纯电动汽车电机驱动系统故障树的构建

摘要：随着环境问题及能源危机问题日益严重，纯电动汽车技术也在不断地成熟和发展，并已经逐渐步入产业化的进程。在纯电动汽车复杂的工作环境下，动力及其控制系统可能会出现不同程度的故障，本文主要针对电机驱动系统故障构建故障树。

关键词：纯电动汽车;电机驱动系统;故障树

作为新能源汽车三大核心部件之一的驱动电机系统，它的组成部分主要有电动机、功率转换器、控制器及各种传感器等。目前，纯电动汽车使用最多的是永磁同步电机，如果电机的逆变器出现问题，电机将会断相运行，从而使电机温度过高，绝缘老化，而烧毁电机或电机输出转矩减小，且有波动，这就是永磁同步电机电控系统故障[1]。故障诊断能够找到系统出现故障的位置，并为找到合适的解决方案提供理论基础。

1 驱动电机系统的基本结构及功能

根据分类方式的不同，驱动电机又可分为不同的种类。电机作为纯电动汽车的核心组成，为满足车辆的不同需求，正常工作要满足的条件如下：

①高压电源输入正常（绝缘性能大于20MΩ）：

②低压12V电源供电正常（电压范围为9 - 16V）;

③与整车控制器通信正常;

④电容放电正常;

⑤旋变传感器信号正常;

⑥三相交流输出电路正常;

⑦ 电机及电机控制器温度正常;

⑧开盖保持开关信号正常。

一般情况，纯电动汽车上使用的电机主要为交流异步电机，混合动力汽车上使用的电机主要为永磁同步电机，新能源客车上使用的电机则主要为开关磁阻电机。目前，就我国各类驱动电机的使用情况而言，新能源商用车（尤其是新能源客车）上使用的电机主要为交流异步感应电机和开关磁阻电机，开关磁阻电机则实际使用较少;新能源乘用车上使用的电机主要为永磁无刷直流电机。载能力、寿命、结构的坚固性以及电机成本等方面的情况。对比可知，永磁电机的功率密度、效率及电流比最高，且电机质量轻、结构较坚固、操控性能好;直流电机的外形尺寸大，质量重，功率密度低，开关磁阻电机的各项表现比较好，但噪声最高;感应电机的各项表现也都比较合理，但其转矩/电流比较小，尺寸偏大。目前，这些电动机在电动汽车上均在使用。但是直流电机、感应电机和开关磁阻电机的使用相对较少，永磁同步电机相对应用更加广泛。

2 驱动电机及其控制系统的故障及分析

图1归纳了永磁同步电机和它的控制器故障。其中电气故障、永磁体故障、机械故障和控制器故障为驱动电机的主要故障。其中定子绕组断路，短路或搭铁故障为定子故障中的的主要电气故障;永磁体退磁则为永磁体的主要故障;轴承故障、气隙不均等是主要的机械故障。电机控制器故障对于驱动系统而言至关重要，信号的传递情况，将直接影响电机的输出。控制系统中的传感器故障影响着整个系统的运行[3]。

电机的滚动轴承长时间高负荷运转或润滑不充分，会导致其故障发生的频率最高;定子绕组类故障次之。轴承故障会导致轴承彼此摩擦，异常振动，严重时会烧毁轴承;定子绕组故障，会导致电机输出转矩和平均输出功率下降，严重会造成接地故障，而烧毁电机。因此，對于定子绕组故障需要采取有效的安全防护措施，尤其是绝缘线圈，导致其绝缘损坏或老化的最主要原因就是温度，其冷却系统对于保证电机的性能及安全起到了至关重要的作用;永磁体退磁故障也会导致电机输出转矩及效率下降，电机温度升高等;不同传感器故障，会导致点击不同程度的损伤。

检测定子绕组短路的方法主要为负序电流法，而通过逆变器供电，则可以排除由于其他因素而产生的负序电流，因此能够更加准确的检测其故障。当电机停机时，还可使用高频电压法来进行绕组短路故障的诊断;当电机接通高频三相电时，则可通过分析其电流情况来进行匝间短路故障的诊断[2]。

3 电机及其控制系统故障树

采取系统故障演绎来进行推理的一种方法叫做故障树分析法，它通过逻辑分析来进行故障诊断。通过由上到下层层分析，从故障现象中找到可能导致故障的子系统，当单个故障或多个故障同时发生时，可以通过树状逻辑因果关系图来进行表示，用符号去表示故障现象与各故障间的关系[3]。

基于上述永磁同步电机及其控制系统的各种故障现象、故障引起的影响及故障原因，通过故障树能够直接描述出系统故障现象、子系统故障现象和各故障间的关系。相比于单一的故障分析，故障树分析法能够更好地描述复合型故障。

图2图4分别表示电机电气、机械以及其控制器的故障树。在电机电气故障树中能够发现，匝间短路、线圈间短路、相间短路、绕组接地可能会导致绕组短路故障;在机械故障树中不难发现，轴承故障可能由于润滑不充分，零部件磨损严重，压痕或断裂而引起;在电机控制系统故障树中可以看到，高温老化、校准误差或者机械震荡可能引起传感器故障。

4 结论

本文首先介绍了现阶段应用于电动汽车上最多的永磁同步电机的基本结构和功能。在此基础上，分析了电机及其控制系统的故障传输过程。归纳总结了各子系统部件的不同故障现象及产生的原因。对于三相永磁同步电机而言，最严重的故障是定子绕组短路，可能使电机瞬间停止工作甚至烧毁电机;电流及转子位置传感器故障则会干扰到控制指令的发出，从而导致电机输出转矩波动剧烈。在分析了电机及其控制系统各部件的故障现象后，通过故障树描述了系统与各部件故障之间的逻辑关系，最终构建出电机及其控制系统故障树。

基金项目：本文系2019年度广州南洋理工职业学院校级科研项目“电动汽车电机驱动系统故障诊断推理机的设计”[课题编号：NY-2019KYYB-26]的研究成果

参考文献：

[1]于海芳，刘志强，崔淑梅电动汽车电机驱动系统故障与失效模式分析[J].电力电子技术，2011，12：069-071

[2]刘真通基于模型的纯电动车辆动力系统故障诊断研究[D]北京理工大学，2016.

[3]夏淑英，基于模糊故障树的汽车故障诊断研究[J]科技展望，2017，06： 043

作者简介——

赵旭：（1992-），女，广东广州人，硕士研究生，助教。研究方向：新能源汽车技术。