基于多参数的纯电动汽车电机短路故障研究

尹爱华,李政原，万培懿，左付山*

(1.江苏省无锡交通高等职业技术学校， 江苏 无锡 214151； 2.南京林业大学 汽车与交通工程学院， 南京 210037)

0 引言

电机驱动系统作为电动汽车的动力核心，其工作情况决定了整车的运行状态[1-2]。目前电动汽车广泛使用永磁同步电机作为驱动电机，该电机驱动系统中每一个部分的工作状态都会造成不同类型故障的发生[3]。电机本体是电机驱动系统的主要部件，其常见的故障形式是电机相间短路[4-6]，表现方式不尽相同，诊断过程较复杂。因此，亟需针对电机故障进行诊断，从而快速准确地发现故障原因，为车辆的运行提供可靠的技术保障。

关于电机故障诊断方面，国内外学者进行了大量的研究。波兰AGH科学技术大学Glowacz[7-10]在电机故障诊断方面做了大量研究，开发并实现了一种声学信号的特征提取方法，从而实现对单相感应电动机的轴承、定子和转子的故障诊断。阿尔及利亚Khodja[11]提出了短时傅里叶变换，还提出了最大值定位算法，两种算法分析相关联，以诊断变速运行的PWM逆变器感应电动机的轴承故障。

江苏大学薛红涛等[12]利用狼群算法对多个特征参数融合，实现轮毂电机的漏电故障检测。LI等[13]利用深度神经网络算法，通过预处理电机电流信号诊断行星齿轮故障。李世涛[14]以异步电机故障诊断为研究对象，阐述在不同的故障状态下振动信号的变化情况，并将其作为判断电机故障的标准，在模糊神经网络的基础上建立适用于电机故障诊断的系统。

本文从电机相间短路的角度展开研究，首先分析了电机驱动系统的运行特点，其次分析电机故障模式，并指出相间短路故障分析难度较大，最后运用层次分析法，对影响短路的温度、三相电流和三相电压等参数的影响权重进行建模、仿真分析，从而准确地判断出故障发生的原因，为车辆的正常运行提供技术保障。

1 电机驱动系统的运行特点

永磁同步电机驱动系统和电机变频调速系统类似，只是工作环境更加复杂和特殊，因此这两个系统出现的故障体系也基本相同。从工作环境、运行情况来看，永磁同步电机驱动系统与电机变频调速系统存在区别，图1是某复杂工况下永磁同步电机驱动系统的工作状态[15]。永磁同步电机驱动系统在运行过程中，工况非常复杂，需要不断启停、加速和减速，一直处在不平稳的运行状态下。永磁同步电机驱动系统中，许多故障与其运行状态和特点有关[16]。电机需要在发电和电动两种状态下不断切换，因此永磁同步电机的转矩和调速范围很宽。系统一直在这种复杂工况中运行，会由于加速和多余的振动出现多种不同的故障。

同时，纯电动汽车在行驶过程中，电池的SOC容量和动力电池电压都会不断减小，造成汽车动力性下降，系统的控制能力减弱，从而导致不同故障的发生。

图1 某复杂工况永磁同步电机驱动系统的工作状态Fig.1Working state of permanent magnet synchronous motor drive system in a complex working condition

2 驱动电机故障模式

驱动电机作为电动汽车驱动系统的重要部件，其结构相对复杂，所以其所产生故障的复杂性也很高。驱动电机按故障模式可以分为损坏型故障、退化型故障、松脱型故障、失调型故障、阻漏型故障和功能型故障6种[17]。驱动电机损坏型故障主要有：转子偏心故障、轴承故障、相间短路故障、定子单相接地故障和定子绕组短路/断路故障；电机本体退化型故障模式有永磁体退磁故障和定子绕组绝缘老化故障；松脱型故障模式有定子铁芯松动故障和传感器接插件松动故障；失调型故障模式有间隙超差故障、运动件干涉故障和性能失调；阻漏型故障模式有冷却水路堵塞不畅故障和冷却水路渗漏故障；其他故障模式有噪声和振动故障等。

在电机本体故障模式中，轴承磨损、绕组绝缘老化、定子铁芯松动、传感器插接件松动、冷却水路堵塞不畅和渗漏是比较容易发现的故障现象，通过观察判断就能够找出故障部位；而相间短路故障、定子单相接地故障和定子绕组短路/断路，这些故障原因往往伴随着电机性能参数的变化，出现故障时，电机的三相电流幅值和三相电压会有不同程度的变化。其中相间短路故障较为常见而且较难直接找出故障原因，故障分析的难度也较大。

3 多参数诊断方法分析

3.1 多参数分析模型建立

电动汽车的故障分析，通常是采用单一参数分析的方法。但单一的参数分析有时很难准确判断故障原因。电机驱动系统出现故障时，常常伴随着多个参数的变化，多参数分析可以更准确地发现故障的原因。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种科学的多参数分析方法。该方法由美国研究运筹学的Saaty等[18]创立，其核心内容是将事物分层，经过AHP方法分析，能够清楚展现目标的权重，可以通过每个指标的相对重要性来确定权重系数。运用该方法所需定量数据信息较少，可以对电机本体及电机控制器性能参数和故障之间的关系进行系统性综合分析。电机中相间短路故障是出现概率最高的故障。

