电动汽车驱动电机系统故障分析＊

王学军，张坤，刘玉振

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

1 电动汽车概述

1.1 概念及特点

电动汽车是纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车的总称。其中纯电动汽车是指完全由电能提供驱动能量，由电动机驱动的车辆。电动机的驱动电源来自车载可充电储能系统或其他储能装置。纯电动汽车无废气污染，噪音低，能源来源广，能量转换效率高，结构简单，操作维护方便。它可以利用电网廉价的“谷电”进行夜间充电，但行驶里程短，动力电池使用寿命短，价格昂贵。主要用于比亚迪E6、特斯拉（美国）、北汽 EU260。混合动力汽车（HEV）是指能够从消耗的燃料和可充电电能储存装置储存的至少两种车载能量中获取动力的车辆。它具有尾气污染小、节能、行驶里程长等优点。它可以利用现有加油站加油，不需要投资。然而，长距离高速行驶很难节省燃油。适用于普锐斯（日本）、比亚迪秦、比亚迪唐骏、荣威550等。燃料电池电动汽车是指以燃料电池系统为单电源或以燃料电池系统为混合动力源的电动汽车。它具有无污染、能量转换效率高、工艺复杂、成本高等特点。适用于奔驰B级车、丰田迈锐。

1.2 结构及工作原理

（1） 纯电动汽车（BEV）基本组成

与传统燃油汽车相比，BEV主要在动力装置上有所不同，底盘、车身等其他车辆也基本相同。电动汽车主要包括动力电池、驱动电机、控制系统和电动空调、电动转向和电制动，俗称三大三小部件。BEV保留了传统汽车的油门踏板、制动踏板和各种控制手柄，但不需要离合器。

（2） BEV基本工作原理

当电动汽车工作时，传感器将油门踏板和制动踏板的行程转换为电信号，并发送给中央控制系统。驱动信号经中央控制器处理后，发出控制电动车工作状态的信号。

汽车前进时，由电机控制系统将电池组的直流输出转换为交流电源，由驱动系统驱动电机输出转矩驱动车轮。

当汽车减速时，车轮带动驱动电机旋转。通过电机控制系统，感应电机变成交流发电机产生电流，然后将交流电转换成直流电给电池组充电（制动再生能量）。同时，BEV 控制系统通过各种传感器和电流检测器对动力电池组和驱动电机进行监控，及时反馈信息和报警，并通过电流表、电压表、电能表、转速表和温度计进行显示。

2 电动汽车动力驱动系统

动力传动系统是介于电动汽车储能装置和车轮之间的重要系统。它的作用是将电能转化为机械能，克服各种形式的滚动阻力、气动阻力、加速度和上坡阻力，在制动时将动能转化为电能储存起来。电机驱动系统、储能系统和动力传动系统是整车的关键技术。电传动系统由驱动电机和控制系统组成。

2.1 驱动电机原理

驱动电机是实现汽车驱动的电能和机械能转换的关键部件，是典型的机电混合部件。有“电动汽车的心脏”之称。

电机的基本原理都是以电磁感应原理为基础。以单匝电枢线圈的直流电机为例（图3-1a），将通电线圈置于磁场中，直流电通过电刷和换向器铜片引入。当电流1，从A电刷经a-b-c-d到B电刷时（图3-1b），根据左手定则判定，匝边ab和cd受到的磁场力F方向如图63-1b所示，这个电磁力将形成力矩，使线圈逆时针转动；当线圈转到换向片A与负电刷接触，换向片B与正电刷接触时，如图3-1c所示，电流方向改变为dc-b-a，同时匝边ab和ed的位置也改变，电磁转矩的方向保持不变，使线圈继续逆时针旋转[1]。

2.2 驱动电机的分类

电动汽车所采用的驱动电机种类繁多，目前主要有感应式交流电动机、永磁无刷电动机、直流电动机、永磁同步电机和开关磁阻电动机等。

其中直流电动机是最早的一种，具有控制系统简单、调节方便等优点。然而，由于其效率低、体积大、质量大，限制了电机性能的提高。感应电动机的效率和功率比直流电动机好，是一种普通电动机。永磁无刷电机具有功率密度大、转矩脉动大的优点，适合于在高速区域进行方便、快速的弱磁调节，提高电机的驱动性能。开关磁阻电机具有制造成本低、控制系统相对简单等特点。它适用于宽范围调速，但能量转换密度低，噪声大。由于永磁同步电动机采用同步工作方式，其结构简单、轻便方便、控制性能好、效率高、综合性能好。

