電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能安全測(cè)試研究

【摘" 要】開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能安全研究對(duì)于降低電驅(qū)系統(tǒng)性失效和隨機(jī)硬件失效具有重要意義。文章概述功能安全集成測(cè)試：軟件和硬件集成測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、整車(chē)集成測(cè)試3個(gè)階段的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)控制器的常見(jiàn)故障進(jìn)行歸納，同時(shí)也對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)功能安全測(cè)試方法進(jìn)行闡述，并搭建基于AVL單軸測(cè)功機(jī)的測(cè)試臺(tái)架，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)功能安全進(jìn)行測(cè)試并分析測(cè)試結(jié)果，最終用于評(píng)價(jià)某電驅(qū)系統(tǒng)功能安全需求是否滿足功能安全設(shè)計(jì)，以便驗(yàn)證該測(cè)試方法對(duì)功能安全集成驗(yàn)證的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)電機(jī)；功能安全；故障；測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0013-03

Research on Functional Safety Test for Motor System of Electric Vehicles

LIU Xitao

（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Automobile Engineering Institute，Guangzhou 511434，China）

【Abstract】Research on functional safety test for motor system of electric vehicles is of great value to reduce systematic failures and random hardware failures. The test contents and methods of system and item integration and testing are summarized，which include hardware-software integration and testing，system integration testing and vehicle integration testing. The common failures of motor system controller are summarized. The functional safety test methods are described and test bench based on AVL bench is set up. The functional safety test is conducted and test results are analyzed to evaluate whether the functional safety requirements meet the design requirements. The test method is helpful to the verification of functional safety.

【Key words】motor system；functional safety；failure；testing

隨著汽車(chē)行業(yè)電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化等新四化的發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)正在發(fā)生一場(chǎng)顛覆性的革命。隨著汽車(chē)行業(yè)變革加速推進(jìn)，人們對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的固有認(rèn)知基準(zhǔn)正被打破。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展加劇了汽車(chē)硬件、軟件和機(jī)電一體化應(yīng)用的復(fù)雜度，來(lái)自系統(tǒng)性失效和隨機(jī)硬件失效的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。功能安全能有效降低系統(tǒng)性失效和隨機(jī)硬件失效的風(fēng)險(xiǎn)，其發(fā)展可謂方興未艾。電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)三電系統(tǒng)的核心部件，開(kāi)展對(duì)其功能安全測(cè)試的研究已迫在眉睫。

1" 功能安全驗(yàn)證與確認(rèn)

1.1" 功能安全集成與測(cè)試

功能安全開(kāi)發(fā)遵循V模型，V模型左側(cè)即功能安全開(kāi)發(fā)，主要包括相關(guān)項(xiàng)定義、HARA分析、概念設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié)；V模型右側(cè)即功能安全驗(yàn)證與確認(rèn)，主要包括軟硬件集成測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、整車(chē)集成測(cè)試以及安全確認(rèn)等環(huán)節(jié)^[1-4]。功能安全開(kāi)發(fā)V模型如圖1所示。

功能安全集成與測(cè)試包括3個(gè)階段：第1階段是硬件和軟件的集成與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法如表1所示；第2階段是系統(tǒng)集成與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法如表2所示；第3階段是整車(chē)集成與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法如表3所示。要素的集成按照系統(tǒng)化的方法進(jìn)行，每個(gè)集成階段進(jìn)行特定的集成測(cè)試，用以證明所集成的要素之間正確交互。完成功能安全集成與測(cè)試后，需要開(kāi)展安全確認(rèn)，用以提供證據(jù)證明：①集成到目標(biāo)車(chē)輛的相關(guān)項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了其安全目標(biāo)，并滿足安全接受準(zhǔn)則；②功能安全概念和技術(shù)安全概念對(duì)于實(shí)現(xiàn)相關(guān)項(xiàng)的功能安全是合適的。

1.2" 電驅(qū)系統(tǒng)控制器故障

電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)控制器故障分為：功能類(lèi)故障、低壓系統(tǒng)故障、直流母線電壓故障、電機(jī)旋變信號(hào)故障、電機(jī)轉(zhuǎn)矩類(lèi)故障、CAN通信類(lèi)故障、硬件故障等^[5-6]。

1）功能類(lèi)故障分為：電機(jī)三相不平衡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)電流、電機(jī)溫度保護(hù)、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子失磁、絕緣異常、高壓暴露、冷卻系統(tǒng)異常、主動(dòng)放電異常、觸發(fā)碰撞信號(hào)等。

2）直流母線電壓故障分為：直流母線電壓過(guò)壓、直流母線電壓欠壓。

3）電機(jī)旋變信號(hào)故障分為：旋變初始角異常、電機(jī)超速。

4）電機(jī)轉(zhuǎn)矩類(lèi)故障分為：轉(zhuǎn)矩指令超限故障、非預(yù)期零轉(zhuǎn)矩輸出故障、非預(yù)期轉(zhuǎn)矩輸出過(guò)大故障、非預(yù)期轉(zhuǎn)矩降低與反向故障等。

