摘要:隨著環(huán)境問(wèn)題及能源危機(jī)問(wèn)題日益嚴(yán)重,純電動(dòng)汽車技術(shù)也在不斷地成熟和發(fā)展,并已經(jīng)逐漸步入產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在純電動(dòng)汽車復(fù)雜的工作環(huán)境下,動(dòng)力及其控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的故障,本文主要針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障構(gòu)建故障樹(shù)。
關(guān)鍵詞:純電動(dòng)汽車;電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);故障樹(shù)
作為新能源汽車三大核心部件之一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),它的組成部分主要有電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器及各種傳感器等。目前,純電動(dòng)汽車使用最多的是永磁同步電機(jī),如果電機(jī)的逆變器出現(xiàn)問(wèn)題,電機(jī)將會(huì)斷相運(yùn)行,從而使電機(jī)溫度過(guò)高,絕緣老化,而燒毀電機(jī)或電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小,且有波動(dòng),這就是永磁同步電機(jī)電控系統(tǒng)故障[1]。故障診斷能夠找到系統(tǒng)出現(xiàn)故障的位置,并為找到合適的解決方案提供理論基礎(chǔ)。
1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及功能
根據(jù)分類方式的不同,驅(qū)動(dòng)電機(jī)又可分為不同的種類。電機(jī)作為純電動(dòng)汽車的核心組成,為滿足車輛的不同需求,正常工作要滿足的條件如下:
①高壓電源輸入正常(絕緣性能大于20MΩ):
②低壓12V電源供電正常(電壓范圍為9 - 16V);
③與整車控制器通信正常;
④電容放電正常;
⑤旋變傳感器信號(hào)正常;
⑥三相交流輸出電路正常;
⑦ 電機(jī)及電機(jī)控制器溫度正常;
⑧開(kāi)蓋保持開(kāi)關(guān)信號(hào)正常。
一般情況,純電動(dòng)汽車上使用的電機(jī)主要為交流異步電機(jī),混合動(dòng)力汽車上使用的電機(jī)主要為永磁同步電機(jī),新能源客車上使用的電機(jī)則主要為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。目前,就我國(guó)各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用情況而言,新能源商用車(尤其是新能源客車)上使用的電機(jī)主要為交流異步感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī),開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)則實(shí)際使用較少;新能源乘用車上使用的電機(jī)主要為永磁無(wú)刷直流電機(jī)。載能力、壽命、結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性以及電機(jī)成本等方面的情況。對(duì)比可知,永磁電機(jī)的功率密度、效率及電流比最高,且電機(jī)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)較堅(jiān)固、操控性能好;直流電機(jī)的外形尺寸大,質(zhì)量重,功率密度低,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)表現(xiàn)比較好,但噪聲最高;感應(yīng)電機(jī)的各項(xiàng)表現(xiàn)也都比較合理,但其轉(zhuǎn)矩/電流比較小,尺寸偏大。目前,這些電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上均在使用。但是直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的使用相對(duì)較少,永磁同步電機(jī)相對(duì)應(yīng)用更加廣泛。
2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的故障及分析
圖1歸納了永磁同步電機(jī)和它的控制器故障。其中電氣故障、永磁體故障、機(jī)械故障和控制器故障為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要故障。其中定子繞組斷路,短路或搭鐵故障為定子故障中的的主要電氣故障;永磁體退磁則為永磁體的主要故障;軸承故障、氣隙不均等是主要的機(jī)械故障。電機(jī)控制器故障對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言至關(guān)重要,信號(hào)的傳遞情況,將直接影響電機(jī)的輸出??刂葡到y(tǒng)中的傳感器故障影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[3]。
