1、定 稿日期 ： 2011-10-25作者简介 ：于海芳 （1979-），女 ，山东滨州人 ，讲师 ，研究方向为电动汽车驱动技术及能量管理 。1 引 言电动汽车电机驱动系统与整车运行性能的好坏有很大关系 。存在于驱动系统中的任何故障都可能进一步扩大，导致上层系统状态发生变化，故准确 、可靠 、快速地对驱动系统进行排故是提高电动汽车运行效能的有效途径1。国内外资料表明电动汽车电机驱动系统的故障与失效模式的研究正受到越来越多的重视 。文献 2将电机驱动系统故障分为机械故障和逆变器 -整流器故障 。通过识别出系统发生的各种故障，预言故障后的特性和故障状态下的电气传动性能；文献 3提出电机驱动系统的容错
2、控制系统，考虑了传感器故障情况下控制器的过渡平滑问题；文献 4提出基于诊断学和机器学习模型相结合的故障诊断技术；文献 5指出了电动汽车感应电机故障检测的重要性 。综上所述，寻找适合于电动汽车驱动系统的故障分类方法，并鉴别其失效模式是非常必要的 。2 电动汽车电机驱动系统故障分类这里主要针对电动汽车感应电机的故障类型 、现象及原因进行分析研究，并将电机驱动系统故障按汽车故障类型分类6。（1）致命故障 电机定子绕组故障（线间短路），可能造成绕组烧毁 、转矩波动，可用定子电流负序分量法诊断； 定子铁心故障，表现为空载电流加大，振动和噪声加大；定子铁心硅钢片熔化，烧毁绕组绝缘，可用振动特征频谱法诊断；
3、 转子本体故障，转子偏心产生不平衡磁拉力，引起振动，严重时最终导致电机损坏，可用电流频谱法诊断； 轴承故障，使振动加剧，导致振动超标，用振动特征进行诊断 。该类故障可通过更换故障部件处理 。（2）严重故障 电机本体： 电磁气隙偏心，转子偏心产生不平衡磁拉力，引起振动，转子与定子间发生摩擦，最终损坏电机； 位置传感器故障，易造成电机系统失控 。电机逆变器： 功率模块故障，使电机过热，绝缘老化，甚至烧毁电机或电机输出转矩减小，且有波动； 相电流传感器故障； 三相电源不平衡故障，电机过热； 电机断相运行，故障带来的后果同功率模块故障 。该类故障发生时需更换故障部件甚至更换逆变器处理 。电机系统保护类
4、： 主电路欠压，实际电压低于电压电动汽车电机驱动系统故障与失效模式分析于海芳1， 刘志强2， 崔淑梅3（ 1.长春工业大学，吉林 长春 130012； 2.第一汽车集团公司技术中心，吉林 长春 130011；3.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要 ：结合传统汽车故障与失效模式的分类方法，将电动汽车电机驱动系统的故障 、失效模式进行了分析与总结归类，指出了故障发生的原因和相应的处理措施 。基于电动汽车电机驱动系统的特殊性，将故障分为硬性故障和软性故障，提出了一套适合电动汽车电机驱动系统故障诊断与容错的控制策略 。关键词 ：电动汽车；电机驱动系统；失效模式；故障诊断中图分类号 ：U
5、469.72 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X（ 2011） 12-0069-03Faults and Fault Modes Analysis of Electric Vehicle Drive Systemin Electric VehicleYU Hai-fang1， LIU Zhi-qiang2， CUI Shu-mei3（ 1.Changchun University of Technology， Changchun 130012， China）Abstract：According to traditional vehicles， the faults and fau
6、lt modes of electric motor drive system for electric vehi-cle（ EV） are analyzed and classified.Moreover causes of failure and corresponding solution are also investigated.Dueto the particularity of EV electric motor drive system， the faults are divided into hard faults and soft faults.Finally aset o
