电动汽车动力总成及其故障检修——以奥迪e-tron为例

1. 驱动电机结构

奥迪e-tron车上使用的驱动电机是三相异步电机。每个电机的主要部件有带有3个呈120°布置铜绕组（U，V，W）的定子、转子（铝制笼型转子）。转子把转动传入齿轮箱。为了能达到一个较高的功率密度，静止不动的定子与转动着的转子之间的气隙就得非常小。电机与齿轮箱合成一个车桥驱动装置。

车桥驱动装置有两种不同类型，区别体现在电机相对于车桥的布置上。前桥上采用平行轴式电机（APA250）来驱动车轮，后桥则采用同轴式电机（AKA320）来驱动车轮。前桥和后桥上每个交流驱动装置都有一根等电位线连着车身。

前桥驱动电机（图1）由冷却液接口、带密封件的交流电连接、定子水套、带两个极对的定子、转子、基于旋转DC/DC变换器的转子位置传感器和电机温度传感器组成。

图1　前桥电驱动电机的组成

图2所示为前桥电驱动电机定子和转子的结构。

图2　前桥电驱动电机定子和转子的结构

2. 驱动电机功能

驱动电机的转动过程如图3所示，定子是通过功率电子装置来获得交流电供给的。铜绕组内的电流会在定子内产生旋转的磁通量（旋转的磁场），这个旋转磁场会穿过定子。

图3　驱动电机的转动过程

如图4所示，异步电机转子的转动要稍慢于定子的转动磁场（即异步），这个差值称为转差率（转差率表示的是转子和定子内磁场之间的转速差）。于是就在转子的铝制笼内感应出一个电流，转子内产生的磁场会形成一个切向力，使得转子转动。叠加的磁场产生了转矩。

图4　驱动电机的转动机理

3. 电机转矩/ 转速建立

在电驱动模式时，功率电子装置将动力蓄电池的直流电转换成三相交流电。这个转换是通过脉冲宽度调制来进行的。转速是通过改变频率来进行调节的，电驱动装置电机V662和V663的转矩是通过改变单个脉冲宽度的接通时间来进行调节的（图5、图6）。

图5　频率越高，转速就越高

图6　PWM信号的接通时间越长，那么转矩也就越大

如在一台有2个极对的异步电机上要想达到1000r/min这个旋转磁场转速，需要使用33.34Hz的交流电。因受到异步电机转差率的限制，所以转子转得要慢些。

1. 前后桥电机冷却

奥迪e-tron电机冷却系统采用了热泵技术，热泵系统包含车内空调和热交换系统、压缩机、冷却装置（Chiller）和动力电机废热回收装置。如图7所示，前桥和后桥上的电驱装置通过低温循环管路水冷，定子和转子上都有冷却液流过。尤其是附带的转子内部冷却，在持续功率输出和峰值功率方面具有重要意义。在前桥上，功率电子控制器和电机彼此串联在冷却环路中。冷却液首先流经功率电子控制器，然后流经前桥电机内部的“水枪”对转子内部冷却，之后流经定子水套返回循环管路中。在后桥上，冷却液首先流经功率电子控制器，随后流经定子冷却水套之后流经转子内的“水枪”，最后返回循环管路。

图7　前桥和后桥电机冷却系统

2. 电机的端面密封

电机的端面密封用于实现旋转的转子轴与不动的壳体之间的密封，前桥电机采用一个端面密封（图8），后桥电机采用两个端面密封（图9）。

图8　前桥电机的端面密封

图9　后桥电机的端面密封

端面密封需要有技术性泄漏，相关部位设置有排液螺塞和储液罐（图10）所采用的激光结构会把大量冷却液送回电机，漏出的冷却液被收集到专门的空间内（前桥）或者储液罐内（后桥），这些冷却液在进行保养周期检查时需要排空，当前的维修手册中没有规定更换这些密封件（图11）。

图10　排液螺栓和储液罐的安装位置

图11　密封件的结构

注意：为防止端面密封损坏，只可在制冷剂循环管路内注满冷却液的情况下让车辆移动。端面密封在无冷却液时运行会造成其损坏。

电驱动控制单元（功率电子装置）的作用是为驱动电机提供所需的交流电流。每个电驱动装置上都安装有一个功率电子装置，前桥电驱动控制单元是J1234，后桥电驱动控制单元是J1235。如图12所示，奥迪e-tron的高压功率电子控制器由上盖、控制电子装置、12V接口、高压直流电接口、通向定子绕组的交流电接口、壳体和密封件组成。奥迪e-tron高压功率电子控制器通过密封件和交流接口与驱动电机连接。

