混合動力電動汽車電機控制系統(tǒng)故障診斷的研究

陳強

摘 要：本文對電動汽車的電機控制技術(shù)的故障診斷的研究，希望能夠在今后更多地引導(dǎo)我們相關(guān)工作人員對這個技術(shù)存在的問題進行深入分析時能夠起到一定的借鑒性和指導(dǎo)作用，最終使我國的社會和經(jīng)濟得以快速發(fā)程向前推移的整個過程中作出了一些貢獻。

關(guān)鍵詞：混合動力 電動汽車 電機控制 系統(tǒng)故障 診斷 研究

Research on Fault Diagnosis of Motor Control System of Hybrid Electric Vehicle

Chen Qiang

Abstract：The research on the fault diagnosis of motor control technology of electric vehicles in this paper hopes to guide our relevant staff to make an in-depth analysis of the problems existing in this technology in the future， and finally make some contributions to the whole process of the rapid development of China's society and economy.

Key words：hybrid， electric vehicle， motor control， system fault， diagnosis， research

1 引言

隨著新能源汽車技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作的逐步深入開展，電力電子技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用并完全改變了新能源汽車的電力系統(tǒng)，形成了傳統(tǒng)的新能源汽車電力傳動電氣裝置，相比于傳統(tǒng)的汽車采用低功率、無電壓的輔助電氣裝置，其具備效率更高、噪音更小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

2 新能源汽車電控技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著新能源汽車技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作的逐步深入開展，電力電子技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用并完全改變了新能源汽車的電力系統(tǒng)，形成了傳統(tǒng)的新能源汽車電力傳動電氣裝置，相比于傳統(tǒng)的汽車采用低功率、無電壓的輔助電氣裝置，其具備效率更高、噪音更小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。其中，電機過程自動化系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、電動助力電壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、能源質(zhì)量反饋系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、鋰離子動力電池質(zhì)量管理控制系統(tǒng)等將是未來幾年全球商用新能源動力汽車主動電控控制系統(tǒng)的主要核心組成技術(shù)部分。

2.1 電機的分類

電機全稱即電能驅(qū)動能旋轉(zhuǎn)機器，比較常用的有直流電驅(qū)電機和直流電機，交流電機。電機的種類是非常多的。目前市面上新能源汽車行業(yè)用的基本上都是交流電機，其中最多的是永磁交流電機。

2.2 電機控制系統(tǒng)的發(fā)展

在目前的新能源汽車電控系統(tǒng)中，電機和驅(qū)動控制系統(tǒng)一直都是驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接地影響到了汽車正常行駛，系統(tǒng)主要包括了機械與電器兩個組成部分。電氣系統(tǒng)是實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，主要有控制器、功率變換器、電動機等幾個組成部分共同構(gòu)成，驅(qū)動電機的特點以及功率變化會直接地影響到一輛電動汽車的起步速度以及時速的快慢。電控系統(tǒng)是將交流電機機控制系統(tǒng)等作為一種新能源技術(shù);而在我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的多態(tài)電動汽車研發(fā)工作中，則重點研究的是開發(fā)了一種新型多態(tài)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，這在新能源電動汽車研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景也是十分巨大且具有潛力的;在目前的新能源汽車電控系統(tǒng)中，永磁直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)已經(jīng)是新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最多的，PWM控制技術(shù)和永磁無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)一直都是其主要的技術(shù)，可以很好地實現(xiàn)永磁直流電機優(yōu)良的調(diào)速性能，而隨著電力電子技術(shù)快速進步和發(fā)展帶來的IGBT 等功率控制模塊，永磁直流電機的調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)水平也因此得到進一步提高。

