純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹的構(gòu)建

摘要：隨著環(huán)境問題及能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重，純電動(dòng)汽車技術(shù)也在不斷地成熟和發(fā)展，并已經(jīng)逐漸步入產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在純電動(dòng)汽車復(fù)雜的工作環(huán)境下，動(dòng)力及其控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的故障，本文主要針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障構(gòu)建故障樹。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);故障樹

作為新能源汽車三大核心部件之一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，它的組成部分主要有電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器及各種傳感器等。目前，純電動(dòng)汽車使用最多的是永磁同步電機(jī)，如果電機(jī)的逆變器出現(xiàn)問題，電機(jī)將會(huì)斷相運(yùn)行，從而使電機(jī)溫度過高，絕緣老化，而燒毀電機(jī)或電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，且有波動(dòng)，這就是永磁同步電機(jī)電控系統(tǒng)故障[1]。故障診斷能夠找到系統(tǒng)出現(xiàn)故障的位置，并為找到合適的解決方案提供理論基礎(chǔ)。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)分類方式的不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)又可分為不同的種類。電機(jī)作為純電動(dòng)汽車的核心組成，為滿足車輛的不同需求，正常工作要滿足的條件如下：

①高壓電源輸入正常（絕緣性能大于20MΩ）：

②低壓12V電源供電正常（電壓范圍為9 - 16V）;

③與整車控制器通信正常;

④電容放電正常;

⑤旋變傳感器信號(hào)正常;

⑥三相交流輸出電路正常;

⑦ 電機(jī)及電機(jī)控制器溫度正常;

⑧開蓋保持開關(guān)信號(hào)正常。

一般情況，純電動(dòng)汽車上使用的電機(jī)主要為交流異步電機(jī)，混合動(dòng)力汽車上使用的電機(jī)主要為永磁同步電機(jī)，新能源客車上使用的電機(jī)則主要為開關(guān)磁阻電機(jī)。目前，就我國(guó)各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用情況而言，新能源商用車（尤其是新能源客車）上使用的電機(jī)主要為交流異步感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)則實(shí)際使用較少;新能源乘用車上使用的電機(jī)主要為永磁無刷直流電機(jī)。載能力、壽命、結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性以及電機(jī)成本等方面的情況。對(duì)比可知，永磁電機(jī)的功率密度、效率及電流比最高，且電機(jī)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)較堅(jiān)固、操控性能好;直流電機(jī)的外形尺寸大，質(zhì)量重，功率密度低，開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)表現(xiàn)比較好，但噪聲最高;感應(yīng)電機(jī)的各項(xiàng)表現(xiàn)也都比較合理，但其轉(zhuǎn)矩/電流比較小，尺寸偏大。目前，這些電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上均在使用。但是直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的使用相對(duì)較少，永磁同步電機(jī)相對(duì)應(yīng)用更加廣泛。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的故障及分析

圖1歸納了永磁同步電機(jī)和它的控制器故障。其中電氣故障、永磁體故障、機(jī)械故障和控制器故障為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要故障。其中定子繞組斷路，短路或搭鐵故障為定子故障中的的主要電氣故障;永磁體退磁則為永磁體的主要故障;軸承故障、氣隙不均等是主要的機(jī)械故障。電機(jī)控制器故障對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言至關(guān)重要，信號(hào)的傳遞情況，將直接影響電機(jī)的輸出。控制系統(tǒng)中的傳感器故障影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[3]。

電機(jī)的滾動(dòng)軸承長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或潤(rùn)滑不充分，會(huì)導(dǎo)致其故障發(fā)生的頻率最高;定子繞組類故障次之。軸承故障會(huì)導(dǎo)致軸承彼此摩擦，異常振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀軸承;定子繞組故障，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和平均輸出功率下降，嚴(yán)重會(huì)造成接地故障，而燒毀電機(jī)。因此，對(duì)于定子繞組故障需要采取有效的安全防護(hù)措施，尤其是絕緣線圈，導(dǎo)致其絕緣損壞或老化的最主要原因就是溫度，其冷卻系統(tǒng)對(duì)于保證電機(jī)的性能及安全起到了至關(guān)重要的作用;永磁體退磁故障也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及效率下降，電機(jī)溫度升高等;不同傳感器故障，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)擊不同程度的損傷。

