基于信號(hào)分析的純電動(dòng)客車(chē)失效調(diào)查方法

孫曉強(qiáng)， 胡偉偉， 吳鵬程， 任 皓

(1. 江蘇大學(xué) 汽車(chē)工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 公安部交通管理科學(xué)研究所， 江蘇 無(wú)錫 214151)

隨著國(guó)家政策扶持力度的不斷加強(qiáng)、充電基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸完善以及動(dòng)力總成核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的 穩(wěn)步提升，純電動(dòng)客車(chē)逐漸成為國(guó)家主推路線(xiàn)[1-2].電動(dòng)機(jī)、電池以及電控(“三電”系統(tǒng))作為純電動(dòng)客車(chē)的核心部件，對(duì)整車(chē)安全性能具有重要影響，同時(shí)也是導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)失效的主要根源[3].如何準(zhǔn)確判定純電動(dòng)客車(chē)失效類(lèi)型與“三電”系統(tǒng)主要故障間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性，對(duì)于純電動(dòng)客車(chē)事故調(diào)查方法研究具有重要意義.

然而，現(xiàn)有研究大多是從純電動(dòng)客車(chē)“三電”系統(tǒng)本身故障分析的角度出發(fā).B. AKIN等[4]開(kāi)發(fā)了基于DSP的無(wú)傳感器電動(dòng)機(jī)故障診斷工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)故障的檢測(cè).A. SILVEIRA等[5]針對(duì)多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電控系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷研究.檀斐[6]通過(guò)建立電池單體性能模型和散熱模型，采用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池單體故障進(jìn)行診斷.王權(quán)[7]針對(duì)電動(dòng)機(jī)速度傳感器故障提出了基于RBF(radial basis function)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)故障診斷方法，并驗(yàn)證了該診斷方法的可行性.

總體看來(lái)，目前研究主要針對(duì)純電動(dòng)客車(chē)電池、電動(dòng)機(jī)以及電控“三電”系統(tǒng)分別進(jìn)行故障診斷研究，對(duì)于明晰純電動(dòng)客車(chē)不同失效類(lèi)型與電動(dòng)機(jī)、電池以及電控系統(tǒng)故障間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性尚無(wú)系統(tǒng)性描述方法.與此同時(shí)，關(guān)于如何有效判別“三電”系統(tǒng)具體故障點(diǎn)，解析不同故障類(lèi)型的典型信號(hào)特征，從而通過(guò)對(duì)系統(tǒng)易測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析即可完成整車(chē)故障識(shí)別的研究，目前也較少有文獻(xiàn)報(bào)道.

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出在掌握純電動(dòng)客車(chē)運(yùn)行過(guò)程中主要失效類(lèi)型及“三電”系統(tǒng)主要故障的基礎(chǔ)上，首先建立不同失效類(lèi)型與電動(dòng)機(jī)、電池以及電控系統(tǒng)主要故障間存在的因果關(guān)系；而后，為完成基于信號(hào)分析的純電動(dòng)客車(chē)失效調(diào)查方法研究，進(jìn)一步構(gòu)建純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型，通過(guò)人為設(shè)置“三電”系統(tǒng)主要故障，仿真模擬出系統(tǒng)主要易測(cè)信號(hào)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征分析，從而揭示系統(tǒng)不同故障呈現(xiàn)出的典型信號(hào)特征，明確純電動(dòng)客車(chē)不同失效類(lèi)型與電動(dòng)機(jī)、電池以及電控系統(tǒng)故障間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性.

1 純電動(dòng)客車(chē)主要失效類(lèi)型

通過(guò)調(diào)研相關(guān)純電動(dòng)客車(chē)生產(chǎn)企業(yè)及用戶(hù)，同時(shí)對(duì)相關(guān)公開(kāi)報(bào)道資料進(jìn)行分析，可以初步確定純電動(dòng)客車(chē)主要失效類(lèi)型可分為動(dòng)力丟失、起火以及失控等3大類(lèi).

1.1 動(dòng)力丟失

對(duì)于純電動(dòng)客車(chē)而言，動(dòng)力丟失既是一種失效，同時(shí)也是一種保護(hù)機(jī)制，這是由于動(dòng)力丟失往往是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障發(fā)生時(shí)的未知狀態(tài)和車(chē)輛駕駛者安全狀態(tài)之間的平衡.由于這個(gè)平衡，純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)通常會(huì)設(shè)置系統(tǒng)故障級(jí)別與整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)整車(chē)發(fā)生一般故障時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)輸出功率進(jìn)行限制，車(chē)輛表現(xiàn)出“跛行”；而當(dāng)整車(chē)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)可能進(jìn)入緊急停止工作狀態(tài).這些狀態(tài)對(duì)于純電動(dòng)客車(chē)而言，均可表示為“動(dòng)力丟失”.

