混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)故障診斷的研究

陳強(qiáng)

摘 要：本文對(duì)電動(dòng)汽車的電機(jī)控制技術(shù)的故障診斷的研究，希望能夠在今后更多地引導(dǎo)我們相關(guān)工作人員對(duì)這個(gè)技術(shù)存在的問題進(jìn)行深入分析時(shí)能夠起到一定的借鑒性和指導(dǎo)作用，最終使我國的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)得以快速發(fā)程向前推移的整個(gè)過程中作出了一些貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力 電動(dòng)汽車 電機(jī)控制 系統(tǒng)故障 診斷 研究

Research on Fault Diagnosis of Motor Control System of Hybrid Electric Vehicle

Chen Qiang

Abstract：The research on the fault diagnosis of motor control technology of electric vehicles in this paper hopes to guide our relevant staff to make an in-depth analysis of the problems existing in this technology in the future， and finally make some contributions to the whole process of the rapid development of China's society and economy.

Key words：hybrid， electric vehicle， motor control， system fault， diagnosis， research

1 引言

隨著新能源汽車技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作的逐步深入開展，電力電子技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用并完全改變了新能源汽車的電力系統(tǒng)，形成了傳統(tǒng)的新能源汽車電力傳動(dòng)電氣裝置，相比于傳統(tǒng)的汽車采用低功率、無電壓的輔助電氣裝置，其具備效率更高、噪音更小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

2 新能源汽車電控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著新能源汽車技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作的逐步深入開展，電力電子技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用并完全改變了新能源汽車的電力系統(tǒng)，形成了傳統(tǒng)的新能源汽車電力傳動(dòng)電氣裝置，相比于傳統(tǒng)的汽車采用低功率、無電壓的輔助電氣裝置，其具備效率更高、噪音更小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。其中，電機(jī)過程自動(dòng)化系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、電動(dòng)助力電壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、能源質(zhì)量反饋系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、鋰離子動(dòng)力電池質(zhì)量管理控制系統(tǒng)等將是未來幾年全球商用新能源動(dòng)力汽車主動(dòng)電控控制系統(tǒng)的主要核心組成技術(shù)部分。

2.1 電機(jī)的分類

電機(jī)全稱即電能驅(qū)動(dòng)能旋轉(zhuǎn)機(jī)器，比較常用的有直流電驅(qū)電機(jī)和直流電機(jī)，交流電機(jī)。電機(jī)的種類是非常多的。目前市面上新能源汽車行業(yè)用的基本上都是交流電機(jī)，其中最多的是永磁交流電機(jī)。

2.2 電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

在目前的新能源汽車電控系統(tǒng)中，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一直都是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接地影響到了汽車正常行駛，系統(tǒng)主要包括了機(jī)械與電器兩個(gè)組成部分。電氣系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要有控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)等幾個(gè)組成部分共同構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)以及功率變化會(huì)直接地影響到一輛電動(dòng)汽車的起步速度以及時(shí)速的快慢。電控系統(tǒng)是將交流電機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)等作為一種新能源技術(shù);而在我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的多態(tài)電動(dòng)汽車研發(fā)工作中，則重點(diǎn)研究的是開發(fā)了一種新型多態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，這在新能源電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景也是十分巨大且具有潛力的;在目前的新能源汽車電控系統(tǒng)中，永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)是新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最多的，PWM控制技術(shù)和永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)一直都是其主要的技術(shù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)永磁直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，而隨著電力電子技術(shù)快速進(jìn)步和發(fā)展帶來的IGBT 等功率控制模塊，永磁直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)水平也因此得到進(jìn)一步提高。

2.3 能源回饋系統(tǒng)的發(fā)展

在對(duì)新能源汽車的開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)能源再綜合利用最重要的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是對(duì)能源回饋系統(tǒng)進(jìn)行了研究，目前正在對(duì)汽車電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特征及其動(dòng)力學(xué)物理特點(diǎn)等進(jìn)行研究工作中，利用變頻器能夠?qū)λ械哪芰吭倬C合利用，下面就簡單介紹一下新能源汽車的電控系統(tǒng)。在許多傳統(tǒng)的汽車中，制動(dòng)所需產(chǎn)生的剩余能量都實(shí)際上是以汽車熱量的方式散失掉，制動(dòng)時(shí)剩余能量的回饋系統(tǒng)就是可以通過車輛牽引電機(jī)在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，將其牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)動(dòng)機(jī)，依賴于車輪的拖動(dòng)電機(jī)所產(chǎn)生的電能及車輪制動(dòng)的力矩，從而把制動(dòng)時(shí)剩余的能量直接轉(zhuǎn)化成電能并儲(chǔ)存起來，達(dá)到了提高車輛續(xù)航行駛里程的目標(biāo)。能量反饋系統(tǒng)對(duì)于新能源汽車的應(yīng)用發(fā)展有著不可忽視的作用，未來應(yīng)用范圍內(nèi)也是極其可觀。

