新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷研究

聞俊杰，白國軍

(廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)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(tǒng)，如圖1所示，內(nèi)含皮帶式起動發(fā)電機(Belt Starting Generator，BSG)和驅(qū)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(tǒng)構(gòu)型

該電機驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)矩，高速行駛時低轉(zhuǎn)矩，寬的調(diào)速范圍，并且能在惡劣的環(huán)境下保持正常、可靠地工作，其可靠穩(wěn)定的工作是電動汽車正常運行的前提，并且其工作狀態(tài)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(jiān)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(fā)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(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了辨識故障時間以及分離出故障部位的困難度，因此，驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷有其重要性和必要性。

1 電機驅(qū)動系統(tǒng)故障分類與等級劃分

1.1 電機驅(qū)動系統(tǒng)故障分類

本文作者僅針對系統(tǒng)中導(dǎo)致電機驅(qū)動系統(tǒng)故障、影響整車正常運行的元件或部件故障進行研究。根據(jù)故障的原因、性質(zhì)、機制、程度、產(chǎn)生的速度、發(fā)生的時間以及故障產(chǎn)生的后果，可以將故障進行不同的分類。由故障的表現(xiàn)形式及誘發(fā)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(diào)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(qū)動系統(tǒng)故障模式分類

快速找出故障原因，追溯產(chǎn)品設(shè)計(含選型)、制造、使用、管理存在的不良因素，提出改進措施，預(yù)防故障的再發(fā)生，能夠有效提高產(chǎn)品可靠性，降低全壽命周期成本。對于復(fù)雜系統(tǒng)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(tǒng)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(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。它通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進行分析，畫出故障邏輯圖，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合，利于對系統(tǒng)故障診斷以及故障產(chǎn)生的機制進行分析。電機驅(qū)動系統(tǒng)軟、硬件故障樹分別如圖2和圖3所示。

圖2 電機系統(tǒng)軟件故障樹

圖3 電機系統(tǒng)硬件故障樹

1.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)故障等級的劃分

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

(1)故障等級Ⅰ級

當發(fā)生這類故障時，預(yù)警電機驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，此類問題不會傷害電機驅(qū)動系統(tǒng)，同時根據(jù)問題的輕重進行線性降功率，當此類問題消失，電驅(qū)動系統(tǒng)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(fù)的功能。

(2)故障等級Ⅱ級

當發(fā)生這類故障時，預(yù)警電機驅(qū)動系統(tǒng)將會受到損害，不能滿足正常動力輸出且會對整車性能產(chǎn)生影響，此時電驅(qū)動系統(tǒng)自動關(guān)閉PWM輸出，停止功率輸出；此類故障不能自動恢復(fù)，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(fā)生此類故障時，警示電機驅(qū)動系統(tǒng)有危險性，且對整車的安全性產(chǎn)生影響，此時必須斷高壓，且故障不能清除，同時要求專業(yè)人員進行檢查。

此外，通過對標同構(gòu)型的東洋、電裝開發(fā)產(chǎn)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(qū)動系統(tǒng)故障檢測與處理措施

車用動力電機系統(tǒng)故障影響整車運行的程度不同，需依據(jù)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(shè)定影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，既能準確地判定出故障，又不會使系統(tǒng)嚴重冗余是檢測條件設(shè)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(shù)參數(shù)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(shù)與性能要求[4]，對于不同因素導(dǎo)致的故障，分別設(shè)定檢測閾值或采取相應(yīng)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(shè)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(qū)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(yīng)商設(shè)定的)，驅(qū)動電路就會發(fā)出FO故障信號(高電平)，同時關(guān)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)，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(fā)生短路，造成線電流過大；或由于旋變信號受干擾，導(dǎo)致相電流畸變。

該故障閾值的設(shè)置是根據(jù)IGBT工作電流70%設(shè)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(fā)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?；旌蟿恿囉秒姍C系統(tǒng)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(fā)原因是發(fā)電指令過大導(dǎo)致。閾值的設(shè)置是根據(jù)母線電壓值400 V設(shè)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(guān)系如下式：

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

其中：Tex為電機執(zhí)行轉(zhuǎn)矩；Tcom為轉(zhuǎn)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(tǒng)發(fā)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(xù)出現(xiàn)大功率扭矩工況或水路循環(huán)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(tǒng)就會報電機過溫故障，設(shè)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(dǎo)致整個電機系統(tǒng)故障頻發(fā)，控制器的輸出功率受限。控制器的核心就是開關(guān)器件構(gòu)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(jié)溫(器件的結(jié)溫一般為150 ℃)的影響，外界溫度升高，在結(jié)溫定值的前提下，開關(guān)損耗必然要減小，將導(dǎo)致電機控制器不能以全功率輸出，系統(tǒng)性能嚴重降低。