電機(jī)的滾動(dòng)軸承長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或潤(rùn)滑不充分,會(huì)導(dǎo)致其故障發(fā)生的頻率最高;定子繞組類故障次之。軸承故障會(huì)導(dǎo)致軸承彼此摩擦,異常振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀軸承;定子繞組故障,會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和平均輸出功率下降,嚴(yán)重會(huì)造成接地故障,而燒毀電機(jī)。因此,對(duì)于定子繞組故障需要采取有效的安全防護(hù)措施,尤其是絕緣線圈,導(dǎo)致其絕緣損壞或老化的最主要原因就是溫度,其冷卻系統(tǒng)對(duì)于保證電機(jī)的性能及安全起到了至關(guān)重要的作用;永磁體退磁故障也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及效率下降,電機(jī)溫度升高等;不同傳感器故障,會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)擊不同程度的損傷。
檢測(cè)定子繞組短路的方法主要為負(fù)序電流法,而通過(guò)逆變器供電,則可以排除由于其他因素而產(chǎn)生的負(fù)序電流,因此能夠更加準(zhǔn)確的檢測(cè)其故障。當(dāng)電機(jī)停機(jī)時(shí),還可使用高頻電壓法來(lái)進(jìn)行繞組短路故障的診斷;當(dāng)電機(jī)接通高頻三相電時(shí),則可通過(guò)分析其電流情況來(lái)進(jìn)行匝間短路故障的診斷[2]。
3 電機(jī)及其控制系統(tǒng)故障樹(shù)
采取系統(tǒng)故障演繹來(lái)進(jìn)行推理的一種方法叫做故障樹(shù)分析法,它通過(guò)邏輯分析來(lái)進(jìn)行故障診斷。通過(guò)由上到下層層分析,從故障現(xiàn)象中找到可能導(dǎo)致故障的子系統(tǒng),當(dāng)單個(gè)故障或多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生時(shí),可以通過(guò)樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖來(lái)進(jìn)行表示,用符號(hào)去表示故障現(xiàn)象與各故障間的關(guān)系[3]。
基于上述永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象、故障引起的影響及故障原因,通過(guò)故障樹(shù)能夠直接描述出系統(tǒng)故障現(xiàn)象、子系統(tǒng)故障現(xiàn)象和各故障間的關(guān)系。相比于單一的故障分析,故障樹(shù)分析法能夠更好地描述復(fù)合型故障。
圖2圖4分別表示電機(jī)電氣、機(jī)械以及其控制器的故障樹(shù)。在電機(jī)電氣故障樹(shù)中能夠發(fā)現(xiàn),匝間短路、線圈間短路、相間短路、繞組接地可能會(huì)導(dǎo)致繞組短路故障;在機(jī)械故障樹(shù)中不難發(fā)現(xiàn),軸承故障可能由于潤(rùn)滑不充分,零部件磨損嚴(yán)重,壓痕或斷裂而引起;在電機(jī)控制系統(tǒng)故障樹(shù)中可以看到,高溫老化、校準(zhǔn)誤差或者機(jī)械震蕩可能引起傳感器故障。
4 結(jié)論
本文首先介紹了現(xiàn)階段應(yīng)用于電動(dòng)汽車上最多的永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能。在此基礎(chǔ)上,分析了電機(jī)及其控制系統(tǒng)的故障傳輸過(guò)程。歸納總結(jié)了各子系統(tǒng)部件的不同故障現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因。對(duì)于三相永磁同步電機(jī)而言,最嚴(yán)重的故障是定子繞組短路,可能使電機(jī)瞬間停止工作甚至燒毀電機(jī);電流及轉(zhuǎn)子位置傳感器故障則會(huì)干擾到控制指令的發(fā)出,從而導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)劇烈。在分析了電機(jī)及其控制系統(tǒng)各部件的故障現(xiàn)象后,通過(guò)故障樹(shù)描述了系統(tǒng)與各部件故障之間的邏輯關(guān)系,最終構(gòu)建出電機(jī)及其控制系統(tǒng)故障樹(shù)。
基金項(xiàng)目:本文系2019年度廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷推理機(jī)的設(shè)計(jì)”[課題編號(hào):NY-2019KYYB-26]的研究成果
參考文獻(xiàn):
[1]于海芳,劉志強(qiáng),崔淑梅電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障與失效模式分析[J].電力電子技術(shù),2011,12:069-071
[2]劉真通基于模型的純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷研究[D]北京理工大學(xué),2016.
[3]夏淑英,基于模糊故障樹(shù)的汽車故障診斷研究[J]科技展望,2017,06: 043
作者簡(jiǎn)介——
趙旭:(1992-),女,廣東廣州人,碩士研究生,助教。研究方向:新能源汽車技術(shù)。