電動汽車驅動電機系統(tǒng)故障分析＊

王學軍，張坤，劉玉振

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

1 電動汽車概述

1.1 概念及特點

電動汽車是純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車的總稱。其中純電動汽車是指完全由電能提供驅動能量，由電動機驅動的車輛。電動機的驅動電源來自車載可充電儲能系統(tǒng)或其他儲能裝置。純電動汽車無廢氣污染，噪音低，能源來源廣，能量轉換效率高，結構簡單，操作維護方便。它可以利用電網(wǎng)廉價的“谷電”進行夜間充電，但行駛里程短，動力電池使用壽命短，價格昂貴。主要用于比亞迪E6、特斯拉（美國）、北汽 EU260?；旌蟿恿ζ嚕℉EV）是指能夠從消耗的燃料和可充電電能儲存裝置儲存的至少兩種車載能量中獲取動力的車輛。它具有尾氣污染小、節(jié)能、行駛里程長等優(yōu)點。它可以利用現(xiàn)有加油站加油，不需要投資。然而，長距離高速行駛很難節(jié)省燃油。適用于普銳斯（日本）、比亞迪秦、比亞迪唐駿、榮威550等。燃料電池電動汽車是指以燃料電池系統(tǒng)為單電源或以燃料電池系統(tǒng)為混合動力源的電動汽車。它具有無污染、能量轉換效率高、工藝復雜、成本高等特點。適用于奔馳B級車、豐田邁銳。

1.2 結構及工作原理

（1） 純電動汽車（BEV）基本組成

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，BEV主要在動力裝置上有所不同，底盤、車身等其他車輛也基本相同。電動汽車主要包括動力電池、驅動電機、控制系統(tǒng)和電動空調、電動轉向和電制動，俗稱三大三小部件。BEV保留了傳統(tǒng)汽車的油門踏板、制動踏板和各種控制手柄，但不需要離合器。

（2） BEV基本工作原理

當電動汽車工作時，傳感器將油門踏板和制動踏板的行程轉換為電信號，并發(fā)送給中央控制系統(tǒng)。驅動信號經(jīng)中央控制器處理后，發(fā)出控制電動車工作狀態(tài)的信號。

汽車前進時，由電機控制系統(tǒng)將電池組的直流輸出轉換為交流電源，由驅動系統(tǒng)驅動電機輸出轉矩驅動車輪。

當汽車減速時，車輪帶動驅動電機旋轉。通過電機控制系統(tǒng)，感應電機變成交流發(fā)電機產(chǎn)生電流，然后將交流電轉換成直流電給電池組充電（制動再生能量）。同時，BEV 控制系統(tǒng)通過各種傳感器和電流檢測器對動力電池組和驅動電機進行監(jiān)控，及時反饋信息和報警，并通過電流表、電壓表、電能表、轉速表和溫度計進行顯示。

2 電動汽車動力驅動系統(tǒng)

動力傳動系統(tǒng)是介于電動汽車儲能裝置和車輪之間的重要系統(tǒng)。它的作用是將電能轉化為機械能，克服各種形式的滾動阻力、氣動阻力、加速度和上坡阻力，在制動時將動能轉化為電能儲存起來。電機驅動系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和動力傳動系統(tǒng)是整車的關鍵技術。電傳動系統(tǒng)由驅動電機和控制系統(tǒng)組成。

2.1 驅動電機原理

驅動電機是實現(xiàn)汽車驅動的電能和機械能轉換的關鍵部件，是典型的機電混合部件。有“電動汽車的心臟”之稱。

電機的基本原理都是以電磁感應原理為基礎。以單匝電樞線圈的直流電機為例（圖3-1a），將通電線圈置于磁場中，直流電通過電刷和換向器銅片引入。當電流1，從A電刷經(jīng)a-b-c-d到B電刷時（圖3-1b），根據(jù)左手定則判定，匝邊ab和cd受到的磁場力F方向如圖63-1b所示，這個電磁力將形成力矩，使線圈逆時針轉動；當線圈轉到換向片A與負電刷接觸，換向片B與正電刷接觸時，如圖3-1c所示，電流方向改變?yōu)閐c-b-a，同時匝邊ab和ed的位置也改變，電磁轉矩的方向保持不變，使線圈繼續(xù)逆時針旋轉[1]。

2.2 驅動電機的分類

電動汽車所采用的驅動電機種類繁多，目前主要有感應式交流電動機、永磁無刷電動機、直流電動機、永磁同步電機和開關磁阻電動機等。

其中直流電動機是最早的一種，具有控制系統(tǒng)簡單、調節(jié)方便等優(yōu)點。然而，由于其效率低、體積大、質量大，限制了電機性能的提高。感應電動機的效率和功率比直流電動機好，是一種普通電動機。永磁無刷電機具有功率密度大、轉矩脈動大的優(yōu)點，適合于在高速區(qū)域進行方便、快速的弱磁調節(jié)，提高電機的驅動性能。開關磁阻電機具有制造成本低、控制系統(tǒng)相對簡單等特點。它適用于寬范圍調速，但能量轉換密度低，噪聲大。由于永磁同步電動機采用同步工作方式，其結構簡單、輕便方便、控制性能好、效率高、綜合性能好。