5）CAN通信類(lèi)故障分為：CAN報(bào)文超時(shí)故障、通信節(jié)點(diǎn)BusOff故障、CAN報(bào)文Counter或Checksum故障、CAN總線短路故障、功能安全相關(guān)CAN通信故障。

6）硬件故障分為：低壓電源線開(kāi)路故障、電機(jī)接地異常故障、電機(jī)溫度傳感器開(kāi)路/短路故障、電機(jī)相線開(kāi)路/短路故障、旋變輸出開(kāi)路/短路故障、高壓互鎖線開(kāi)路/短路故障、高壓直流側(cè)開(kāi)路故障、喚醒信號(hào)線開(kāi)路/短路故障。

通過(guò)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)控制器故障的歸納總結(jié)，為電驅(qū)系統(tǒng)故障注入測(cè)試指明了方向。

2" 試驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1" 試驗(yàn)方法

電驅(qū)系統(tǒng)故障種類(lèi)繁多，本文將圍繞電驅(qū)系統(tǒng)E2E測(cè)試、旋變位置傳感器校對(duì)測(cè)試、電機(jī)超速保護(hù)測(cè)試、碰撞事件發(fā)生時(shí)的安全測(cè)試等來(lái)開(kāi)展。

2.1.1" E2E測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證電機(jī)系統(tǒng)在TorqueCtrl和Standby模式下的故障響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間。

試驗(yàn)步驟：對(duì)相關(guān)報(bào)文對(duì)應(yīng)的E2E故障如CRC或Timeout故障，通過(guò)CANoe觀測(cè)MCU的狀態(tài)，并分析故障響應(yīng)時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：注入相應(yīng)報(bào)文CRC或Timeout故障時(shí)，MCU對(duì)該故障正確響應(yīng)，故障響應(yīng)時(shí)間小于設(shè)計(jì)值。

2.1.2" 旋變位置傳感器校對(duì)測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證旋變勵(lì)磁正或者負(fù)故障時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)在TorqueCtrl和Standby模式下故障響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間。

試驗(yàn)步驟：將旋變勵(lì)磁正硬線斷開(kāi)，通過(guò)CANoe觀測(cè)MCU的狀態(tài)，并分析故障響應(yīng)時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：旋變勵(lì)磁硬線斷開(kāi)后，MCU對(duì)該故障正確響應(yīng)，故障響應(yīng)時(shí)間小于設(shè)計(jì)值。

2.1.3" 電機(jī)超速保護(hù)測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證電機(jī)超速后，電機(jī)系統(tǒng)的故障響應(yīng)。

試驗(yàn)步驟：將測(cè)功機(jī)與電機(jī)斷開(kāi)連接，通過(guò)CANoe請(qǐng)求3N·m電機(jī)扭矩值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)最高轉(zhuǎn)速，記錄數(shù)據(jù)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)最高轉(zhuǎn)速之后，MCU對(duì)該故障響應(yīng)正確。

2.1.4" 碰撞事件發(fā)生時(shí)的安全測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證碰撞事件發(fā)生后，電機(jī)系統(tǒng)在TorqueCtrl和Standby模式下的故障響應(yīng)及故障響應(yīng)時(shí)間。

試驗(yàn)步驟：斷開(kāi)碰撞硬線或者注入碰撞信號(hào)故障時(shí)，通過(guò)CANoe觀測(cè)MCU的狀態(tài)，并分析故障響應(yīng)時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：斷開(kāi)碰撞硬線或者注入碰撞信號(hào)故障后，MCU對(duì)該故障響應(yīng)正確，同時(shí)故障響應(yīng)時(shí)間小于設(shè)計(jì)值。

2.2" 試驗(yàn)過(guò)程

以電驅(qū)系統(tǒng)為被測(cè)件，搭建電驅(qū)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，如圖2所示。搭建了基于AVL 單軸測(cè)功機(jī)，配有PUMA操作軟件的測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。電驅(qū)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建完畢后，根據(jù)上文所述的試驗(yàn)方法開(kāi)展測(cè)試，并錄取相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3" 試驗(yàn)結(jié)果

使用CANoe解析錄取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。MCU對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中注入的故障響應(yīng)正確，且能在設(shè)計(jì)的故障響應(yīng)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，進(jìn)入安全狀態(tài)。測(cè)試的數(shù)據(jù)和時(shí)間精度均滿足測(cè)試目標(biāo)的要求。

3" 結(jié)論

1）文章主要闡述了功能安全集成測(cè)試（軟件和硬件集成測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、整車(chē)集成測(cè)試）內(nèi)容和測(cè)試方法，為開(kāi)展功能安全測(cè)試提供理論支撐。

2）歸納分析了電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)控制器故障，為故障注入測(cè)試指明方向。

3）提供了電驅(qū)系統(tǒng)集成測(cè)試方法，搭建了電驅(qū)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架，為開(kāi)展系統(tǒng)集成測(cè)試提供了有效方法，驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-08-22

作者簡(jiǎn)介

劉喜濤，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)試驗(yàn)。