1.2 起 火

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2018年發(fā)生的電動(dòng)汽車(chē)起火事件超過(guò)40起，召回涉及33個(gè)車(chē)型的12.14萬(wàn)輛缺陷車(chē)輛.除純電動(dòng)轎車(chē)外，載客量大的純電動(dòng)客車(chē)也頻頻發(fā)生起火事故.2018年9月，湖南岳陽(yáng)2輛純電動(dòng)公交車(chē)自燃起火，同月，寧波奉化6輛純電動(dòng)客車(chē)起火.2019年7月，南京金龍客車(chē)制造有限公司因高壓動(dòng)力電池電芯一致性問(wèn)題，可能引發(fā)熱失控和起火，決定召回NJL6118型純電動(dòng)客車(chē).通過(guò)對(duì)純電動(dòng)客車(chē)起火原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，目前大部分證據(jù)表明，動(dòng)力電池是導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)起火的主要原因.電池一旦起火，火勢(shì)蔓延極快，劇烈燃燒溫度可能會(huì)達(dá)到600～1 000 ℃，同時(shí)釋放大量有毒氣體.但也有研究表明，純電動(dòng)客車(chē)起火與電動(dòng)機(jī)故障也存在一定的關(guān)聯(lián)特性.

1.3 失 控

2017年9月20日，西安一輛比亞迪K8純電動(dòng)客車(chē)突然失控撞上了同樣在前邊等待的8輛汽車(chē)和1輛三輪車(chē)，發(fā)生了嚴(yán)重的10輛車(chē)相撞交通事故.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道以及行業(yè)專(zhuān)家分析，純電動(dòng)客車(chē)的失控與其驅(qū)動(dòng)形式的關(guān)聯(lián)度較大.相較于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，純電動(dòng)客車(chē)主要采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一旦驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)發(fā)生故障，極有可能導(dǎo)致客車(chē)發(fā)生失控.此外，動(dòng)力電池故障與整車(chē)電控系統(tǒng)故障也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致整車(chē)出現(xiàn)失控現(xiàn)象.

2 失效類(lèi)型與系統(tǒng)故障間關(guān)系分析

2.1 “三電”系統(tǒng)主要故障類(lèi)型

2.1.1電池及管理系統(tǒng)常見(jiàn)故障類(lèi)型分析

按故障發(fā)生部位劃分，純電動(dòng)客車(chē)電池故障主要可分為單體電池故障、電池管理系統(tǒng)故障以及線(xiàn)路或連接件故障等3類(lèi).其中，單體電池故障主要包括容量不足、內(nèi)阻偏大、電池內(nèi)部短路以及外部短路等類(lèi)型.電池管理系統(tǒng)故障主要包括通信故障、總電壓測(cè)量故障、單體電壓測(cè)量故障、溫度測(cè)量故障、電流測(cè)量故障、繼電器故障、加熱器故障以及冷卻系統(tǒng)故障等.線(xiàn)路或連接件故障對(duì)于整車(chē)行駛安全的影響同樣明顯，例如，當(dāng)電池間連接螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，就有可能發(fā)生電池間虛接故障，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部能量損耗增加，造成汽車(chē)動(dòng)力不足，在極端情況下還能導(dǎo)致高溫，產(chǎn)生電弧，熔化電池電極和連接片，造成電池著火等極端的電池安全事故.

2.1.2電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障類(lèi)型分析

電動(dòng)機(jī)故障可分為機(jī)械故障和電氣故障2大類(lèi).在機(jī)械故障方面，電動(dòng)機(jī)主要表現(xiàn)出定子鐵芯損壞、轉(zhuǎn)子鐵芯損壞、軸承損壞以及轉(zhuǎn)軸損壞等；在電氣故障方面，電動(dòng)機(jī)則主要表現(xiàn)出定子繞組故障和轉(zhuǎn)子繞組故障，導(dǎo)致這些故障的原因主要有電動(dòng)機(jī)繞組接地、短路、斷路以及接觸不良等.電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障主要包括IGBT(insulated gate bipolar transistor)故障、整流二極管短路、直流母線(xiàn)接地錯(cuò)誤、直流側(cè)電容短路、晶閘管短路、相電流過(guò)流、過(guò)電壓以及欠電壓等高壓電氣系統(tǒng)故障.

