馬 敬，張盛鋒

（1.湖南獵豹汽車股份有限公司長沙研究院，湖南 長沙 410000；2.大洋電機(jī)新動力科技有限公司，廣東 中山 528400）

1 前言

近些年來，純電動汽車以零污染、噪聲小、加速性能好在汽車市場占有率越來越高，并且已成為未來汽車發(fā)展的趨勢。由驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器組成的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件，一旦發(fā)生故障，就會給車輛帶來嚴(yán)重后果，甚至?xí)：θ松戆踩?，這就要求驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)具備高可靠性 （低故障率）、強(qiáng)適應(yīng)性，除此之外還應(yīng)具備高效率、高轉(zhuǎn)速、低質(zhì)量、低噪聲等性能特點(diǎn)。本文簡述純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)控制原理，并針對某純電動汽車在連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)過流故障進(jìn)行分析提出解決方案，為解決驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)故障提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2 某純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)方案

某純電動汽車搭載永磁同步驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、固定速比減速器。驅(qū)動電機(jī)控制器 （MCU）由12V蓄電池供電，通過硬線喚醒，對驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器的溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩、故障等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與反饋，同時由高壓配電系統(tǒng)提供高壓電源，通過功率逆變模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾医涣麟娊o驅(qū)動電機(jī)提供電源。整車控制器 （VCU）根據(jù)擋位、加速踏板、制動踏板等輸入的信號發(fā)出控制指令，驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和整車控制器的指令調(diào)整電壓和電流使驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)車輛的加減速、能量回收等功能，確保為車輛提供持續(xù)不斷的動力。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 某純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3 某純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)過流故障分析

車輛在襄陽國家檢測中心試驗(yàn)場進(jìn)行綜合耐久試驗(yàn)時，駕駛員深踩加速踏板經(jīng)過坑洼顛簸路面，儀表顯示“驅(qū)動電機(jī)故障”，踩加速踏板車輛無力，重新啟動車輛恢復(fù)正常。從總線上采集故障發(fā)生時驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，顯示驅(qū)動電機(jī)過流故障，如圖2所示。從數(shù)據(jù)波形分析，①驅(qū)動電機(jī)實(shí)際扭矩：驅(qū)動電機(jī)達(dá)到峰值扭矩165Nm（屬于車輛急加速過程，與駕駛員深踩加速踏板吻合），在40ms內(nèi)發(fā)生突變從161Nm降低到8Nm，驅(qū)動電機(jī)的扭矩不能響應(yīng)VCU的指令，在極短時間內(nèi)多次出現(xiàn)了較大波動，過流故障出現(xiàn)后驅(qū)動電機(jī)停止輸出扭矩；②轉(zhuǎn)速：在40ms內(nèi)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速從2272r／min突變到3644r／min后，又迅速降低到1566r／min，極短時間內(nèi)多次出現(xiàn)較大波動。

圖2 電機(jī)過流故障發(fā)生時數(shù)據(jù)

在獵豹汽車試驗(yàn)場人為的模仿襄陽試驗(yàn)場故障發(fā)生時的工作條件和環(huán)境，使故障再現(xiàn)。深踩加速踏板加速通過連續(xù)減速帶路況時 （實(shí)際路面狀況如圖3所示）車輛發(fā)生相同現(xiàn)象，驅(qū)動電機(jī)報過流故障，停止扭矩輸出。從總線提取故障實(shí)時轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)，如圖4所示表現(xiàn)結(jié)果相同?，F(xiàn)場檢查高低壓線束、驅(qū)動電機(jī)及驅(qū)動電機(jī)控制器硬件無異常，連接器無松動。

在驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、高低壓線束、連接器等均無異常的前提下，綜合路況分析，車輛在大扭矩過顛簸路和減速帶時，由于路況的原因，輪胎會被頂起落空，頂起落空時處于空載狀態(tài)，由于扭矩沒有變化導(dǎo)致加速度突變，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化很快；當(dāng)車輪胎落地時遇到阻力負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速地回落；驅(qū)動電機(jī)反復(fù)處于負(fù)載突變、高頻的加速／減速過程，電機(jī)控制器的調(diào)節(jié)器無法響應(yīng)跟蹤，最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控，硬件過流。

