某純電動汽車驅動電機系統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作為純電動汽車的核心部件，一旦發生故障，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控制原理，并針對某純電動汽車在連續顛簸路面驅動電機系統過流故障進行分析提出解決方案，為解決驅動電機系統故障提供依據和指導。

2 某純電動汽車驅動電機系統方案

某純電動汽車搭載永磁同步驅動電機系統、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、故障等狀態進行實時監測與反饋，同時由高壓配電系統提供高壓電源，通過功率逆變模塊轉變為三相正弦交流電給驅動電機提供電源。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出控制指令，驅動電機和驅動電機控制器根據當前的狀態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不斷的動力。其系統框架結構圖如圖1所示。

圖1 某純電動汽車驅動電機系統框架結構圖

3 某純電動汽車驅動電機系統過流故障分析

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生時驅動電機系統狀態數據，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生時的工作條件和環境，使故障再現。深踩加速踏板加速通過連續減速帶路況時 （實際路面狀況如圖3所示）車輛發生相同現象，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。現場檢查高低壓線束、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、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，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，電機控制器的調節器無法響應跟蹤，最終導致調節失控，硬件過流。

圖3 連續減速帶路況

圖4 加速過連續減速帶路況故障實時數據

4 驅動電機系統過流故障優化方案

4.1 驅動電機系統控制原理

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、電流控制環，其系統控制結構框圖如圖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，電機控制器的調節器無法響應指令扭矩，導致調節失控，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，加快電流環調節。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節，會對ωr進行一定的濾波后再參與到電機電流調節控制中，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的失控，解決了過流故障。

圖6 電壓前饋補償型電流調節器

5 驗證

本文通過上述優化方案后，在獵豹汽車試驗場連續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?？偩€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顛簸路面驅動電機過流的問題。

圖7 優化方案后加速過減速帶實時數據

6 結論

驅動電機系統的故障發生率對汽車穩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的常見故障之一，文章簡述了純電動汽車驅動電機系統常見故障類型，針對連續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過流故障，并提出了基于電壓前饋補償性電流控制器優化轉速濾波的方案，有效地解決了驅動電機系統在連續顛簸路面過流故障，為以后的相關研究及實際應用提供指導。

（編輯 凌 波）