7、f fault diagnosis and fault tolerant control strategy are provided.Keywords：electric vehicle； electric motor drive system； fault modes； fault diagnosis第 45 卷第 12 期2011 年 12 月Vol.45， No.12December 2011电力电子技术Power Electronics69第 45 卷第 12 期2011 年 12 月电力电子技术Power ElectronicsVol.45， No.12December 2011电力电
8、子技术限值，易造成电机实际输出功率降低，电流增大；母线过电压，实际电压高于电压限值，易导致母线电容或 IGBT 击穿； 过电流，易造成 IGBT 烧毁 。（3）一般故障 电机逆变器： 主继电器损坏；预充继电器损坏； 预充电电阻损坏； 总线电流 、电压传感器故障； 直流环节滤波电容短路 。前两种故障的检测方法为加闭合信号，测压降；电机控制器： 驱动电路损坏（电力开关基极开路）； 相电流采集单元故障； 速度采集单元故障； CAN 总线通讯不正常； 逆变器过热 。前4 种故障可用示波器检测输出信号判定 。（4）轻微故障 电机本体：轴承故障等；电机控制器：接插件损坏，瞬时掉电等 。3 驱动系统失效模式
9、与机理分析3.1 电机驱动系统失效模式分类根据失效原因 、性质 、机理 、程度 、产生的速度 、发生的时间以及失效产生的后果，可将失效进行不同的分类 。汽车常见的失效模式可以分为：损坏型 、退化型 、松脱型 、失调型 、阻漏型 、功能型失效模式和其他失效模式 。效仿传统汽车，下面仅针对系统中导致电机驱动系统失效，影响整车正常运行的元件或部件失效进行研究 。3.2 电机驱动系统失效机理分析针对电机控制器，选取以下几种失效模式进行机理分析：（1）过压 一般发生在整车充电工况 。电压过高不仅影响器件绝缘，还会造成器件损坏 。电动汽车电机系统过压主要集中在直流母线电压上 。过压会造成母线电容 、功率器
10、件（ IGBT）或母排绝缘损坏 。主要原因： 预充电回路未切除 。正常预充电结束后，主接触器由于故障未结合，这时响应整车充电指令时，预充电电阻分压，导致母线两端电压过高； 误动作 。控制器内部的电压检测部分发生故障，检测出的电压信号偏大，导致保护 。（2）欠压 一般发生在整车电动的工况 。电压过低不仅影响系统性能的发挥，而且还会对器件造成损坏 。当系统输出相同功率时，电压过低，势必造成电流增加，电流过大，可能会超出器件的工作范围，造成器件损坏 。对电机而言，长期欠电压工作，效率低，发热大，时间长会造成电机绕组绝缘降低，导致电机绕组短路或断路 。主要原因： 高压电池电压过低 。高压电池系统可能发
11、生漏电或整车系统长时间处于电动运行，缺少充电工况； 预充电回路没有切除 。正常预充电结束后，预充电回路没有切除主接触器由于故障没有结合，这时响应整车电动指令时，预充电电阻分压，导致母线两端电压过低； 误动作 。控制器内部的电压检测部分发生故障，检测出的电压信号偏小，导致保护 。（3）过流 电机能够旋转，但运行电流远超过了额定值，这与过载是不同的 。过流的基本反映是：电流超过了额定值，但超过的幅度很大，形成大的冲击电流 。在车用电机系统中，过流一般发生在直流母线端或三相交流输出端 。主要原因： 直流母线母排绝缘损坏 。绝缘损坏，造成母线正负短接； 定子绕组三相不平衡 。电机三相绕组发生短路，造成
12、线电流过大； 误动作 。控制器内部的电流检测部分发生故障，检测出的电流信号过大，导致保护 。（4）过载 电动机能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载 。过载基本反映是：电流虽然超过了额定值，但超过的幅度不大，一般也不形成较大的冲击电流 。输出电流超过反时限特性过载电流额定值，保护功能动作，变频器的容量偏小 。主要原因： 机械负荷过重 。主要特征是电动机发热，三相运行电流偏大 。控制器 PI 参数导致动态响应时间过短或电机机械结构卡死； 定子绕组三相电压不平衡 。三相不平衡引起某相的运行电流过大，导致过载保护，其特点是发热不均衡； 误动作 。控制器内部的电流检测部分发生故障，检测出的电流信号
