混合动力电动汽车电机控制系统故障诊断的研究

陈强

摘 要：本文对电动汽车的电机控制技术的故障诊断的研究，希望能够在今后更多地引导我们相关工作人员对这个技术存在的问题进行深入分析时能够起到一定的借鉴性和指导作用，最终使我国的社会和经济得以快速发程向前推移的整个过程中作出了一些贡献。

关键词：混合动力 电动汽车 电机控制 系统故障 诊断 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

随着新能源汽车技术研发和应用工作的逐步深入开展，电力电子技术逐渐被广泛应用并完全改变了新能源汽车的电力系统，形成了传统的新能源汽车电力传动电气装置，相比于传统的汽车采用低功率、无电压的辅助电气装置，其具备效率更高、噪音更小、节能环保等优点。

2 新能源汽车电控技术的发展趋势

随着新能源汽车技术研发和应用工作的逐步深入开展，电力电子技术逐渐被广泛应用并完全改变了新能源汽车的电力系统，形成了传统的新能源汽车电力传动电气装置，相比于传统的汽车采用低功率、无电压的辅助电气装置，其具备效率更高、噪音更小、节能环保等优点。其中，电机过程自动化系统控制管理系统、电动助力电压转换器系统控制管理系统、能源质量反馈系统控制管理系统、锂离子动力电池质量管理控制系统等将是未来几年全球商用新能源动力汽车主动电控控制系统的主要核心组成技术部分。

2.1 电机的分类

电机全称即电能驱动能旋转机器，比较常用的有直流电驱电机和直流电机，交流电机。电机的种类是非常多的。目前市面上新能源汽车行业用的基本上都是交流电机，其中最多的是永磁交流电机。

2.2 电机控制系统的发展

在目前的新能源汽车电控系统中，电机和驱动控制系统一直都是驱动系统的基础，直接地影响到了汽车正常行驶，系统主要包括了机械与电器两个组成部分。电气系统是实现电机驱动系统设计的關键，主要有控制器、功率变换器、电动机等几个组成部分共同构成，驱动电机的特点以及功率变化会直接地影响到一辆电动汽车的起步速度以及时速的快慢。电控系统是将交流电机机控制系统等作为一种新能源技术;而在我国哈尔滨工业大学的多态电动汽车研发工作中，则重点研究的是开发了一种新型多态电机驱动控制系统，这在新能源电动汽车研究领域的应用前景也是十分巨大且具有潜力的;在目前的新能源汽车电控系统中，永磁直流电机驱动控制系统已经是新能源汽车领域应用最多的，PWM控制技术和永磁无刷直流电机驱动控制系统技术一直都是其主要的技术，可以很好地实现永磁直流电机优良的调速性能，而随着电力电子技术快速进步和发展带来的IGBT 等功率控制模块，永磁直流电机的调速控制系统的技术水平也因此得到进一步提高。

2.3 能源回馈系统的发展

在对新能源汽车的开发中，实现能源再综合利用最重要的一个关键环节便是对能源回馈系统进行了研究，目前正在对汽车电机的动力学特征及其动力学物理特点等进行研究工作中，利用变频器能够对所有的能量再综合利用，下面就简单介绍一下新能源汽车的电控系统。在许多传统的汽车中，制动所需产生的剩余能量都实际上是以汽车热量的方式散失掉，制动时剩余能量的回馈系统就是可以通过车辆牵引电机在进行制动时，将其牵引驱动电机变成发动机，依赖于车轮的拖动电机所产生的电能及车轮制动的力矩，从而把制动时剩余的能量直接转化成电能并储存起来，达到了提高车辆续航行驶里程的目标。能量反馈系统对于新能源汽车的应用发展有着不可忽视的作用，未来应用范围内也是极其可观。

3 电动汽车发电机驱动系统电磁干扰源

电动汽车的一个电动机在高速运转时，流过其中一个中枢线圈驱动绕组的瞬变电流就可能会直接发生高速度频率地通过切断，因此线圈会直接切断导致这个线圈绕组中的交流电磁场立即完全消失，线圈中的绕组与其中的交流电发动机会直接产生一个超过千伏的时间瞬变瞬流过电压，此种异常现象特别是在驱动电机的高速启动以及高速制动时尤为明显，当一个电动机的一个电机中枢驱动绕组的瞬变电流突然被自动切断时，电动机的一个定子励磁器就会切断使得驱动转子与原电机中枢驱动绕组的瞬变电流直接产生和一个原电机中枢电动势一样是由于相同感应方向的一个感应电动势，而这个相同感应方向的电流叠加就可能会直接产生一个原来额定瞬变电压10倍左右的瞬间瞬变过电压，将来就会对电动势本身产生很强的感应能量并瞬间放电进行快速释放。被瞬间所驱动释放出来的这种能量就必然会通过一种传导性或者说是一种电磁干扰的一种途径，直接通过窜入传送到它的低压驱动控制电路和它的总线，干扰他们的控制模拟和数字电路的正常工作运行，从而直接引发系统的控制逻辑和数据运算发生错误，从而直接造成驱动电机高压驱动控制系统的发生故障或自动停机。除了使用电动机外，由于动力电机和电动控制器所连接造成的各种电磁干扰也是一个完全不可能被忽略的安全问题。

