新能源客車電機(jī)控制器異常損壞分析及其預(yù)防措施

重慶兩江公交維修分公司 劉永平 李 濤

電機(jī)控制器是新能源客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的唯一控制系統(tǒng)。電解電容和IGBT模塊作為控制器內(nèi)部的重要部件，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電機(jī)控制器、主控板、驅(qū)動(dòng)板及線束、HCU、TCU、BMU模塊損壞，繼電器、預(yù)充電阻等燒毀。針對(duì)我公司新能源客車電機(jī)控制器連續(xù)發(fā)生短路燒蝕的異常損壞事故，經(jīng)拆檢分析，主要是電解電容、IGBT模塊產(chǎn)品自身壽命而引發(fā)的故障。

1 電機(jī)控制器工作原理

電機(jī)控制器主要負(fù)責(zé)接收HCU發(fā)出的指令，并根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子相位等信息，通過控制多路IGBT的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小及方向的控制，滿足HCU所要求的扭矩；同時(shí)，電機(jī)控制器還具備采集電機(jī)繞組工作溫度、冷卻液溫度、絕緣值等信息以及判斷電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的功能，并實(shí)時(shí)反饋給HCU。

2 異常損壞分析

2.1 案例分析

（1）車輛運(yùn)行中出現(xiàn)電機(jī)控制器溫度異常，而儀表未見電機(jī)控制器溫度異常及其他相關(guān)故障報(bào)警，此時(shí)電機(jī)控制器內(nèi)部溫度傳感器已失效，導(dǎo)致電機(jī)控制器執(zhí)行限制功率的保護(hù)功能失效，當(dāng)IGBT模塊二極管處于持續(xù)高溫狀態(tài)下，易引發(fā)燒蝕短路現(xiàn)象，從而造成電機(jī)控制器內(nèi)部溫度陡升，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)板、電解電容等燒蝕損壞。

（2）IGBT模塊損壞短路導(dǎo)致模塊控制失效，當(dāng)車輛處于制動(dòng)狀態(tài)或下坡路段行駛時(shí)，電機(jī)回饋的電能無法正常輸送至動(dòng)力蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，導(dǎo)致電解電容持續(xù)充電超出負(fù)載范圍，造成電容炸裂損壞電機(jī)控制器內(nèi)部相關(guān)部件，引發(fā)電機(jī)控制器三相短路，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子、定子線圈燒蝕。

（3）電機(jī)控制器內(nèi)部電解電容衰減損壞，當(dāng)車輛處于制動(dòng)狀態(tài)或下坡路段行駛，電機(jī)回饋的電能輸送至動(dòng)力蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，瞬時(shí)電壓一旦超過415V，一旦超出電容的負(fù)載范圍，將造成電容炸裂，引發(fā)電機(jī)控制器內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致高壓配電箱熔斷器、TCU、HCU、前保險(xiǎn)盒等燒蝕損壞。

（4）電機(jī)控制器內(nèi)部IGBT模塊損壞，形成三相電缺相現(xiàn)象，產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致控制器內(nèi)部模塊高溫碳化和三相線銅片高溫熔斷。

2.2 原理分析

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)被車輛慣性外力拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直接連接三相定子繞組。如果將三相定子繞組與電機(jī)控制器連接，電機(jī)控制器不工作時(shí)，三相電機(jī)控制器變成三相不可控整流器，在電機(jī)控制器中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容上將產(chǎn)生直流電壓。當(dāng)直流電壓超過直流母線電壓時(shí)，如果直流回路已經(jīng)連接，則將對(duì)直流回路充電，這種充電方式是一種不可控的充電狀態(tài)。同時(shí)，由于電機(jī)控制器中濾波電容（415V）和功率模塊（800A）均具有一定的耐壓等級(jí)，必須確保施加在濾波電容和功率模塊的電壓不能超過其各自的最大可承受電壓。電機(jī)及其控制器系統(tǒng)與控制參數(shù)如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析

圖1 電機(jī)及其控制器系統(tǒng)與控制參數(shù)

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器冷卻液循環(huán)系統(tǒng)

無論是機(jī)械部件還是電器元件都具有有限使用壽命的特性。經(jīng)查閱相關(guān)資料，同時(shí)咨詢電機(jī)控制器總成廠家工程師，電機(jī)控制器電解電容、IGBT等相關(guān)元件有限壽命根據(jù)實(shí)際情況約為40-50萬km。按照目前我公司投入的混合動(dòng)力車型年限及里程數(shù)分布情況來看，2012年投入運(yùn)營的車輛運(yùn)行里程均在40-50萬km左右，已達(dá)使用壽命極限。