2.1.3整車(chē)控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障類(lèi)型分析

純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)(vehicle control unit，VCU)故障可分為硬件故障、軟件故障以及通信故障等3大部分，其中，硬件故障主要表現(xiàn)為VCU內(nèi)部電路故障，軟件故障則表現(xiàn)為VCU內(nèi)部程序跑偏、RAM(random access memory)數(shù)據(jù)損壞等，而通信故障則會(huì)影響VCU與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池管理系統(tǒng)等系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通信.

2.2 整車(chē)失效與系統(tǒng)故障間關(guān)聯(lián)分析

2.2.1純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力丟失

根據(jù)純電動(dòng)客車(chē)運(yùn)行原理，導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)產(chǎn)生動(dòng)力丟失的原因主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：

1) 電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)方面，當(dāng)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)生軟硬件故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障信息，從而使整車(chē)進(jìn)入“Fail Safe” 狀態(tài)，形成動(dòng)力丟失.

2) 電池及其管理系統(tǒng)方面，作為純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力的唯一來(lái)源，當(dāng)電池本體及其管理系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，極有可能導(dǎo)致客車(chē)出現(xiàn)動(dòng)力丟失.

3) 整車(chē)控制系統(tǒng)方面，作為純電動(dòng)客車(chē)的調(diào)度中心，當(dāng)整車(chē)控制系統(tǒng)無(wú)法與其他系統(tǒng)進(jìn)行有效通信，難以滿(mǎn)足整車(chē)協(xié)調(diào)運(yùn)行的功能要求，出現(xiàn)動(dòng)力丟失則是客車(chē)主要表現(xiàn)之一.

2.2.2純電動(dòng)客車(chē)起火

結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)論，電池及其管理系統(tǒng)故障是導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)起火的主要誘因，其中，主要故障體現(xiàn)在電池短路方面.電池短路會(huì)引起電池溫度急劇上升，引發(fā)熱失控.此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，也有可能引起純電動(dòng)客車(chē)起火.例如，當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈迅速發(fā)熱，若短路匝數(shù)過(guò)多，則會(huì)引起電流劇增，甚至燒毀電動(dòng)機(jī).因此，純電動(dòng)客車(chē)起火與電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障也存在一定關(guān)聯(lián).

2.2.3純電動(dòng)客車(chē)失控

純電動(dòng)客車(chē)失控與電池、電動(dòng)機(jī)以及電控系統(tǒng)故障間均存在一定關(guān)聯(lián).客車(chē)失控?zé)o外乎速度失控和方向失控2大類(lèi)，鑒于“三電”系統(tǒng)故障與車(chē)輛方向失控關(guān)聯(lián)度較小，因此，電池、電動(dòng)機(jī)以及電控系統(tǒng)故障導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)速度失控是重點(diǎn)分析方向.

綜合上述分析，可初步建立純電動(dòng)客車(chē)3大失效類(lèi)型與電池、電動(dòng)機(jī)以及電控系統(tǒng)主要故障間存在的內(nèi)在關(guān)系，如圖1所示.

圖1 純電動(dòng)客車(chē)主要失效類(lèi)型與“三電”系統(tǒng)故障間的關(guān)系

從圖1可以看出：導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)動(dòng)力丟失、起火以及失控等失效類(lèi)型的“三電”系統(tǒng)故障較多，且某一失效類(lèi)型可能由多種故障所引發(fā).

3 純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型建立

為進(jìn)一步明確系統(tǒng)故障點(diǎn)，在構(gòu)建純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)人為設(shè)置“三電”系統(tǒng)主要故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)易測(cè)信號(hào)的模擬分析，從而揭示系統(tǒng)不同故障的典型信號(hào)特征.

3.1 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型可通過(guò)系統(tǒng)功率方程建立，整車(chē)動(dòng)能[8]為

(1)

式中：Pe為整車(chē)驅(qū)動(dòng)功率；Fw為風(fēng)阻；Ff為車(chē)輛行駛阻力；Fi為車(chē)輛爬坡阻力；u為純電動(dòng)客車(chē)行駛車(chē)速.

當(dāng)車(chē)速為u時(shí)，整車(chē)動(dòng)能可表達(dá)為

(2)

式中：m為純電動(dòng)客車(chē)質(zhì)量；Iw為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；If為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主傳動(dòng)比；r為車(chē)輪半徑.

在忽略傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的前提下，式(2)可進(jìn)一步表示為

(3)

式中：Im為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωe為轉(zhuǎn)子角速度；ωw為車(chē)輪角速度.

