電動汽車用驅動電機功能安全測試研究

【摘" 要】開展電動汽車用驅動電機功能安全研究對于降低電驅系統性失效和隨機硬件失效具有重要意義。文章概述功能安全集成測試：軟件和硬件集成測試、系統集成測試、整車集成測試3個階段的測試內容和測試方法，對電驅系統控制器的常見故障進行歸納，同時也對電驅系統功能安全測試方法進行闡述，并搭建基于AVL單軸測功機的測試臺架，對電驅系統功能安全進行測試并分析測試結果，最終用于評價某電驅系統功能安全需求是否滿足功能安全設計，以便驗證該測試方法對功能安全集成驗證的參考價值。

【關鍵詞】驅動電機；功能安全；故障；測試

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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

隨著汽車行業電動化、網聯化、智能化、共享化等新四化的發展，汽車行業正在發生一場顛覆性的革命。隨著汽車行業變革加速推進，人們對汽車產品的固有認知基準正被打破。智能網聯汽車的發展加劇了汽車硬件、軟件和機電一體化應用的復雜度，來自系統性失效和隨機硬件失效的風險急劇增加。功能安全能有效降低系統性失效和隨機硬件失效的風險，其發展可謂方興未艾。電動汽車用驅動電機作為電動汽車三電系統的核心部件，開展對其功能安全測試的研究已迫在眉睫。

1" 功能安全驗證與確認

1.1" 功能安全集成與測試

功能安全開發遵循V模型，V模型左側即功能安全開發，主要包括相關項定義、HARA分析、概念設計開發、系統設計開發、零部件設計開發等環節；V模型右側即功能安全驗證與確認，主要包括軟硬件集成測試、系統集成測試、整車集成測試以及安全確認等環節^[1-4]。功能安全開發V模型如圖1所示。

功能安全集成與測試包括3個階段：第1階段是硬件和軟件的集成與測試，測試內容和測試方法如表1所示；第2階段是系統集成與測試，測試內容和測試方法如表2所示；第3階段是整車集成與測試，測試內容和測試方法如表3所示。要素的集成按照系統化的方法進行，每個集成階段進行特定的集成測試，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試后，需要開展安全確認，用以提供證據證明：①集成到目標車輛的相關項實現了其安全目標，并滿足安全接受準則；②功能安全概念和技術安全概念對于實現相關項的功能安全是合適的。

1.2" 電驅系統控制器故障

電動汽車用驅動電機系統控制器故障分為：功能類故障、低壓系統故障、直流母線電壓故障、電機旋變信號故障、電機轉矩類故障、CAN通信類故障、硬件故障等^[5-6]。

1）功能類故障分為：電機三相不平衡、驅動電機過電流、電機溫度保護、永磁電機轉子失磁、絕緣異常、高壓暴露、冷卻系統異常、主動放電異常、觸發碰撞信號等。

2）直流母線電壓故障分為：直流母線電壓過壓、直流母線電壓欠壓。

3）電機旋變信號故障分為：旋變初始角異常、電機超速。

4）電機轉矩類故障分為：轉矩指令超限故障、非預期零轉矩輸出故障、非預期轉矩輸出過大故障、非預期轉矩降低與反向故障等。

5）CAN通信類故障分為：CAN報文超時故障、通信節點BusOff故障、CAN報文Counter或Checksum故障、CAN總線短路故障、功能安全相關CAN通信故障。

6）硬件故障分為：低壓電源線開路故障、電機接地異常故障、電機溫度傳感器開路/短路故障、電機相線開路/短路故障、旋變輸出開路/短路故障、高壓互鎖線開路/短路故障、高壓直流側開路故障、喚醒信號線開路/短路故障。

通過對電驅系統控制器故障的歸納總結，為電驅系統故障注入測試指明了方向。

2" 試驗與驗證

2.1" 試驗方法

電驅系統故障種類繁多，本文將圍繞電驅系統E2E測試、旋變位置傳感器校對測試、電機超速保護測試、碰撞事件發生時的安全測試等來開展。

2.1.1" E2E測試

試驗目的：驗證電機系統在TorqueCtrl和Standby模式下的故障響應及響應時間。

試驗步驟：對相關報文對應的E2E故障如CRC或Timeout故障，通過CANoe觀測MCU的狀態，并分析故障響應時間是否滿足設計要求。

評價標準：注入相應報文CRC或Timeout故障時，MCU對該故障正確響應，故障響應時間小于設計值。

2.1.2" 旋變位置傳感器校對測試

試驗目的：驗證旋變勵磁正或者負故障時，電機系統在TorqueCtrl和Standby模式下故障響應及響應時間。

試驗步驟：將旋變勵磁正硬線斷開，通過CANoe觀測MCU的狀態，并分析故障響應時間是否滿足設計要求。

評價標準：旋變勵磁硬線斷開后，MCU對該故障正確響應，故障響應時間小于設計值。

2.1.3" 電機超速保護測試

試驗目的：驗證電機超速后，電機系統的故障響應。

試驗步驟：將測功機與電機斷開連接，通過CANoe請求3N·m電機扭矩值，使電機轉速超過最高轉速，記錄數據。

評價標準：電機轉速超過最高轉速之后，MCU對該故障響應正確。

2.1.4" 碰撞事件發生時的安全測試

試驗目的：驗證碰撞事件發生后，電機系統在TorqueCtrl和Standby模式下的故障響應及故障響應時間。

試驗步驟：斷開碰撞硬線或者注入碰撞信號故障時，通過CANoe觀測MCU的狀態，并分析故障響應時間是否滿足設計要求。

評價標準：斷開碰撞硬線或者注入碰撞信號故障后，MCU對該故障響應正確，同時故障響應時間小于設計值。

2.2" 試驗過程

以電驅系統為被測件，搭建電驅系統測試環境，如圖2所示。搭建了基于AVL 單軸測功機，配有PUMA操作軟件的測試系統，如圖3所示。電驅系統測試環境搭建完畢后，根據上文所述的試驗方法開展測試，并錄取相應試驗數據。

2.3" 試驗結果

使用CANoe解析錄取的試驗數據，匯總試驗結果如表4所示。MCU對試驗過程中注入的故障響應正確，且能在設計的故障響應時間內響應，進入安全狀態。測試的數據和時間精度均滿足測試目標的要求。

3" 結論

1）文章主要闡述了功能安全集成測試（軟件和硬件集成測試、系統集成測試、整車集成測試）內容和測試方法，為開展功能安全測試提供理論支撐。

2）歸納分析了電動汽車用驅動電機系統控制器故障，為故障注入測試指明方向。

3）提供了電驅系統集成測試方法，搭建了電驅系統測試臺架，為開展系統集成測試提供了有效方法，驗證了測試方法的有效性。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-08-22

作者簡介

劉喜濤，男，碩士，工程師，研究方向為汽車試驗。