图12　高压功率电子控制器的组成

1. 功能

如图13所示，电驱动控制单元的主要作用是为驱动电机提供所需的交流电。每个电驱动桥都安装有一个功率电子控制器。它将来自动力蓄电池的直流电在功率电子控制器内部利用6个IGBT半导体开关模块组成三相开关电路转换为交流电。这个转换是通过脉冲宽度调制来进行的。驱动电机的转矩和转速建立分别通过改变脉冲宽度和频率来进行调节。PWM信号的脉冲宽度导通时间越长则转矩越大，频率越高则转速越高。高压功率电子控制器冷却通过低温冷却管路来进行。

图13　功率电子控制器的DC-AC变换

2. 冷却

功率电子装置连接在前桥和后桥上低温冷却循环管路上。这样能对功率电子装置内部的各部件起到良好的冷却作用。

3. 售后服务

功率电子装置在损坏时只能整体更换。在功率电子装置的测量数值中，可以读出车桥的所有测量值，比如温度、功率、转矩等。

1. 端面密封检查

更换总成时要小心（总成在交货时是干态的），如果在到达30000km这个保养周期前，泄漏储液罐满了或者溢出，会对电机内部造成损坏（与绝缘检测器或者红色的冷却系统警告灯一起）。对于冷却系统，务必注意排气步骤。

2. 牵引车辆注意

如果红色的冷却系统警告灯没亮起，可以不超过50km/h的车速来牵引车辆，最大牵引距离不超过50km；在未加注冷却液的情况下，只允许以不超过7km/h的车速来牵引车辆，最大牵引距离不得超过700m。

3. 电机搭铁环的检查

如图14所示，电机搭铁环是转子轴和壳体之间的接触件，搭铁环的电阻比轴承电阻小，转子轴上产生的电压由流经搭铁环的电流来消除，如果没有搭铁环，这个电流就会流经轴承，长久这样会损坏轴承。搭铁环是压入到电机壳体内的，薄片可自动进行调整，以便补偿磨损。搭铁环的左、右侧都有织物片，用于防止脏污进入或碎屑排出。

图14　电机搭铁环的结构和位置

1. 电机的空载电流大

当电机的空载电流大于极限数据时，表明电机出现了故障。电机空载电流大的原因有：电机内部机械摩擦大、线圈局部短路、磁钢退磁。继续做有关的测试与检查项目，可以进一步判断出故障原因或故障部位。

电机的空载/负载转速比大于1.5，打开电源，踩踏加速踏板，使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后，测量此时电机的空载最高转速N₁。在标准测试条件下，行驶200m距离以上，开始测量电机的负载最高转速N₂。空载负载转速比=N₂/N₁。当电机的空载负载转速比大于1.5时，说明电机的磁钢退磁已经相当严重了，应该更换电机里面整套的磁钢，在电动汽车的实际维修过程中一般是更换整个电机。

2. 电机发热

电机发热的直接原因是电流大，电机的电流为I，电机的输入电动势为E₁，电机旋转的感生电动势为E₂（又称反电动势），与电机线圈电阻R之间的关系是：I=(E₁–E₂)/R，电流I增大，说明电阻R变小或E₂减少了。R变小一般是线圈短路或开路引起的，E₂减少一般是磁钢退磁或者线圈短路、开路引起的。在电动汽车的维修实践中，处理电机发热故障的方法一般是更换电机。

3. 电机在运行时内部有机械碰撞或机械噪声

无论高速电机还是低速电机，在负载运行时都不应该出现机械碰撞或不连续不规则的机械噪声。不同形式的电机可运用不同的方法进行维修。

4. 整车行驶里程缩短、电机乏力

电动汽车续驶里程短与电机乏力（俗称电机没劲）的原因比较复杂。一般说来，整车续驶里程短的故障不是电机引起的，这和电池容量的衰减、充电器充不满电、控制器参数漂移（PWM信号没有达到100%）等有关。

5. 无刷电机缺相

无刷电机缺相一般是由无刷电机的霍尔元件损坏引起的。可以通过测量霍尔元件输出引线相对霍尔地线和相对霍尔电源的引线的电阻，用比较法判断是哪个霍尔元件出现故障。

为保证电机换相位置的精确，一般建议同时更换所有的霍尔元件。更换霍尔元件之前，必须弄清楚电机的相位代数角是120°还是60°，一般60°相角电机的三个霍尔元件的摆放位置是平行的。而120°相角电机，三个霍尔元件中间的一个霍尔元件是呈翻转180°位置摆放的。

以上内容摘自《汽车电工入门（彩色图解+视频）》。

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文章制作：李崇康

责任编辑：谢　元

审核人：张   萍

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