結(jié)合ωe及ωw與車(chē)速的關(guān)系，純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)動(dòng)能可進(jìn)一步表達(dá)為

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行求導(dǎo)，同時(shí)聯(lián)立式(1)，可得

(5)

式中：T為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；η為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出效率；G為車(chē)輛重力；f為車(chē)輛滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；α為坡度角.

3.2 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有損耗低、溫升低、功率因數(shù)高和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前成為新能源汽車(chē)的主流電動(dòng)機(jī)選擇.針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)模型，主要由電動(dòng)機(jī)本體模型和電動(dòng)機(jī)控制模型2部分組成.

永磁同步電動(dòng)機(jī)本體模型[9]可描述為

(6)

式中：ωm為電動(dòng)機(jī)角速度；p為磁極對(duì)數(shù)；id、iq分別為d軸和q軸電流；R為定子繞組的電阻；Ld、Lq分別為d軸和q軸的電感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；λpm為永久磁鏈常數(shù)；Vd、Vq分別為d軸和q軸電壓；Va、Vb、Vc分別為a、b、c三相電壓.

電動(dòng)機(jī)控制模型選取了最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制方法及削弱磁通量的控制策略，該方法能夠在減小逆變器容量壓力的同時(shí)，提供更大的電磁轉(zhuǎn)矩.系統(tǒng)具體控制架構(gòu)如圖2所示.

圖2 純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制架構(gòu)

3.3 電池系統(tǒng)模型

電池模型采用數(shù)據(jù)表模型，該模型的搭建思路是通過(guò)電池開(kāi)路電壓和內(nèi)部電阻查找電池輸出電壓，所述查找表是電池荷電狀態(tài)及電池溫度的非線(xiàn)性函數(shù)表達(dá)式[10-11]，即

(7)

式中：Vm為電池開(kāi)路電壓；SOC為荷電狀態(tài)；Rint為電池內(nèi)部電阻.

在此基礎(chǔ)上，可由式(8)計(jì)算電池輸出電壓， 即

(8)

式中：VT為單體電池電壓；Ibatt為單體電池電流；Iin為電池總電流；Np為并聯(lián)電池?cái)?shù)；Cp為電池容量；Lbatt為電池容量；Vout為輸出電壓；NS為串聯(lián)電池?cái)?shù)；τ為時(shí)間常數(shù)；s為復(fù)頻率.

3.4 電控系統(tǒng)模型

在模擬電控系統(tǒng)故障中，僅考慮電控系統(tǒng)的通信故障，因此，為實(shí)現(xiàn)基于HIL仿真平臺(tái)的純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型構(gòu)建，電池、電動(dòng)機(jī)以及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型均參考式(1)-(8)建立，而電控系統(tǒng)模型則采用HIL平臺(tái)中自帶的整車(chē)控制模塊.

4 系統(tǒng)故障模擬及信號(hào)特征分析

在建立包含“三電”系統(tǒng)的純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型基礎(chǔ)上，從符合客觀(guān)邏輯及可實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，模擬“三電”系統(tǒng)主要故障，進(jìn)而通過(guò)仿真分析，掌握不同故障的信號(hào)特征.

4.1 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障模擬及信號(hào)

在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障方面，首先考慮電動(dòng)機(jī)失磁故障，因?yàn)樵摴收吓c純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力丟失密切相關(guān).磁鏈常數(shù)λpm表示永磁體運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)改變磁鏈常數(shù)即可模擬電動(dòng)機(jī)不同失磁情況.正常工況，電動(dòng)機(jī)25.0%失磁工況以及電動(dòng)機(jī)87.5%失磁工況下的客車(chē)車(chē)速及電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比分別如圖3-4所示.

圖3 不同電動(dòng)機(jī)失磁工況下的客車(chē)車(chē)速對(duì)比圖

從圖3可以看出：在較低失磁狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)可以正常運(yùn)行，純電動(dòng)客車(chē)在行駛過(guò)程中受到的影響較小，然而，隨著失磁程度的增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降，純電動(dòng)客車(chē)加速性能受限，開(kāi)始表現(xiàn)出“動(dòng)力丟失”的現(xiàn)象.與此同時(shí)，根據(jù)圖4，當(dāng)失磁程度較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩幅值明顯受限，可視為其典型特征.

