某純電動汽車驅動電機系統(tǒng)過流故障分析及解決方案

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。由驅動電機和驅動電機控制器組成的驅動電機系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件，一旦發(fā)生故障，就會給車輛帶來嚴重后果，甚至會危害人身安全，這就要求驅動電機系統(tǒng)具備高可靠性 （低故障率）、強適應性，除此之外還應具備高效率、高轉速、低質量、低噪聲等性能特點。本文簡述純電動汽車驅動電機系統(tǒng)控制原理，并針對某純電動汽車在連續(xù)顛簸路面驅動電機系統(tǒng)過流故障進行分析提出解決方案，為解決驅動電機系統(tǒng)故障提供依據和指導。

2 某純電動汽車驅動電機系統(tǒng)方案

某純電動汽車搭載永磁同步驅動電機系統(tǒng)、固定速比減速器。驅動電機控制器 （MCU）由12V蓄電池供電，通過硬線喚醒，對驅動電機和驅動電機控制器的溫度、電壓、電流、轉速、扭矩、故障等狀態(tài)進行實時監(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變?yōu)槿嗾医涣麟娊o驅動電機提供電源。整車控制器 （VCU）根據擋位、加速踏板、制動踏板等輸入的信號發(fā)出控制指令，驅動電機和驅動電機控制器根據當前的狀態(tài)和整車控制器的指令調整電壓和電流使驅動電機輸出扭矩，實現車輛的加減速、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)框架結構圖如圖1所示。

圖1 某純電動汽車驅動電機系統(tǒng)框架結構圖

3 某純電動汽車驅動電機系統(tǒng)過流故障分析

車輛在襄陽國家檢測中心試驗場進行綜合耐久試驗時，駕駛員深踩加速踏板經過坑洼顛簸路面，儀表顯示“驅動電機故障”，踩加速踏板車輛無力，重新啟動車輛恢復正常。從總線上采集故障發(fā)生時驅動電機系統(tǒng)狀態(tài)數據，顯示驅動電機過流故障，如圖2所示。從數據波形分析，①驅動電機實際扭矩：驅動電機達到峰值扭矩165Nm（屬于車輛急加速過程，與駕駛員深踩加速踏板吻合），在40ms內發(fā)生突變從161Nm降低到8Nm，驅動電機的扭矩不能響應VCU的指令，在極短時間內多次出現了較大波動，過流故障出現后驅動電機停止輸出扭矩；②轉速：在40ms內驅動電機的轉速從2272r／min突變到3644r／min后，又迅速降低到1566r／min，極短時間內多次出現較大波動。

圖2 電機過流故障發(fā)生時數據

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

在驅動電機系統(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致加速度突變，電機轉速變化很快；當車輪胎落地時遇到阻力負載，電機轉速快速地回落；驅動電機反復處于負載突變、高頻的加速／減速過程，電機控制器的調節(jié)器無法響應跟蹤，最終導致調節(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)減速帶路況故障實時數據

4 驅動電機系統(tǒng)過流故障優(yōu)化方案

4.1 驅動電機系統(tǒng)控制原理

當前，矢量控制是永磁同步電機比較常用的控制方法，在工程技術領域矢量控制技術也已經得到廣泛應用。永磁同步電機系統(tǒng)的矢量控制方法是模擬直流電機的控制性能，以clark-park、反clark-park坐標變換為基礎進行數學運算，通過對定子電流在dq旋轉坐標系大小和方向進行控制，實現對磁場和轉矩的解耦控制，一般包含經PI調解控制的轉速控制環(huán)、電流控制環(huán)，其系統(tǒng)控制結構框圖如圖5所示。文獻［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，可以使電機獲得更好的動態(tài)性能。

圖5 永磁同步電機矢量控制結構框圖

4.2 過流故障優(yōu)化方案

前已論述，電機控制器大扭矩過顛簸路和減速帶時，電機控制器的調節(jié)器無法響應指令扭矩，導致調節(jié)失控，硬件過流的根本原因為速度的突變，根據這一特征，MCU需要針對速度快速變化進行PI參數整定，加快電流環(huán)調節(jié)。同時，由于電機控制器采用了解耦控制，如圖6所示，電壓前饋補償型電流調節(jié)器［8］中，電機轉速突變后，兩項解耦項-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，考慮到電機轉速是個慣性環(huán)節(jié)，會對ωr進行一定的濾波后再參與到電機電流調節(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，轉速突變勢必會造成電流調節(jié)不跟隨，進而導致過流。本文針對電機轉速n突變，采取在低速時（n≤1200r／min）對轉速ωr進行一定的濾波控制，檢測到電機轉速突變及n＞1200r／min及時反饋ωr的變化，防止兩項解耦項的失真，有效地解決了電流調節(jié)的失控，解決了過流故障。

圖6 電壓前饋補償型電流調節(jié)器

5 驗證

本文通過上述優(yōu)化方案后，在獵豹汽車試驗場連續(xù)大減速帶路況進行模擬測試，深踩加速踏板在減速帶上連續(xù)顛簸，轉速依舊有突變，MCU轉矩能夠跟隨VCU扭矩，不再出現過流故障。總線上實時數據如圖7所示，測試數據由于路況的原因不可避免地依舊有較大的轉速波動，扭矩輸出根據實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，測試結果表明本方案有效地解決了連續(xù)顛簸路面驅動電機過流的問題。

圖7 優(yōu)化方案后加速過減速帶實時數據

6 結論

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

（編輯 凌 波）