圖3 連續(xù)減速帶路況

圖4 加速過連續(xù)減速帶路況故障實(shí)時數(shù)據(jù)

4 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)過流故障優(yōu)化方案

4.1 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)控制原理

當(dāng)前，矢量控制是永磁同步電機(jī)比較常用的控制方法，在工程技術(shù)領(lǐng)域矢量控制技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的矢量控制方法是模擬直流電機(jī)的控制性能，以clark-park、反clark-park坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過對定子電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系大小和方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，一般包含經(jīng)PI調(diào)解控制的轉(zhuǎn)速控制環(huán)、電流控制環(huán)，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。文獻(xiàn)［1］～［7］闡述了基速以下的Id=0控制、MTPA控制和基速以上的弱磁控制等控制策略，以及采用模糊自整定的PID控制，可以使電機(jī)獲得更好的動態(tài)性能。

圖5 永磁同步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)框圖

4.2 過流故障優(yōu)化方案

前已論述，電機(jī)控制器大扭矩過顛簸路和減速帶時，電機(jī)控制器的調(diào)節(jié)器無法響應(yīng)指令扭矩，導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控，硬件過流的根本原因?yàn)樗俣鹊耐蛔?，根?jù)這一特征，MCU需要針對速度快速變化進(jìn)行PI參數(shù)整定，加快電流環(huán)調(diào)節(jié)。同時，由于電機(jī)控制器采用了解耦控制，如圖6所示，電壓前饋補(bǔ)償型電流調(diào)節(jié)器［8］中，電機(jī)轉(zhuǎn)速突變后，兩項(xiàng)解耦項(xiàng)-ωrLqiq以及ωrLdid+ωrΨf會對電流控制造成極大的影響。通常電動汽車的控制中，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速是個慣性環(huán)節(jié)，會對ωr進(jìn)行一定的濾波后再參與到電機(jī)電流調(diào)節(jié)控制中，可以解決低速起步抖動等問題。但在過顛簸路或減速帶時，尤其是大扭矩，由于對ωr濾波，轉(zhuǎn)速突變勢必會造成電流調(diào)節(jié)不跟隨，進(jìn)而導(dǎo)致過流。本文針對電機(jī)轉(zhuǎn)速n突變，采取在低速時（n≤1200r／min）對轉(zhuǎn)速ωr進(jìn)行一定的濾波控制，檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)速突變及n＞1200r／min及時反饋ωr的變化，防止兩項(xiàng)解耦項(xiàng)的失真，有效地解決了電流調(diào)節(jié)的失控，解決了過流故障。

圖6 電壓前饋補(bǔ)償型電流調(diào)節(jié)器

5 驗(yàn)證

本文通過上述優(yōu)化方案后，在獵豹汽車試驗(yàn)場連續(xù)大減速帶路況進(jìn)行模擬測試，深踩加速踏板在減速帶上連續(xù)顛簸，轉(zhuǎn)速依舊有突變，MCU轉(zhuǎn)矩能夠跟隨VCU扭矩，不再出現(xiàn)過流故障。總線上實(shí)時數(shù)據(jù)如圖7所示，測試數(shù)據(jù)由于路況的原因不可避免地依舊有較大的轉(zhuǎn)速波動，扭矩輸出根據(jù)實(shí)際狀況輪胎上減速帶加扭，輪胎下減速帶減扭，與理論遇到阻力增加力無阻力減小力一致，測試結(jié)果表明本方案有效地解決了連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機(jī)過流的問題。

圖7 優(yōu)化方案后加速過減速帶實(shí)時數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的故障發(fā)生率對汽車穩(wěn)定可靠的運(yùn)行及控制起著極其重要的作用，過流故障是電動車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的常見故障之一，文章簡述了純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)常見故障類型，針對連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機(jī)過流故障進(jìn)行分析，由于負(fù)載的突變造成了驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)過流故障，并提出了基于電壓前饋補(bǔ)償性電流控制器優(yōu)化轉(zhuǎn)速濾波的方案，有效地解決了驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)在連續(xù)顛簸路面過流故障，為以后的相關(guān)研究及實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

（編輯 凌 波）