新能源汽車驅動系統故障診斷研究

聞俊杰，白國軍

(廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

某車型混合動力轎車采用TMH雙電機全混合動力系統，如圖1所示，內含皮帶式起動發電機(Belt Starting Generator，BSG)和驅動電機(Torque Motor，TM) 兩種動力電機及電力電子逆變器和電機控制器(Intergrated Power Unit，IPU)。

圖1 動力系統構型

該電機驅動系統作為電動汽車的核心組成部分，要求能夠頻繁地起動、停車、加速減速，低速或爬坡時高轉矩，高速行駛時低轉矩，寬的調速范圍，并且能在惡劣的環境下保持正常、可靠地工作，其可靠穩定的工作是電動汽車正常運行的前提，并且其工作狀態極大地影響著電動汽車的各項性能和指標[1-2]。因此，早期的故障監測及故障診斷可以有效地防止故障的惡化，達到降低維修成本和保護乘客生命安全的目的。

完備的檢測可減少未被檢測故障的發生，故障診斷可以有效地防止故障的惡化，達到降低維修成本和提高市場競爭力的目的。但由于實際系統的復雜性，導致了辨識故障時間以及分離出故障部位的困難度，因此，驅動系統故障診斷有其重要性和必要性。

1 電機驅動系統故障分類與等級劃分

1.1 電機驅動系統故障分類

本文作者僅針對系統中導致電機驅動系統故障、影響整車正常運行的元件或部件故障進行研究。根據故障的原因、性質、機制、程度、產生的速度、發生的時間以及故障產生的后果，可以將故障進行不同的分類。由故障的表現形式及誘發因素，汽車常見的故障模式可以分為：損壞型故障模式、退化型故障模式、松脫型故障模式、失調型故障模式、阻漏型故障模式、功能型故障模式和其他故障模式[3]，具體分析見表1。

表1 電機驅動系統故障模式分類

快速找出故障原因，追溯產品設計(含選型)、制造、使用、管理存在的不良因素，提出改進措施，預防故障的再發生，能夠有效提高產品可靠性，降低全壽命周期成本。對于復雜系統故障的診斷，故障樹是一種切實可行的分析方法。故障樹分析法(Fault Tree Analysis， FTA)是一種將系統故障或失效形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐漸細化的分析方法，這種方法適合分析復雜動態系統。它通過對可能造成系統故障的各種因素進行分析，畫出故障邏輯圖，從而確定系統故障原因的各種可能組合，利于對系統故障診斷以及故障產生的機制進行分析。電機驅動系統軟、硬件故障樹分別如圖2和圖3所示。

圖2 電機系統軟件故障樹

圖3 電機系統硬件故障樹

1.2 電機驅動系統故障等級的劃分

根據電機驅動系統故障模式、故障的嚴重程度、對系統造成的影響以及估計出的故障時間，對電驅動系統的故障等級進行如下劃分：

(1)故障等級Ⅰ級

當發生這類故障時，預警電機驅動系統出現了問題，此類問題不會傷害電機驅動系統，同時根據問題的輕重進行線性降功率，當此類問題消失，電驅動系統又具有滿功率輸出的能力，即隨著問題的消失故障自動清除，具有自恢復的功能。

(2)故障等級Ⅱ級

當發生這類故障時，預警電機驅動系統將會受到損害，不能滿足正常動力輸出且會對整車性能產生影響，此時電驅動系統自動關閉PWM輸出，停止功率輸出；此類故障不能自動恢復，需要整車通過CAN指令清除。如果是傳感器故障必須立即檢查并維修。

(3)故障等級Ⅲ級

當發生此類故障時，警示電機驅動系統有危險性，且對整車的安全性產生影響，此時必須斷高壓，且故障不能清除，同時要求專業人員進行檢查。

此外，通過對標同構型的東洋、電裝開發產品，以及純電動乘用車、HEV客車等對故障等級及類型的劃分，將故障類別按等級歸納如表2所示。

表2 故障等級劃分

2 電機驅動系統故障檢測與處理措施

車用動力電機系統故障影響整車運行的程度不同，需依據其對車的影響程度采取合適的措施進行處理。檢測條件的合理設定影響著系統的穩定性，既能準確地判定出故障，又不會使系統嚴重冗余是檢測條件設定的首要原則。綜合考慮整車性能輸入和控制策略要求、電機技術參數和特性曲線、控制器及電力電子元器件的選擇等多方面技術與性能要求[4]，對于不同因素導致的故障，分別設定檢測閾值或采取相應的保護措施。

