淺析故障樹分析法在驅動電機及控制系統(tǒng)檢修課程教學中的應用

江西應用技術職業(yè)學院 謝達城，李 晶，邱志卓

隨著汽車行業(yè)“新四化”（電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化）的快速發(fā)展，汽車的驅動形式開始多樣化，純電動汽車采用驅動電機替代原有的內(nèi)燃機，形成簡單的電驅動系統(tǒng)，混合動力汽車采用驅動電機與內(nèi)燃機組合的形式，為汽車提供驅動力。與傳統(tǒng)驅動形式相比，電驅動系統(tǒng)具有響應快速、傳動系統(tǒng)結構簡單、操縱方便、維護簡單、噪音低等優(yōu)點。

電驅動系統(tǒng)主要由驅動電機及電機控制系統(tǒng)組成，目前電動汽車上驅動電機大部分采用永磁同步電機，電機控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)，使其滿足車輛不同運行要求的作用。在驅動電機及控制系統(tǒng)檢修時，如果將故障類型進行合理分類和詳細分析，可以為后續(xù)的故障診斷帶來極大的便利。

1 故障樹分析法

故障樹分析法通常把系統(tǒng)中最不期望發(fā)生的故障現(xiàn)象稱為頂事件，確定造成該頂事件發(fā)生的直接全部原因（可能是軟硬件故障、人為操作失誤或其他相關事件），再找出造成這些事件發(fā)生的下一層次原因，一直這樣往下執(zhí)行，直到找到最低層次的故障（定義為基本事件）為止。把介于頂事件與基本事件間的一切事件定義為中間事件，最后把頂事件、中間事件和基本事件通過合適的邏輯門連接成樹形圖，即構成故障樹。故障樹的典型模型如圖1所示。

故障樹分析法應用在汽車故障診斷時，首先需要經(jīng)過大量的理論分析和實踐分析，總結系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有故障類型；其次要從各方面對造成系統(tǒng)故障的可能原因進行逐層分析，把所有的故障原因進行整合梳理，并分析這些故障原因的邏輯關系，然后建立起從上至下的故障樹模型，通過故障樹反推導致系統(tǒng)故障的各種可能原因。

圖1 故障樹的典型模型

2 驅動電機系統(tǒng)結構原理分析

驅動電機是將電能轉換成機械能為車輛行駛提供驅動力的一種電氣裝置，這種裝置同時還具備將機械能轉化成電能的功能。作為新能源汽車重要驅動部件之一，其性能好壞直接影響車輛的正常行駛、驅動效率及行駛安全等。電動汽車電驅動系統(tǒng)在結構布置形式上主要有以下4種形式。

（1）驅動電機與驅動橋組合驅動。組合式驅動形式與傳統(tǒng)車橋較為相似，驅動電機與車橋間通過減速器、差速器等聯(lián)結。具有機械結構緊湊、傳動效率高、易于安裝等特點。

（2）驅動電機與驅動橋集成驅動。該驅動方式把驅動電機、固定速比減速器和差速器集成為一個整體，并與驅動軸同軸，通過兩根半軸驅動車輪。該布置形式的結構、聯(lián)結部件進一步簡化。

（3）輪邊驅動電機驅動。將驅動電機安裝在車輪內(nèi)側，每個驅動電機的轉速可單獨控制，需要安裝電子差速器解決左右半軸的差速問題。這種布置形式使得汽車動力性能更加優(yōu)良、運行更加靈活，同時減少傳動系統(tǒng)部件，可有效節(jié)省汽車空間。

（4）輪轂驅動電機驅動。驅動電機一部分（轉子）直接與輪轂固定，輪轂也可以看做是驅動電機結構的一部分，另一部分（定子）直接安裝在懸架上。此種布置形式縮短了驅動電機和車輪間的機械傳動距離，進一步節(jié)省空間，傳動效率高。