3 電動(dòng)汽車發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾源

電動(dòng)汽車的一個(gè)電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流過其中一個(gè)中樞線圈驅(qū)動(dòng)繞組的瞬變電流就可能會(huì)直接發(fā)生高速度頻率地通過切斷，因此線圈會(huì)直接切斷導(dǎo)致這個(gè)線圈繞組中的交流電磁場立即完全消失，線圈中的繞組與其中的交流電發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)直接產(chǎn)生一個(gè)超過千伏的時(shí)間瞬變瞬流過電壓，此種異常現(xiàn)象特別是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高速啟動(dòng)以及高速制動(dòng)時(shí)尤為明顯，當(dāng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)電機(jī)中樞驅(qū)動(dòng)繞組的瞬變電流突然被自動(dòng)切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)的一個(gè)定子勵(lì)磁器就會(huì)切斷使得驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與原電機(jī)中樞驅(qū)動(dòng)繞組的瞬變電流直接產(chǎn)生和一個(gè)原電機(jī)中樞電動(dòng)勢(shì)一樣是由于相同感應(yīng)方向的一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而這個(gè)相同感應(yīng)方向的電流疊加就可能會(huì)直接產(chǎn)生一個(gè)原來額定瞬變電壓10倍左右的瞬間瞬變過電壓，將來就會(huì)對(duì)電動(dòng)勢(shì)本身產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)能量并瞬間放電進(jìn)行快速釋放。被瞬間所驅(qū)動(dòng)釋放出來的這種能量就必然會(huì)通過一種傳導(dǎo)性或者說是一種電磁干擾的一種途徑，直接通過竄入傳送到它的低壓驅(qū)動(dòng)控制電路和它的總線，干擾他們的控制模擬和數(shù)字電路的正常工作運(yùn)行，從而直接引發(fā)系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，從而直接造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)高壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)生故障或自動(dòng)停機(jī)。除了使用電動(dòng)機(jī)外，由于動(dòng)力電機(jī)和電動(dòng)控制器所連接造成的各種電磁干擾也是一個(gè)完全不可能被忽略的安全問題。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器開關(guān)是一種通常采用IGPWMG來控制的開關(guān)方式，其采用IGBTM的開關(guān)感應(yīng)頻率范圍可以達(dá)到高達(dá)4khz至8khz，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器在高頻電機(jī)工作時(shí)，開關(guān)的一定頻率下所感應(yīng)產(chǎn)生的瞬間紋波和瞬時(shí)電流脈沖幅值很高，會(huì)對(duì)高壓電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部的各種低壓電機(jī)控制電路單元信號(hào)產(chǎn)生各種信號(hào)上的失真甚至可能是電流失控;而且，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部的裝在繼電器等觸點(diǎn)上的開關(guān)在電機(jī)斷起瞬間，上千個(gè)萬安培拉弧形的放電所感應(yīng)產(chǎn)生的紋波電流脈沖數(shù)值誤差都會(huì)迅速地逐漸減小或迅速縮短而達(dá)到零，由于裝在繼電器等觸點(diǎn)上的開關(guān)大多數(shù)都是由多個(gè)電感線圈相互圍繞而來組成，因此其在開關(guān)斷起瞬間就可能會(huì)迅速產(chǎn)生瞬時(shí)的紋波電壓和電流脈沖，將對(duì)于它的低壓控制電路信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的傳導(dǎo)性能和電磁干擾。再次，電機(jī)直流控制器件所輸出的一個(gè)新型高壓直流也極有可能認(rèn)為是通過驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線以一種傳導(dǎo)性或一種電磁干擾的耦合形式和一個(gè)新的低壓直流驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線之間的一種電容性相互耦合和一種電磁傳感性能的耦合從而直接地會(huì)影響涉及到整個(gè)電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行工作。

4 電動(dòng)機(jī)控制器的過電流故障

過電流故障通常指的是一種用于電動(dòng)汽車中的電機(jī)控制器經(jīng)常出現(xiàn)的故障，主要表現(xiàn)為突變特征和峰值特征。通常表現(xiàn)為：

動(dòng)汽車的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的三相輸出和兩端三相供電線路經(jīng)常會(huì)同時(shí)發(fā)生漏電短路，致使超大的輸出電流。