本文作者以BSG電機為例，為了便于故障的排除，減小危害程度，設定不同故障代碼、檢測條件和采取的處理措施。

故障碼1：模塊故障

當驅動電路檢測到欠壓、過壓、短路等故障時(此故障閾值是由功率器件供應商設定的)，驅動電路就會發出FO故障信號(高電平)，同時關閉功率管，DSP檢測到此信號時就會報FO故障。

此故障的檢測閾值由驅動IC芯片工作電壓低于3.8 V時(正常工作電壓為3.8～5 V)、驅動IC芯片輸出電壓11 V(正常輸出電壓11～15 V)、退飽和保護IGBT短路電壓大于9 V(正常小于9 V)3個條件進行判斷。

故障碼2：相電流過流故障

此時電動機能夠旋轉，但運行電流遠超過額定值，超過的幅度很大，形成大的沖擊電流。

造成該故障主要原因通常為定子繞組三相不平衡，電機三相繞組發生短路，造成線電流過大；或由于旋變信號受干擾，導致相電流畸變。

該故障閾值的設置是根據IGBT工作電流70%設定為280 A，以確保功率器件不被損壞。

故障碼3：母線電壓過壓故障

過壓故障一般發生在整車充電的工況。電壓過高不僅影響器件的絕緣，還會造成器件的損壞。混合動力車用電機系統的過壓主要集中在直流母線電壓上。過壓會造成母線電容、功率器件(Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT)或母排絕緣損壞。

過壓的主要引發原因是發電指令過大導致。閾值的設置是根據母線電壓值400 V設定。處理措施為：母線電壓升到370 V時開始降功率，母線電壓升到400 V時，輸出0功率，其降功率比例與電壓關系如下式：

Tex=Tcom·(400-Udc)/30 (370 V≤Udc≤ 400 V)

其中：Tex為電機執行轉矩；Tcom為轉矩指令；Udc為母線電壓值。當母線電壓升到400 V以上時，電機控制系統發出母線電壓過高故障，輸出0功率。

故障碼4：電機過溫故障

當持續出現大功率扭矩工況或水路循環不良的時候，會使電機溫度升得過高。當電機溫度達130 ℃時系統就會報電機過溫故障，設置此閾值是為了保護電機磁鋼片的性能不被損壞。

故障碼5：控制器過溫故障

異常的溫度會導致整個電機系統故障頻發，控制器的輸出功率受限。控制器的核心就是開關器件構成的逆變電路，溫度直接影響功率器件的工作范圍，功率器件的工作受到器件結溫(器件的結溫一般為150 ℃)的影響，外界溫度升高，在結溫定值的前提下，開關損耗必然要減小，將導致電機控制器不能以全功率輸出，系統性能嚴重降低。

過溫的主要原因一般有：持續出現大扭矩工況，即長時間處于過載運行狀態；水循環不良；也有偶發控制器內部溫度檢測部分發生故障，導致檢測出的信號出現異常。

此閾值設置為逆變器溫度85 ℃或IGBT溫度100 ℃。

故障碼6：電機超速故障

通過檢測電機旋變信號，當電機轉速超過12 500 r/min時系統就會報電機超速故障。設置此閾值原因如下：電機在高速運行時，轉子受到離心力及電磁力的作用會發生變形(極小)，以此來保護轉子不被機械應力損壞。

故障碼7：相電流過載報警

此時電動機能夠旋轉，但運行電流超過了額定值，幅度不大，不會形成大的沖擊電流。

過載的主要原因一般有機械負荷過重，此時電機通常為過熱，三相運行電流偏大；旋變信號受到干擾也會造成電機相電流過載。

此故障是基于軟件檢測電流傳感器輸出值判定，當該電流大于260 A時上報該故障給整車。

故障碼8：母線電流過流故障

該類故障為電驅動系統上報的最高級別的故障。該值的檢測意義有：直流發生短路時的短路保護，或IGBT出現直通時的保護；轉矩監控，即從電機角度，通過檢測輸入功率(電功率)與輸出功率(機械功率)的平衡關系來判定實際轉矩執行的準確度和電機運行狀態；整車電流平衡，用于檢測電池電流、DC/AC、DC/DC電流的平衡關系，判定電源系統狀態。此外，該值一旦出現過流，對整車安全會造成威脅。