2.3 能源回饋系統(tǒng)的發(fā)展

在對新能源汽車的開發(fā)中，實現(xiàn)能源再綜合利用最重要的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是對能源回饋系統(tǒng)進行了研究，目前正在對汽車電機的動力學(xué)特征及其動力學(xué)物理特點等進行研究工作中，利用變頻器能夠?qū)λ械哪芰吭倬C合利用，下面就簡單介紹一下新能源汽車的電控系統(tǒng)。在許多傳統(tǒng)的汽車中，制動所需產(chǎn)生的剩余能量都實際上是以汽車熱量的方式散失掉，制動時剩余能量的回饋系統(tǒng)就是可以通過車輛牽引電機在進行制動時，將其牽引驅(qū)動電機變成發(fā)動機，依賴于車輪的拖動電機所產(chǎn)生的電能及車輪制動的力矩，從而把制動時剩余的能量直接轉(zhuǎn)化成電能并儲存起來，達到了提高車輛續(xù)航行駛里程的目標(biāo)。能量反饋系統(tǒng)對于新能源汽車的應(yīng)用發(fā)展有著不可忽視的作用，未來應(yīng)用范圍內(nèi)也是極其可觀。

3 電動汽車發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾源

電動汽車的一個電動機在高速運轉(zhuǎn)時，流過其中一個中樞線圈驅(qū)動繞組的瞬變電流就可能會直接發(fā)生高速度頻率地通過切斷，因此線圈會直接切斷導(dǎo)致這個線圈繞組中的交流電磁場立即完全消失，線圈中的繞組與其中的交流電發(fā)動機會直接產(chǎn)生一個超過千伏的時間瞬變瞬流過電壓，此種異常現(xiàn)象特別是在驅(qū)動電機的高速啟動以及高速制動時尤為明顯，當(dāng)一個電動機的一個電機中樞驅(qū)動繞組的瞬變電流突然被自動切斷時，電動機的一個定子勵磁器就會切斷使得驅(qū)動轉(zhuǎn)子與原電機中樞驅(qū)動繞組的瞬變電流直接產(chǎn)生和一個原電機中樞電動勢一樣是由于相同感應(yīng)方向的一個感應(yīng)電動勢，而這個相同感應(yīng)方向的電流疊加就可能會直接產(chǎn)生一個原來額定瞬變電壓10倍左右的瞬間瞬變過電壓，將來就會對電動勢本身產(chǎn)生很強的感應(yīng)能量并瞬間放電進行快速釋放。被瞬間所驅(qū)動釋放出來的這種能量就必然會通過一種傳導(dǎo)性或者說是一種電磁干擾的一種途徑，直接通過竄入傳送到它的低壓驅(qū)動控制電路和它的總線，干擾他們的控制模擬和數(shù)字電路的正常工作運行，從而直接引發(fā)系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)運算發(fā)生錯誤，從而直接造成驅(qū)動電機高壓驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)生故障或自動停機。除了使用電動機外，由于動力電機和電動控制器所連接造成的各種電磁干擾也是一個完全不可能被忽略的安全問題。

電機驅(qū)動控制器開關(guān)是一種通常采用IGPWMG來控制的開關(guān)方式，其采用IGBTM的開關(guān)感應(yīng)頻率范圍可以達到高達4khz至8khz，電機驅(qū)動控制器在高頻電機工作時，開關(guān)的一定頻率下所感應(yīng)產(chǎn)生的瞬間紋波和瞬時電流脈沖幅值很高，會對高壓電機以及驅(qū)動控制系統(tǒng)內(nèi)部的各種低壓電機控制電路單元信號產(chǎn)生各種信號上的失真甚至可能是電流失控;而且，電機驅(qū)動控制器內(nèi)部的裝在繼電器等觸點上的開關(guān)在電機斷起瞬間，上千個萬安培拉弧形的放電所感應(yīng)產(chǎn)生的紋波電流脈沖數(shù)值誤差都會迅速地逐漸減小或迅速縮短而達到零，由于裝在繼電器等觸點上的開關(guān)大多數(shù)都是由多個電感線圈相互圍繞而來組成，因此其在開關(guān)斷起瞬間就可能會迅速產(chǎn)生瞬時的紋波電壓和電流脈沖，將對于它的低壓控制電路信號產(chǎn)生強烈的傳導(dǎo)性能和電磁干擾。再次，電機直流控制器件所輸出的一個新型高壓直流也極有可能認為是通過驅(qū)動導(dǎo)線以一種傳導(dǎo)性或一種電磁干擾的耦合形式和一個新的低壓直流驅(qū)動導(dǎo)線之間的一種電容性相互耦合和一種電磁傳感性能的耦合從而直接地會影響涉及到整個電機直流驅(qū)動控制系統(tǒng)的正常運行工作。