13、偏大，导致保护 。（5）过温 温度过高，不仅会影响电机本体的绝缘，而且还会影响电机控制器的功率输出 。这是因为电机控制器的核心就是开关器件构成的逆变电路，温度直接影响功率器件的工作范围，功率器件工作受到器件结温（一般为 150 ）影响，外界温度的升高，结温给定时，开关损耗必然要减小，这将导致电机控制器不能以全功率输出以及系统性能降低 。主要原因： 长时间处于过载运行状态； 电机定子绕组三相不平衡； 误动作 。（6）逻辑电压 电动汽车电机控制器逻辑电压由车载蓄电池提供，蓄电池电压波动范围较大，对电机控制器低压器件选取提出一个要求，必须满足车载蓄电池电压波动范围 。逻辑电压过低，会造成有些器件不工
14、作，或造成电路中逻辑电位紊乱 。电压过高，会造成器件损坏 。主要原因：车载蓄电池有短路点；误动作 。（7）CAN 通讯 电动汽车电机系统的指令执70行 以及系统状态反馈都是通过 CAN 通讯传递的，通讯的正常与否直接关系到系统能否正常工作 。主要原因： CAN 线断线；电磁干扰 。4 故障诊断与容错策略电机驱动系统故障可分为硬性故障和软性故障，前者主要集中在电机本体上，如定子绕组短路 、断路 、绝缘老化 、轴承磨损以及转子偏心等不可恢复的故障；后者是指可恢复的故障，可通过软件的调节消除，主要发生在电机控制器上，如过压 、过流 、过温故障等 。对硬性故障进行故障信息采集和诊断，对软性故障进行必要
15、的容错，防止系统进一步发展成为硬性不可恢复故障 。图 1 是电机驱动系统故障诊断总体框图，通过电压 、电流和温度的信息判断系统故障原因，进而采取相应的控制手段，而故障诊断容错模块框图如图 2 所示 。对于某些硬性故障，如电流传感器故障或电机位置传感器，也可采用控制策略切换对其故障进行容错 。如电流传感器故障，可将控制切换为开环 V/F 控制，这种控制不需要采集电流，但需要一些电流信息对系统进行保护 。车用电机系统有 4 个电流传感器 （ 1 个直流的， 3 个交流的， 1 个损坏）可以用状态正常的传感器做保护判断 。控制方案切换框图如图 3 所示 。而对于某些软性故障，如过压 、过流和过温，可
16、采用限制电机系统功率输出的方法 。难点在于如何保证系统安全的前提下，尽可能满足整车性能需求 。控制方案框图如图 4 所示 。5 结 论电动汽车是一个零部件多 、故障形式多样 、表现不一且技术相对不成熟的大系统，再加上其运行环境的多变性，故障产生原因较为复杂 。这里对电动汽车电机驱动系统的故障进行了分类，分析了电机驱动系统的失效模式及产生原因 。将电动汽车电驱动系统故障分为了硬性故障和软性故障，并提出对软性故障进行容错的思想 。参考文献1 李俊松 .基于神经网络的混合动力汽车故障诊断研究 D.武汉：武汉理工大学， 2003.2 Nabil Hammad.Fault Diagnosis for E
17、lectric/Hybrid Vehi-cle Induction Motor DriveA.EVS， 21C.Monaco： 2005:1256-1301.3 Diallo D， Benbouzid M E， Makouf A.A Fault-tolerant Con-trol Architecture for Induction Motor Drives in AutomotiveApplicationsJ.IEEE Trans. on Vehicular Technology，2004， 53（ 6）： 1847-1855.4 Murphery Y L.Model-based Fault
18、 Diagnosis in ElectricDrives Using Machine Learning J.Mechatronics， IEEE/ASME Trans. on， 2005： 290-303.5 Christian Kral， Kapeller F P.A Stator and Rotor FaultDetection Technique for Induction Machines in TractionApplications of Electric or Hybrid Electric VehiclesA.The 22nd International Battery， Hybrid and Fuel CellElectric Vehicle Symposium & ExpositionC.Yokohama，Japan： 2006： 417-440.6 明平顺，李晓霞 .汽车可靠性理论 M.北京：机械工业出版社， 2003.图 1 电机驱动系统诊断总体框图图 2 系统故障诊断容错模块图 4 软性故障容错框图图 3 位置传感器故障容错框图电动汽车电机驱动系统故障与失效模式分析71