過溫的主要原因一般有：持續(xù)出現(xiàn)大扭矩工況，即長時間處于過載運行狀態(tài)；水循環(huán)不良；也有偶發(fā)控制器內(nèi)部溫度檢測部分發(fā)生故障，導(dǎo)致檢測出的信號出現(xiàn)異常。

此閾值設(shè)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(zhuǎn)速超過12 500 r/min時系統(tǒng)就會報電機超速故障。設(shè)置此閾值原因如下：電機在高速運行時，轉(zhuǎn)子受到離心力及電磁力的作用會發(fā)生變形(極小)，以此來保護轉(zhuǎn)子不被機械應(yīng)力損壞。

故障碼7：相電流過載報警

此時電動機能夠旋轉(zhuǎn)，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(qū)動系統(tǒng)上報的最高級別的故障。該值的檢測意義有：直流發(fā)生短路時的短路保護，或IGBT出現(xiàn)直通時的保護；轉(zhuǎn)矩監(jiān)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(guān)系來判定實際轉(zhuǎn)矩執(zhí)行的準確度和電機運行狀態(tài)；整車電流平衡，用于檢測電池電流、DC/AC、DC/DC電流的平衡關(guān)系，判定電源系統(tǒng)狀態(tài)。此外，該值一旦出現(xiàn)過流，對整車安全會造成威脅。

該閾值設(shè)置為250 A。

故障9：CAN通信故障

混合動力車用電機系統(tǒng)的指令執(zhí)行以及系統(tǒng)狀態(tài)反饋都是通過 CAN 通信傳遞的，通信的正常與否直接關(guān)系到系統(tǒng)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(dǎo)致信號線斷線或插接件插接不牢。(2)電磁干擾。電磁干擾導(dǎo)致 CAN 線傳遞信號發(fā)生突變，影響指令的執(zhí)行和整車對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測。

該閾值設(shè)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(fā)生在整車電動的工況。當系統(tǒng)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(fā)熱大，時間長的話會造成電機繞組絕緣性能降低，最終會發(fā)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(yù)充電回路沒有切斷。

母線電壓小于190 V時系統(tǒng)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(guān)系如下式：

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

其中：Tex為電機執(zhí)行轉(zhuǎn)矩；Tcom為轉(zhuǎn)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(jù)指令輸出功率(215 V時電機實際轉(zhuǎn)矩Treal=Tcom×(215-189)/54)。

故障11：DCDC故障

由于某混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)DCDC通過硬線受控于電機控制器，故當DCDC發(fā)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(xiàn)狀可通過后續(xù)的設(shè)計改進完善，目前關(guān)于DCDC故障時的具體類型，在實際應(yīng)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(shè)定見表3。

表3 DCDC故障表

故障12：電機堵轉(zhuǎn)故障

為了保護功率器件不被損壞，當電機轉(zhuǎn)速小于50 r/min、同時轉(zhuǎn)矩大于40 N·m堵轉(zhuǎn)條件成立，開始計時，如上述條件持續(xù)12 s時，系統(tǒng)就會報電機堵轉(zhuǎn)故障。堵轉(zhuǎn)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(shè)置為120 ℃

故障14：控制器溫度報警

此故障閾值設(shè)置為80 ℃

圖4 BSG電機堵轉(zhuǎn)時扭矩輸出曲線

故障13、故障14兩故障閾值設(shè)置有別于故障4、故障5的閾值設(shè)置，意在當出現(xiàn)故障4、故障5時，會通過CAN信號發(fā)送至車輛儀表盤中故障指示燈，警示駕駛員此時電驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)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(tài)和故障狀態(tài)，若此時電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)接受旋變傳感器提供的錯誤采集信息，必將引起電機驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)高性能的前提條件。如果電流傳感器出現(xiàn)故障，不僅會導(dǎo)致電動汽車性能下降，甚至?xí)＜榜{駛員人身安全。

3 結(jié)論

混合動力乘用車電機驅(qū)動系統(tǒng)故障形式多，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因復(fù)雜。通過對故障機制的分析，應(yīng)用故障樹分析法，有利于電機驅(qū)動系統(tǒng)故障的快速、準確排除。經(jīng)實車排故表明，從系統(tǒng)角度出發(fā)，綜合考慮整車性能輸入和控制策略要求，合理設(shè)定檢測條件，不斷優(yōu)化故障處理措施，能夠預(yù)防故障的再發(fā)生，有效提高電驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，降低全壽命周期成本。