檢測(cè)定子繞組短路的方法主要為負(fù)序電流法，而通過逆變器供電，則可以排除由于其他因素而產(chǎn)生的負(fù)序電流，因此能夠更加準(zhǔn)確的檢測(cè)其故障。當(dāng)電機(jī)停機(jī)時(shí)，還可使用高頻電壓法來進(jìn)行繞組短路故障的診斷;當(dāng)電機(jī)接通高頻三相電時(shí)，則可通過分析其電流情況來進(jìn)行匝間短路故障的診斷[2]。

3 電機(jī)及其控制系統(tǒng)故障樹

采取系統(tǒng)故障演繹來進(jìn)行推理的一種方法叫做故障樹分析法，它通過邏輯分析來進(jìn)行故障診斷。通過由上到下層層分析，從故障現(xiàn)象中找到可能導(dǎo)致故障的子系統(tǒng)，當(dāng)單個(gè)故障或多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，可以通過樹狀邏輯因果關(guān)系圖來進(jìn)行表示，用符號(hào)去表示故障現(xiàn)象與各故障間的關(guān)系[3]。

基于上述永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象、故障引起的影響及故障原因，通過故障樹能夠直接描述出系統(tǒng)故障現(xiàn)象、子系統(tǒng)故障現(xiàn)象和各故障間的關(guān)系。相比于單一的故障分析，故障樹分析法能夠更好地描述復(fù)合型故障。

圖2圖4分別表示電機(jī)電氣、機(jī)械以及其控制器的故障樹。在電機(jī)電氣故障樹中能夠發(fā)現(xiàn)，匝間短路、線圈間短路、相間短路、繞組接地可能會(huì)導(dǎo)致繞組短路故障;在機(jī)械故障樹中不難發(fā)現(xiàn)，軸承故障可能由于潤(rùn)滑不充分，零部件磨損嚴(yán)重，壓痕或斷裂而引起;在電機(jī)控制系統(tǒng)故障樹中可以看到，高溫老化、校準(zhǔn)誤差或者機(jī)械震蕩可能引起傳感器故障。

4 結(jié)論

本文首先介紹了現(xiàn)階段應(yīng)用于電動(dòng)汽車上最多的永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能。在此基礎(chǔ)上，分析了電機(jī)及其控制系統(tǒng)的故障傳輸過程。歸納總結(jié)了各子系統(tǒng)部件的不同故障現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因。對(duì)于三相永磁同步電機(jī)而言，最嚴(yán)重的故障是定子繞組短路，可能使電機(jī)瞬間停止工作甚至燒毀電機(jī);電流及轉(zhuǎn)子位置傳感器故障則會(huì)干擾到控制指令的發(fā)出，從而導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)劇烈。在分析了電機(jī)及其控制系統(tǒng)各部件的故障現(xiàn)象后，通過故障樹描述了系統(tǒng)與各部件故障之間的邏輯關(guān)系，最終構(gòu)建出電機(jī)及其控制系統(tǒng)故障樹。

基金項(xiàng)目：本文系2019年度廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷推理機(jī)的設(shè)計(jì)”[課題編號(hào)：NY-2019KYYB-26]的研究成果

參考文獻(xiàn)：

[1]于海芳，劉志強(qiáng)，崔淑梅電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障與失效模式分析[J].電力電子技術(shù)，2011，12：069-071

[2]劉真通基于模型的純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷研究[D]北京理工大學(xué)，2016.

[3]夏淑英，基于模糊故障樹的汽車故障診斷研究[J]科技展望，2017，06： 043

作者簡(jiǎn)介——

趙旭：（1992-），女，廣東廣州人，碩士研究生，助教。研究方向：新能源汽車技術(shù)。