該閾值設置為250 A。

故障9：CAN通信故障

混合動力車用電機系統的指令執行以及系統狀態反饋都是通過 CAN 通信傳遞的，通信的正常與否直接關系到系統能否正常工作。

CAN 通信故障的主要原因：(1)CAN 線斷線。整車振動導致信號線斷線或插接件插接不牢。(2)電磁干擾。電磁干擾導致 CAN 線傳遞信號發生突變，影響指令的執行和整車對系統狀態的檢測。

該閾值設置為控制器大于0.5 s未接收到整車指令時，上報該故障。

故障10：母線電壓欠壓故障

欠壓一般發生在整車電動的工況。當系統輸出相同功率時，電壓過低，勢必造成電流增加，電流過大，可能會超出器件的工作范圍，造成器件損壞。對電機來講，長期欠電壓工作，效率低，發熱大，時間長的話會造成電機繞組絕緣性能降低，最終會發生電機繞組短路或斷路。

欠電壓的主要原因有：高壓電池電壓過低；預充電回路沒有切斷。

母線電壓小于190 V時系統就會報欠壓故障。母線電壓降到243 V時開始降功率，母線電壓降到189 V時，輸出0功率，其降功率比例與電壓關系如下式：

Tex=Tcom·(Udc-189)/54 (189 V ≤Udc≤ 243 V)

其中：Tex為電機執行轉矩；Tcom為轉矩指令；Udc為母線電壓值。當母線電壓上升到215 V時，自動清除母線電壓過低報警，同時根據指令輸出功率(215 V時電機實際轉矩Treal=Tcom×(215-189)/54)。

故障11：DCDC故障

由于某混合動力電驅動系統DCDC通過硬線受控于電機控制器，故當DCDC發生故障時，只能通過一個標志位告知有故障，而不能將具體的故障類型分別上報。此現狀可通過后續的設計改進完善，目前關于DCDC故障時的具體類型，在實際應用中可通過故障樹來完成分析確認。DCDC具體故障類型和閾值設定見表3。

表3 DCDC故障表

故障12：電機堵轉故障

為了保護功率器件不被損壞，當電機轉速小于50 r/min、同時轉矩大于40 N·m堵轉條件成立，開始計時，如上述條件持續12 s時，系統就會報電機堵轉故障。堵轉期間電機的輸出扭矩如圖4所示。

故障13：電機溫度報警

此故障閾值設置為120 ℃

故障14：控制器溫度報警

此故障閾值設置為80 ℃

圖4 BSG電機堵轉時扭矩輸出曲線

故障13、故障14兩故障閾值設置有別于故障4、故障5的閾值設置，意在當出現故障4、故障5時，會通過CAN信號發送至車輛儀表盤中故障指示燈，警示駕駛員此時電驅動系統出現故障。

故障15～21：旋變傳感器、母線電流傳感器、A相電流傳感器、C相電流傳感器、電機溫度傳感器、IGBT溫度傳感器、母線電壓傳感器故障。該類故障通過檢測端口電壓范圍來判定。此類傳感器故障的上報對保證整車性能及駕駛員安全等起到重要作用。

因系統噪聲、傳感器自身工作特性以及安裝接觸不良等因素的影響，旋變傳感器極易處于異常工作狀態和故障狀態，若此時電動汽車電機驅動系統接受旋變傳感器提供的錯誤采集信息，必將引起電機驅動系統性能的下降。電流傳感器反饋的測量值的準確性是保證矢量控制系統高性能的前提條件。如果電流傳感器出現故障，不僅會導致電動汽車性能下降，甚至會危及駕駛員人身安全。

3 結論

混合動力乘用車電機驅動系統故障形式多，導致故障發生的原因復雜。通過對故障機制的分析，應用故障樹分析法，有利于電機驅動系統故障的快速、準確排除。經實車排故表明，從系統角度出發，綜合考慮整車性能輸入和控制策略要求，合理設定檢測條件，不斷優化故障處理措施，能夠預防故障的再發生，有效提高電驅動系統的可靠性，降低全壽命周期成本。