電動汽車電驅動系統(tǒng)主流的驅動電機結構類型有：永磁同步電機、交流異步電機、直流電機、開關磁阻電機等。這幾種驅動電機結構性能各異，目前，新能源汽車尤其是純電動汽車大部分使用永磁同步電機，具有結構簡單、體積小、重量輕、運行可靠、傳動效率高、控制精度高、良好的轉矩平穩(wěn)性及低振動噪聲等特點。

永磁同步電機的定子與普通電動機的結構基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組2部分構成。轉子主要由永磁體、轉子鐵芯和轉軸等部分構成。此外，永磁同步電機的轉子位置傳感器是將轉子的位置信號反饋給電機控制器，以實現(xiàn)對驅動電機的閉環(huán)控制。

電機控制系統(tǒng)由驅動電路、控制電路、冷卻系統(tǒng)等組成，其作用是通過有效的控制策略將動力電池提供的直流電轉化為交流電，實現(xiàn)對驅動電機的相應控制，主要包括速度控制、轉矩控制、正反轉控制及在減速/制動時進行能量回收。純電動汽車驅動系統(tǒng)的組成如圖2所示。

3 故障樹分析法的教學應用

驅動電機及控制系統(tǒng)檢修課程作為高職新能源汽車技術專業(yè)的核心課程，具有課程難度大、實踐性強的特點。通過教學，學生雖能理解驅動電機及控制系統(tǒng)的結構原理，但在故障檢修的實訓過程中，當遇到實際問題時還不具備快速高效的故障診斷思路，學生排除故障往往花費較長時間，導致實訓效果不理想。故障樹分析法通過對系統(tǒng)進行全面的分析、研究、總結，可以將導致系統(tǒng)故障的各事件層層遞進的關系直觀展現(xiàn)，自上而下對事件進行分析，可以找到故障與哪些因素有關（硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等），并可按照概率的大小進行逐一排查，因此在教學過程中運用故障樹分析法，結合理實一體、任務驅動等教學方法，對指導學生摸清系統(tǒng)故障范圍、理清故障診斷思路、高效排除故障具有重要指導價值。

圖2 純電動汽車驅動系統(tǒng)的組成

根據(jù)驅動電機及控制系統(tǒng)的結構原理，以驅動電機及控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障作為頂事件，整個事件可以看作二級事件，劃分為機械故障、電氣故障、控制系統(tǒng)故障3種故障類型。

針對機械故障、電氣故障及控制系統(tǒng)故障分別構建故障樹。構建故障樹時，需要學生進一步熟悉系統(tǒng)的結構和工作原理，才能列出故障分類、故障間的邏輯關系、構成故障樹的中間事件及基本事件。如在控制系統(tǒng)故障樹（圖3）的構建過程中，引導學生先從汽車電氣系統(tǒng)控制原理出發(fā)，控制系統(tǒng)一般由信號輸入（傳感器）、信號傳輸（CAN網(wǎng)絡）、信號分析處理及執(zhí)行（控制單元）組成，所以可將傳感器故障、CAN通訊故障、控制單元故障作為中間事件，因為冷卻系統(tǒng)也是驅動電機及控制系統(tǒng)的重要組成部分，所以控制系統(tǒng)故障由4個中間事件構成，再進一步分析中間事件的組成、功能，繼續(xù)對故障進行分類、溯源，直至找到底層故障（基本事件），從而構建完整的故障樹。通過對整個故障樹模型的分析和構建，在驅動電機及控制系統(tǒng)的故障診斷實訓時，教師可以快速指導學生，學生也能做到思路清晰、邏輯正確。

4 結束語

故障樹分析法可以直觀地展現(xiàn)故障因素及相互間的關聯(lián)關系，便于高效故障診斷，對于高職新能源汽車驅動電機及控制系統(tǒng)檢修課程的教學，起到重要輔助作用，在對驅動電機及控制系統(tǒng)故障樹的構建過程中，通過教師引導和學生自主探究，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，讓教和學更有效率。

圖3 控制系統(tǒng)故障的故障樹