电机驱动控制器开关是一种通常采用IGPWMG来控制的开关方式，其采用IGBTM的开关感应频率范围可以达到高达4khz至8khz，电机驱动控制器在高频电机工作时，开关的一定频率下所感应产生的瞬间纹波和瞬时电流脉冲幅值很高，会对高压电机以及驱动控制系统内部的各种低压电机控制电路单元信号产生各种信号上的失真甚至可能是电流失控;而且，电机驱动控制器内部的装在继电器等触点上的开关在电机断起瞬间，上千个万安培拉弧形的放电所感应产生的纹波电流脉冲数值误差都会迅速地逐渐减小或迅速缩短而达到零，由于装在继电器等触点上的开关大多数都是由多个电感线圈相互围绕而来组成，因此其在开关断起瞬间就可能会迅速产生瞬时的纹波电压和电流脉冲，将对于它的低压控制电路信号产生强烈的传导性能和电磁干扰。再次，电机直流控制器件所输出的一个新型高压直流也极有可能认为是通过驱动导线以一种传导性或一种电磁干扰的耦合形式和一个新的低压直流驱动导线之间的一种电容性相互耦合和一种电磁传感性能的耦合从而直接地会影响涉及到整个电机直流驱动控制系统的正常运行工作。

4 电动机控制器的过电流故障

过电流故障通常指的是一种用于电动汽车中的电机控制器经常出现的故障，主要表现为突变特征和峰值特征。通常表现为：

动汽车的直流电机驱动控制器的三相输出和两端三相供电线路经常会同时发生漏电短路，致使超大的输出电流。

电动汽车出现急瞬间高速刹车时，由于电动车子自身的整个负载制动惯性比较大，加速（加或减）和换挡的持续时间被系统设定得太短，电机制动控制器的正常工况主要是由于电机作业速度频率的缓慢上升速度太快，同步电机的定子转速迅速地缓缓上升和制动停止而减速下降，使得整个同步电机本来就是同样处于转子高速运行时所同样发生的旋转磁场和整个定子高速运行时所同样发生的一个旋转磁场相同，电机振动控制器的输入电源输出侧不正常、输入电源侧电路断线、电动机内部发生故障而振动致使的过载和电流发生故障。

驱动电机由于受到了电磁干扰而产生的影响，漏电流增加，发生了轴线电流、轴线电压，致使驱动电机控制器产生了过电流。

当一个电机响应控制器的一个响应控制电路同时受到了各种电磁干扰，致使一个电机控制响应信号同时发生控制过错，速度快的响应控制信号在此时丢失或从而不能正常进行工作时，也就有可能因此致使产生超过大的电流。

电机驱动控制器的电流容量设置选择与电机负载的运动特性不完全相符，致使一些电机驱动控制器的驱动功能及其运动作业反常，形成一定的电流通过负载电流;电机的控制器的参数设置不正确及其在硬件电路中的可靠性有所问题，也就是可能会导致超负荷的电流。

短期内IGBT的电流数值改变太多也可能会直接导致超负荷的过电流;若瞬时停止或中断，电流就会发生高潮，致使超出电流;当电机控制器正常复位时再次起动就会造成一定的过电流。电机驱动控制器的过载和电流主要引起原因可分为由于电机加速或减速器的运行持续时间太长过短、负载突然发生骤变、电压温度超标或电流过低、断相、短路、漏极过电流、电磁干扰和其他电机驱动控制器内部电子元件的发生故障而直接引起。

5 结语

电动汽车和商用车的电机控制器的电机故障过程对电流进行保护已经是非常重要，故障电流保护从使用电机故障控制器开始设计产品，从开始一直到最后的调试产品，所有的产品设计、研制、采购、加工、调试等都已经是很必要的，并且需要系统性不断地反复思考着电机故障的各种疑问。文主要目的是通过理论分析和研究对比现阶段的我国电动汽车电动控制系统技术理论研究和产品开发的实际应用情况，交流式电机因其系统构造简单牢靠、所需要占用的电源体积小、质量轻以及实际工作效率相当高等三大特性从而得到了各地经济发展中电动汽车技术研究者和技术开发设备厂商的高度重视。

基金项目：广州南洋理工职业学院2019年校级科研课题“电动汽车电机驱动系统故障诊断推理机的设计”（NY-2019KYYB-26）。

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