3 可行性預(yù)防措施

基于以上案例、原理、數(shù)據(jù)綜合分析，結(jié)合保修實(shí)際，制定預(yù)防整改措施如下。

（1）針對(duì)溫度失控，導(dǎo)致IGBT模塊及電機(jī)損壞情況，建議開展一次專項(xiàng)排查整治，要求各級(jí)保養(yǎng)重點(diǎn)檢查驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器冷卻液循環(huán)系統(tǒng)（圖2）。

1）高保作業(yè)中檢查電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、循環(huán)水泵、散熱器的管道連接順序是否正確（散熱器出水口→電機(jī)控制器→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→循環(huán)水泵→散熱器進(jìn)水口），連接有誤予以改正；檢查循環(huán)水泵揚(yáng)程和水流量（揚(yáng)程：2m以上，流量6000L/h）是否符合原車設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在多是運(yùn)用暖風(fēng)機(jī)水泵（揚(yáng)程：1.8m左右，3600L/h）替代，不符合技術(shù)要求，予以整改；利用草酸或者酸性物質(zhì)對(duì)電機(jī)控制器冷卻管路中水垢進(jìn)行清洗，更換冷卻液。

圖3 電容與IGBT、三相過橋連接螺栓

圖4 電解電容、薄膜電容

2）高保作業(yè)中檢查、緊固電機(jī)控制器各關(guān)鍵部位螺栓及螺母，如電容連接螺栓、三相過橋連接螺栓等（圖3）。

（2）電解電容在75℃環(huán)境下工作壽命約1.5萬h，正常的車載快充快放電解電容每年的衰減損耗約為10%-12%。運(yùn)行年限達(dá)4年及以上的電解電容，其容量過低不僅會(huì)影響補(bǔ)償效果，而且隨著介質(zhì)的惡化，其可靠性會(huì)大幅度降低。為保障其他電器元件的安全運(yùn)行及正常使用壽命，建議最好更換新電容器。為此針對(duì)電解電容衰減問題，建議進(jìn)行全面排查，對(duì)不符合技術(shù)要求的予以強(qiáng)制更換（圖4）。

（3）各級(jí)保養(yǎng)作業(yè)中應(yīng)檢查、緊固電容各連接螺栓，以防連接螺栓松動(dòng)引發(fā)電容被燒蝕現(xiàn)象；清除電機(jī)控制器內(nèi)部的灰塵，以防灰塵產(chǎn)生靜電導(dǎo)致短路現(xiàn)象；三相線接口應(yīng)安裝到位，密封有效。

1）針對(duì)電機(jī)控制器絕緣不良的現(xiàn)象，在各級(jí)保養(yǎng)作業(yè)中檢測(cè)絕緣值，對(duì)絕緣值不符合技術(shù)要求的一律按要求進(jìn)行整改（電機(jī)控制器＞2MΩ、驅(qū)動(dòng)電機(jī)＞20MΩ、動(dòng)力線束＞20MΩ、電池＞50MΩ）；當(dāng)電機(jī)控制器漏液導(dǎo)致絕緣不良時(shí)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)予以處理；檢查動(dòng)力線屏蔽線是否破損、裸露。

2）對(duì)電機(jī)定子線圈由于三相動(dòng)力線密封問題導(dǎo)致大量灰塵進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部和變速箱一軸油封密封不良導(dǎo)致變速箱油竄至電機(jī)內(nèi)部的問題，可以利用毫歐表測(cè)量電機(jī)線圈阻值（三相線阻值差應(yīng)小于5mΩ），一旦發(fā)現(xiàn)不符合技術(shù)要求的情況，應(yīng)立即檢查相關(guān)部位并予以整改。

（4）目前我公司高壓配電箱所使用熔斷器的規(guī)格型號(hào)有：450A、400A兩種，經(jīng)過前期的最大充、放電流核算，建議采用400A的熔斷器，以保證電流過大時(shí)，能夠及時(shí)斷開電流回路，防止燒蝕相關(guān)零部件，使損失降低至最小。

新能源客車電機(jī)控制器頻繁發(fā)生的異常損壞案例說明，一是電氣設(shè)備及元件的使用壽命更迭到期；二是后期保養(yǎng)和投入不到位。為減少電機(jī)控制器異常損壞造成的經(jīng)濟(jì)損失和杜絕安全事故的發(fā)生，應(yīng)加大對(duì)老舊混合動(dòng)力車輛“三電”總成部件的保修投入，而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)“三電”系統(tǒng)的清潔、檢測(cè)、緊固作業(yè)的執(zhí)行力度，則是杜絕“三電”系統(tǒng)異常損壞的實(shí)用之舉。