2.3 電動汽車電機驅動控制的性能要求

電動汽車驅動系統(tǒng)的控制特性主要取決于三個方面：駕駛員對電動汽車行駛性能的要求、汽車的性能約束和汽車能量系統(tǒng)的性能。車輛的加速性能、最大速度、爬坡能力、制動性能和續(xù)航距離構成了車輛的行駛性能。車輛本身的性能約束主要取決于車型和車輛重量；能量系統(tǒng)的性能與車輛電源如電池、燃料電池、電容器和各種混合能源有關。因此，電機驅動部分的性能確定和整體匹配應在系統(tǒng)平面上進行優(yōu)化和調整。汽車是最常用的交通工具。車輛在行駛過程中，需要經(jīng)常改變行駛狀態(tài)。當汽車在泥濘路面或上坡時，平穩(wěn)或高速行駛時需要低速和大扭矩。其速度范圍必須能滿足汽車從零到最高行駛速度（即要求電機具有較高的比功率）和功率密度的需要。因此，電機作為電動汽車驅動系統(tǒng)的核心部件，其性能、效率和重量將直接影響電動車的性能，因此電機主要性能的確定必須與電動車的性能要求相匹配。

其具體的要求如下：

（1）電機運行時必須有良好的穩(wěn)定性。

（2）對電機驅動系統(tǒng)有很高的要求。為了提高電動機的功率密度，必須擴大電動機轉速的有效范圍。電機驅動系統(tǒng)的工作效率應在85%以上，轉速范圍應在80%以上。

（3）電機驅動控制的目的是為了提高汽車的動力性能，這就要求電機驅動系統(tǒng)在低速下具有高轉矩輸出。在輸出過程中，過載時間不應太短，過載系數(shù)不應小于原來的2倍，過載時間不應少于4分鐘，電機應保持恒定功率輸出。

（4）以電機轉矩或轉速為控制目標，油門踏板、制動踏板和方向盤的給定位置是電機轉矩或轉速的目標值，要求轉矩響應快、波動小、穩(wěn)定性好[2]。

表1 不同電機性能的比較

3 驅動電機系統(tǒng)故障分析

驅動電機是電動汽車的核心部件，控制著整車的動態(tài)性能。為了保證驅動電機系統(tǒng)的正常運行，必須有效預防并及時排除驅動系統(tǒng)的故障，從而保證電動汽車的安全。為了保證系統(tǒng)的平穩(wěn)和正常運行，系統(tǒng)需要處于一個合適的溫度環(huán)境中，因此需要冷卻設備。當系統(tǒng)溫度超過極限時，會影響驅動系統(tǒng)的功率輸出，系統(tǒng)部件會因高溫而損壞，影響其正常的駕駛性能。

3.1 案例分析

一輛比亞迪e6電動汽車行駛中組合儀表出現(xiàn)“電機及控制器溫度高”字樣，要求服務站給予維修。

3.2 原因分析

（1）驅動電機故障：定子繞組短路、轉子與定子碰摩、軸承損壞等；

（2）電機控制器故障：IGBT損壞、控制芯片損壞、逆變器故障；

（3）分解器故障：一次繞組損壞，二次繞組損壞，線路不良；

（4）傳感器故障：連接器故障、零件損壞、線路不良；（5）冷卻系統(tǒng)故障：水泵損壞、散熱器不良、管路故障；（6）電路故障：高壓電源電路故障、低壓電源電路故障、線束和連接器。

3.3 故障診斷

（1）外部直觀檢查

1）檢查冷卻水泵是否有運轉聲音，管路是否損壞，接頭是否松動，漏水，排除故障。

2）檢查電機及其控制器外部是否有液體泄漏，管接頭是否松動，排除故障。

3）檢查電機及其控制器的外部高低壓連接器是否完好，導線是否損壞，排除故障。

4）檢查電機外部緊固螺釘是否松動，有無異常響聲。（2）用儀器設備進行故障診斷

1）檢查蓄電池電壓：用萬用表檢查，標準電壓值為11～14V，如果電壓值低于 11V，在下一步工作前充電或更換蓄電池。

2）用診斷儀讀取故障碼：將診斷儀連接到DLC3診斷口，打開整車ON檔，進入VTOG控制器故障碼診斷。如果有故障代碼，請檢查相應的故障代碼。如果沒有通信，檢查電源線和 CAN線。如果兩者都正常且沒有通信，則更換VTOG控制器。如果沒有故障代碼，請徹底檢查系統(tǒng)。

3）用診斷儀檢查電機控制器和電機。如果是VTOG故障，則更換VTOG；如果是電機故障，則更換電機。

4 結語

電動汽車由于良好的環(huán)保優(yōu)勢，受到大眾的關注，電機驅動系統(tǒng)結構復雜，其優(yōu)劣質量會影響車輛的正常行駛，所以必須要掌握故障診斷和排除，保證電動汽車在正常運轉狀態(tài)下的安全性。