電動(dòng)汽車出現(xiàn)急瞬間高速剎車時(shí)，由于電動(dòng)車子自身的整個(gè)負(fù)載制動(dòng)慣性比較大，加速（加或減）和換擋的持續(xù)時(shí)間被系統(tǒng)設(shè)定得太短，電機(jī)制動(dòng)控制器的正常工況主要是由于電機(jī)作業(yè)速度頻率的緩慢上升速度太快，同步電機(jī)的定子轉(zhuǎn)速迅速地緩緩上升和制動(dòng)停止而減速下降，使得整個(gè)同步電機(jī)本來就是同樣處于轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)所同樣發(fā)生的旋轉(zhuǎn)磁場和整個(gè)定子高速運(yùn)行時(shí)所同樣發(fā)生的一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場相同，電機(jī)振動(dòng)控制器的輸入電源輸出側(cè)不正常、輸入電源側(cè)電路斷線、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障而振動(dòng)致使的過載和電流發(fā)生故障。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于受到了電磁干擾而產(chǎn)生的影響，漏電流增加，發(fā)生了軸線電流、軸線電壓，致使驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器產(chǎn)生了過電流。

當(dāng)一個(gè)電機(jī)響應(yīng)控制器的一個(gè)響應(yīng)控制電路同時(shí)受到了各種電磁干擾，致使一個(gè)電機(jī)控制響應(yīng)信號(hào)同時(shí)發(fā)生控制過錯(cuò)，速度快的響應(yīng)控制信號(hào)在此時(shí)丟失或從而不能正常進(jìn)行工作時(shí)，也就有可能因此致使產(chǎn)生超過大的電流。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的電流容量設(shè)置選擇與電機(jī)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)特性不完全相符，致使一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)功能及其運(yùn)動(dòng)作業(yè)反常，形成一定的電流通過負(fù)載電流;電機(jī)的控制器的參數(shù)設(shè)置不正確及其在硬件電路中的可靠性有所問題，也就是可能會(huì)導(dǎo)致超負(fù)荷的電流。

短期內(nèi)IGBT的電流數(shù)值改變太多也可能會(huì)直接導(dǎo)致超負(fù)荷的過電流;若瞬時(shí)停止或中斷，電流就會(huì)發(fā)生高潮，致使超出電流;當(dāng)電機(jī)控制器正常復(fù)位時(shí)再次起動(dòng)就會(huì)造成一定的過電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的過載和電流主要引起原因可分為由于電機(jī)加速或減速器的運(yùn)行持續(xù)時(shí)間太長過短、負(fù)載突然發(fā)生驟變、電壓溫度超標(biāo)或電流過低、斷相、短路、漏極過電流、電磁干擾和其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部電子元件的發(fā)生故障而直接引起。

5 結(jié)語

電動(dòng)汽車和商用車的電機(jī)控制器的電機(jī)故障過程對(duì)電流進(jìn)行保護(hù)已經(jīng)是非常重要，故障電流保護(hù)從使用電機(jī)故障控制器開始設(shè)計(jì)產(chǎn)品，從開始一直到最后的調(diào)試產(chǎn)品，所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制、采購、加工、調(diào)試等都已經(jīng)是很必要的，并且需要系統(tǒng)性不斷地反復(fù)思考著電機(jī)故障的各種疑問。文主要目的是通過理論分析和研究對(duì)比現(xiàn)階段的我國電動(dòng)汽車電動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)理論研究和產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用情況，交流式電機(jī)因其系統(tǒng)構(gòu)造簡單牢靠、所需要占用的電源體積小、質(zhì)量輕以及實(shí)際工作效率相當(dāng)高等三大特性從而得到了各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展中電動(dòng)汽車技術(shù)研究者和技術(shù)開發(fā)設(shè)備廠商的高度重視。

基金項(xiàng)目：廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院2019年校級(jí)科研課題“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)”（NY-2019KYYB-26）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王聰慧，張臻，單棟梁等.電動(dòng)汽車直流充電機(jī)軟啟動(dòng)控制策略的研究[J].電源技術(shù)，2019，43（08）：1395-1396，1402.

[2]鄒亮亮.基于英飛凌Tricore的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)控制器研究[D].長安大學(xué)，2014.

[3]于寅虎.新型電機(jī)控制技術(shù)用于電動(dòng)汽車的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2014，21（09）：12-13.

[4]胡明江，王忠，袁銀南，楊師斌，祁利巧.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車ISAD電機(jī)控制電路研究[J].汽車工程，2008（03）：206-210.

[5]董艷艷，王萬君等.純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2017.4.1-4.