由于永磁同步电机的功率密度很高，极易造成散热问题，所以散热不良、温度过高是造成电机定子相间短路的原因之一。当电机三相电流和三相电压出现较大幅值变化时，也会出现电机定子相间短路故障。

电机定子相间短路故障原理如图2所示，图2中阻值R大小的不同，可以模拟故障的严重程度。对于相同程度的故障，影响这些故障的参数值的权重大小排列往往是相同的。由于永磁同步电机的功率密度很高，易造成散热问题，所以散热不良、温度过高是造成电机定子相间短路的原因之一；当电机三相电流和三相电压出现较大幅值变化时，也会出现电机定子相间短路故障，所以影响定子相间短路的参数为三相电流、三相电压和温度。根据层次分析方法的要求，将定子相间短路故障作为目标层，将温度、三相电流和三相电压作为方案层，建立定子相间短路的影响参数模型，如图3所示。

图2 电机定子相间短路原理图Fig.2 Schematic diagram of motor stator phase-to-phase short circuit

图3 定子相间短路影响参数模型Fig.3 Parameter model of stator phase-to-phase short circuit

3.2 判断矩阵的建立

根据层次分析法中相对重要程度分类方法，建立模型中各层的判断矩阵。每个权重的计算采用统一标度，对同一层的元素进行两两比较后得到判断矩阵。统一标度即为权重判断矩阵的标度，权重见表1。

表1 权重判断矩阵标度Tab.1Weight judgment matrix scale

3.3 各元素权重值计算

根据层次分析法，设判断矩阵为AX，求出AX的权重向量并归一化为ωX。最后求出方案层对目标层的权重向量。按照表1中标度建立层次分析法判断矩阵见表2。

表2 判断矩阵赋值表Tab.2 Judgment matrix assignment table

则判断矩阵A为：

将上面矩阵进行归一化处理，公式为：

(1)

(2)

(3)

式中：n为方案层元素个数；αin为判断矩阵A中的元素；Wi为方案层各元素的几何平均值；ωi为方案层各元素的归一化数值。

经检验满足一致性要求，故归一化处理后得到的待验权重系数矩阵ω即为方案层各元素的确定性权重系数矩阵。故得到方案层各元素的相对权重，即温度、三相电流和三相电压对于故障的影响权重值分别为0.072、0.649、0.279，将计算得到的权重写在图中对应的元素上，得到完整的定子相间短路影响参数模型，如图4所示。由此可得，在多参数模型中，对于电机相间短路故障来说最重要的影响参数是三相电流。

图4 加权后的定子相间短路影响参数模型Fig.4 Weighted stator phase-to-phase short-circuit influence parameter model

用Matlab/Simulink中的永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)模型进行相间短路故障仿真，仿真时间共3 s，设置故障发生的时间段为1～2 s。永磁同步电机相间短路模型如图5所示。其中，Discrete PI Controller为速度PI环，iq为q轴电流PI环，id为d轴电流PI环，由此可实现永磁同步电机速度电流的双闭环控制，使永磁同步矢量控制具有较好的动态响应和速度控制性能。仿真中通过改变Tm的值，即改变电机每相间的阻值大小，实现电机短路故障的设置。仿真完成以后的三相电流和三相电压如图6和图7所示。

图5 永磁同步电机相间短路模型Fig.5 Permanent magnet synchronous motor phase-to-phase short circuit model

图6 定子相间短路三相电流图Fig.6 Three-phase current diagram of stator phase-to-phase short circuit

图7 定子相间短路三相电压图Fig.7 Three-phase voltage diagram of stator phase-to-phase short circuit

由图6三相电流图可以看出，三相电流A、B相在1 s时立刻出现尖峰，从200 A瞬时上升到400 A，是原来电流的2倍。由此可见，A、B相出现了短路故障，随后电流幅值逐渐恢复正常，与正常值相比230 A的电流仍然高于正常值，如果没有及时发现故障，很可能出现线路烧毁的严重后果。图7中，A、B相电压1 s之后出现了小幅减小，随后出现了震荡。综合这两张图，三相电流和三相电压是出现定子相间短路的主要特征参数，相电流的幅值变化较相电压更加明显，与定子相间短路影响参数模型较为符合。由此可见，多参数分析模型在分析驱动电机故障时，可以得出短路故障影响因素是较大的参数，再以影响因素较大的参数为基础进行短路故障分析，是一种切实可行的故障分析方法。

4 总结

纯电动汽车在工作中影响电机驱动的因素很多，本文对纯电动汽车驱动电机常见的相间短路故障进行分析，并对影响短路的温度、三相电流和三相电压等参数的影响权重进行了建模、仿真分析。仿真结果表明，相间电流变化对于短路故障的影响最大，在多参数分析中起到了至关重要的作用。因此，在纯电动汽车使用性能评价中，要注重相间电流的变化特征或波形的分析，可以准确地判断故障发生的原因，为车辆的正常运行提供技术保障。