋拔出法

雖然采取換N擋的操作辦法可回避P擋鎖止，但車主們往往在不經(jīng)意間，習(xí)慣性地會將換擋桿放回到P位，又產(chǎn)生P擋被異常鎖止，出現(xiàn)車輛無法行駛的現(xiàn)象。為此我們在處理這種故障時，特別采取了“反向旋轉(zhuǎn)電機”的P擋拔出法。具體操作的方法是，找到P擋電機控制器，如比亞迪F3DM、秦牌和唐牌車，P擋電機控制器裝于駕駛員座椅下方，將座椅盡量向前推移，可方便地對P擋電機控制器上接插件進行撥下操作。

如圖6所示，“三相電子開關(guān)逆變器為電機提供三相交流電回路。圖6中還有從P擋電機反饋回來的霍爾式位置傳感器的藍、灰、紫色三條線，以及經(jīng)擋位控制器及驅(qū)動電機控制器來的、通訊用的CAN總線藍、橙兩條線。此外還有供電的低壓火線和搭鐵線，P擋繼電器的控制線等。其中從三相逆變器與P擋電機連接的共有九條線，從圖7可見九條線分為三組，每組三條線是并聯(lián)在一起的，線色分別是三條藍/紅（L/R）線、三條藍/黑（L/B）線和三條黃/綠（Y/G）線。

如果發(fā)生換擋桿放回到P位產(chǎn)生被異常鎖止，車輛無法行駛的尷尬情況時，可將P擋電機控制器上三相逆變器到P擋電機的三相交流電進行換相操作。即將藍/黑線、黃/綠線剪斷后，將藍/黑線與黃/綠線交錯對接，具體見圖7所示的“一、交錯相線，電機逆轉(zhuǎn)”。

將輸出到三相磁阻鎖止電機的藍/黑線與黃/綠線交錯對接后，此時換擋桿仍停留在P位，此時車輛再進行正常通電操作，仔細聽可聽到P擋電機反轉(zhuǎn)的響聲，表明P擋鎖止已經(jīng)被釋放了。此時千萬不要移動換擋桿，要是換擋桿保持在P位不動，并將P擋電機控制器上交錯對接的藍/黑線與黃/綠線斷開，切斷P擋電機的供電線，此時電機則無法旋轉(zhuǎn)，只能保持在釋放位置。如圖7的“二、保持P擋狀態(tài)下剪斷二條相線”，車輛此時已恢復(fù)到可行駛的狀況。之后，不管換擋桿放置在什么位置，P擋均不能被鎖止。對已斷開的藍/黑線與黃/綠線均應(yīng)單獨進行絕緣包扎，防止其發(fā)生短路再連接。

值得特別提醒的是，經(jīng)過上述處理的車輛，切記在停車時應(yīng)選擇在平坦處，不要在坡道上駐車！并應(yīng)保持手剎功能良好，以防止出現(xiàn)坡道滑車事故！建議車輛最好開到專業(yè)維修廠進行正規(guī)化的維修，如圖7的“三、行駛進廠維修”所指。

其實，P擋控制功能只是駐車鎖住汽車，使其不能移動，由于現(xiàn)在電動汽車的P擋控制方法存在的故障頻率較多，有些國產(chǎn)的電動汽車則已經(jīng)對這種控制方法進行了改進，如2016年款的比亞迪電動汽車，就取消了傳統(tǒng)的P擋控制方式，用加強手剎來鎖止車輛。

圖7 三相磁阻電機的換相操作