圖4 不同電動(dòng)機(jī)失磁工況下的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

另一個(gè)考慮的電動(dòng)機(jī)故障則是定子繞組匝間短路，該故障可能會(huì)導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)動(dòng)力丟失和起火.不同程度電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路(10%及18%)下的客車(chē)車(chē)速、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以及電動(dòng)機(jī)電流的對(duì)比分別如圖5-7所示,隨著電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路程度的增加，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受到限制，從而使得純電動(dòng)客車(chē)加速性能明顯下降，出現(xiàn)動(dòng)力丟失.與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流隨著電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路程度的增加，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的較大峰值，使得電動(dòng)機(jī)起火風(fēng)險(xiǎn)提升，為誘發(fā)純電動(dòng)客車(chē)起火造成隱患.

圖5 不同程度定子繞組匝間短路下的客車(chē)車(chē)速對(duì)比圖

圖6 不同程度定子繞組匝間短路下的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖

圖7 不同程度定子繞組匝間短路下的電動(dòng)機(jī)電流對(duì)比圖

4.2 電池系統(tǒng)故障模擬及信號(hào)

在電池系統(tǒng)故障方面，主要考慮電池內(nèi)部短路故障，因?yàn)樵摴收鲜菍?dǎo)致電池?zé)崾Э氐闹饕T因.電池內(nèi)部短路故障時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電池放電電流分別如圖8-9所示.

圖8 電池內(nèi)部短路時(shí)的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖

圖9 電池內(nèi)部短路時(shí)的電池放電電流圖

從圖8-9可以看出：當(dāng)電池出現(xiàn)內(nèi)部短路故障時(shí)，其典型信號(hào)特征是，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電池放電電流均會(huì)在瞬時(shí)時(shí)刻劇增，隨后快速下降并歸零.因此，電池內(nèi)部短路一般不會(huì)造成純電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)失控，但是極易造成客車(chē)出現(xiàn)起火事故.

4.3 電控系統(tǒng)故障模擬及信號(hào)

在電控系統(tǒng)故障方面，主要考慮純電動(dòng)客車(chē)電控系統(tǒng)的通信故障，該故障既可能導(dǎo)致客車(chē)動(dòng)力丟失，也可能導(dǎo)致客車(chē)失控.模擬電控系統(tǒng)的通信故障可借助HIL仿真平臺(tái)故障注入板卡進(jìn)行直接實(shí)現(xiàn)，所述板卡如圖10所示.

圖10 HIL仿真平臺(tái)故障注入板卡

通過(guò)故障注入板卡注入電控系統(tǒng)不同的通信故障，即可得到電控系統(tǒng)通信故障下的純電動(dòng)客車(chē)車(chē)速、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以及電池放電電流等信號(hào).因電控系統(tǒng)通信故障導(dǎo)致的純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力丟失和失控2種情形下的車(chē)速、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以及電池放電電流信號(hào)對(duì)比分別如圖11-13所示.

圖11 不同電控系統(tǒng)通信故障下的車(chē)速對(duì)比圖

圖12 不同電控系統(tǒng)通信故障下的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖13 不同電控系統(tǒng)通信故障下的電池電流對(duì)比圖

從圖11-13可以看出：電控系統(tǒng)不同通信故障會(huì)導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)動(dòng)力丟失和失控2種失效類(lèi)型，導(dǎo)致不同失效類(lèi)型的根源在于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電池放電電流存在明顯差別，且二者主要在幅值上區(qū)別顯著，整體演化趨勢(shì)基本一致.這應(yīng)該是由于本研究所采用的HIL仿真平臺(tái)故障注入板卡在注入電控系統(tǒng)通信故障時(shí)，其最終效果體現(xiàn)在純電動(dòng)客車(chē)系統(tǒng)控制量幅值存在明顯區(qū)別，從而導(dǎo)致純電動(dòng)客車(chē)不同的失效類(lèi)型.

5 結(jié) 論

1) 掌握了純電動(dòng)客車(chē)運(yùn)行過(guò)程中主要失效類(lèi)型及“三電”系統(tǒng)主要故障，初步建立了整車(chē)失效類(lèi)型與系統(tǒng)故障間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

2) 構(gòu)建了包含電動(dòng)機(jī)、電池以及電控“三電”系統(tǒng)的純電動(dòng)客車(chē)整車(chē)模型，為模擬純電動(dòng)客車(chē)人為失效奠定了良好基礎(chǔ).

3) 針對(duì)“三電”系統(tǒng)主要故障進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)合系統(tǒng)易測(cè)信號(hào)分析，揭示了系統(tǒng)不同故障的典型信號(hào)特征，為明確純電動(dòng)客車(chē)不同失效類(lèi)型與電動(dòng)機(jī)、電池以及電控系統(tǒng)故障間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性提供了有效手段，形成純電動(dòng)客車(chē)失效調(diào)查方法.