2.3 电动汽车电机驱动控制的性能要求

电动汽车驱动系统的控制特性主要取决于三个方面：驾驶员对电动汽车行驶性能的要求、汽车的性能约束和汽车能量系统的性能。车辆的加速性能、最大速度、爬坡能力、制动性能和续航距离构成了车辆的行驶性能。车辆本身的性能约束主要取决于车型和车辆重量；能量系统的性能与车辆电源如电池、燃料电池、电容器和各种混合能源有关。因此，电机驱动部分的性能确定和整体匹配应在系统平面上进行优化和调整。汽车是最常用的交通工具。车辆在行驶过程中，需要经常改变行驶状态。当汽车在泥泞路面或上坡时，平稳或高速行驶时需要低速和大扭矩。其速度范围必须能满足汽车从零到最高行驶速度（即要求电机具有较高的比功率）和功率密度的需要。因此，电机作为电动汽车驱动系统的核心部件，其性能、效率和重量将直接影响电动车的性能，因此电机主要性能的确定必须与电动车的性能要求相匹配。

其具体的要求如下：

（1）电机运行时必须有良好的稳定性。

（2）对电机驱动系统有很高的要求。为了提高电动机的功率密度，必须扩大电动机转速的有效范围。电机驱动系统的工作效率应在85%以上，转速范围应在80%以上。

（3）电机驱动控制的目的是为了提高汽车的动力性能，这就要求电机驱动系统在低速下具有高转矩输出。在输出过程中，过载时间不应太短，过载系数不应小于原来的2倍，过载时间不应少于4分钟，电机应保持恒定功率输出。

（4）以电机转矩或转速为控制目标，油门踏板、制动踏板和方向盘的给定位置是电机转矩或转速的目标值，要求转矩响应快、波动小、稳定性好[2]。

表1 不同电机性能的比较

3 驱动电机系统故障分析

驱动电机是电动汽车的核心部件，控制着整车的动态性能。为了保证驱动电机系统的正常运行，必须有效预防并及时排除驱动系统的故障，从而保证电动汽车的安全。为了保证系统的平稳和正常运行，系统需要处于一个合适的温度环境中，因此需要冷却设备。当系统温度超过极限时，会影响驱动系统的功率输出，系统部件会因高温而损坏，影响其正常的驾驶性能。

3.1 案例分析

一辆比亚迪e6电动汽车行驶中组合仪表出现“电机及控制器温度高”字样，要求服务站给予维修。

3.2 原因分析

（1）驱动电机故障：定子绕组短路、转子与定子碰摩、轴承损坏等；

（2）电机控制器故障：IGBT损坏、控制芯片损坏、逆变器故障；

（3）分解器故障：一次绕组损坏，二次绕组损坏，线路不良；

（4）传感器故障：连接器故障、零件损坏、线路不良；（5）冷却系统故障：水泵损坏、散热器不良、管路故障；（6）电路故障：高压电源电路故障、低压电源电路故障、线束和连接器。

3.3 故障诊断

（1）外部直观检查

1）检查冷却水泵是否有运转声音，管路是否损坏，接头是否松动，漏水，排除故障。

2）检查电机及其控制器外部是否有液体泄漏，管接头是否松动，排除故障。

3）检查电机及其控制器的外部高低压连接器是否完好，导线是否损坏，排除故障。

4）检查电机外部紧固螺钉是否松动，有无异常响声。（2）用仪器设备进行故障诊断

1）检查蓄电池电压：用万用表检查，标准电压值为11～14V，如果电压值低于 11V，在下一步工作前充电或更换蓄电池。

2）用诊断仪读取故障码：将诊断仪连接到DLC3诊断口，打开整车ON档，进入VTOG控制器故障码诊断。如果有故障代码，请检查相应的故障代码。如果没有通信，检查电源线和 CAN线。如果两者都正常且没有通信，则更换VTOG控制器。如果没有故障代码，请彻底检查系统。

3）用诊断仪检查电机控制器和电机。如果是VTOG故障，则更换VTOG；如果是电机故障，则更换电机。

4 结语

电动汽车由于良好的环保优势，受到大众的关注，电机驱动系统结构复杂，其优劣质量会影响车辆的正常行驶，所以必须要掌握故障诊断和排除，保证电动汽车在正常运转状态下的安全性。