4 電動機控制器的過電流故障

過電流故障通常指的是一種用于電動汽車中的電機控制器經(jīng)常出現(xiàn)的故障，主要表現(xiàn)為突變特征和峰值特征。通常表現(xiàn)為：

動汽車的直流電機驅(qū)動控制器的三相輸出和兩端三相供電線路經(jīng)常會同時發(fā)生漏電短路，致使超大的輸出電流。

電動汽車出現(xiàn)急瞬間高速剎車時，由于電動車子自身的整個負載制動慣性比較大，加速（加或減）和換擋的持續(xù)時間被系統(tǒng)設(shè)定得太短，電機制動控制器的正常工況主要是由于電機作業(yè)速度頻率的緩慢上升速度太快，同步電機的定子轉(zhuǎn)速迅速地緩緩上升和制動停止而減速下降，使得整個同步電機本來就是同樣處于轉(zhuǎn)子高速運行時所同樣發(fā)生的旋轉(zhuǎn)磁場和整個定子高速運行時所同樣發(fā)生的一個旋轉(zhuǎn)磁場相同，電機振動控制器的輸入電源輸出側(cè)不正常、輸入電源側(cè)電路斷線、電動機內(nèi)部發(fā)生故障而振動致使的過載和電流發(fā)生故障。

驅(qū)動電機由于受到了電磁干擾而產(chǎn)生的影響，漏電流增加，發(fā)生了軸線電流、軸線電壓，致使驅(qū)動電機控制器產(chǎn)生了過電流。

當(dāng)一個電機響應(yīng)控制器的一個響應(yīng)控制電路同時受到了各種電磁干擾，致使一個電機控制響應(yīng)信號同時發(fā)生控制過錯，速度快的響應(yīng)控制信號在此時丟失或從而不能正常進行工作時，也就有可能因此致使產(chǎn)生超過大的電流。

電機驅(qū)動控制器的電流容量設(shè)置選擇與電機負載的運動特性不完全相符，致使一些電機驅(qū)動控制器的驅(qū)動功能及其運動作業(yè)反常，形成一定的電流通過負載電流;電機的控制器的參數(shù)設(shè)置不正確及其在硬件電路中的可靠性有所問題，也就是可能會導(dǎo)致超負荷的電流。

短期內(nèi)IGBT的電流數(shù)值改變太多也可能會直接導(dǎo)致超負荷的過電流;若瞬時停止或中斷，電流就會發(fā)生高潮，致使超出電流;當(dāng)電機控制器正常復(fù)位時再次起動就會造成一定的過電流。電機驅(qū)動控制器的過載和電流主要引起原因可分為由于電機加速或減速器的運行持續(xù)時間太長過短、負載突然發(fā)生驟變、電壓溫度超標(biāo)或電流過低、斷相、短路、漏極過電流、電磁干擾和其他電機驅(qū)動控制器內(nèi)部電子元件的發(fā)生故障而直接引起。

5 結(jié)語

電動汽車和商用車的電機控制器的電機故障過程對電流進行保護已經(jīng)是非常重要，故障電流保護從使用電機故障控制器開始設(shè)計產(chǎn)品，從開始一直到最后的調(diào)試產(chǎn)品，所有的產(chǎn)品設(shè)計、研制、采購、加工、調(diào)試等都已經(jīng)是很必要的，并且需要系統(tǒng)性不斷地反復(fù)思考著電機故障的各種疑問。文主要目的是通過理論分析和研究對比現(xiàn)階段的我國電動汽車電動控制系統(tǒng)技術(shù)理論研究和產(chǎn)品開發(fā)的實際應(yīng)用情況，交流式電機因其系統(tǒng)構(gòu)造簡單牢靠、所需要占用的電源體積小、質(zhì)量輕以及實際工作效率相當(dāng)高等三大特性從而得到了各地經(jīng)濟發(fā)展中電動汽車技術(shù)研究者和技術(shù)開發(fā)設(shè)備廠商的高度重視。

基金項目：廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院2019年校級科研課題“電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷推理機的設(shè)計”（NY-2019KYYB-26）。

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