某纯电动汽车驱动电机系统过流故障分析及解决方案

马 敬，张盛锋

（1.湖南猎豹汽车股份有限公司长沙研究院，湖南 长沙 410000；2.大洋电机新动力科技有限公司，广东 中山 528400）

1 前言

近些年来，纯电动汽车以零污染、噪声小、加速性能好在汽车市场占有率越来越高，并且已成为未来汽车发展的趋势。由驱动电机和驱动电机控制器组成的驱动电机系统作为纯电动汽车的核心部件，一旦发生故障，就会给车辆带来严重后果，甚至会危害人身安全，这就要求驱动电机系统具备高可靠性 （低故障率）、强适应性，除此之外还应具备高效率、高转速、低质量、低噪声等性能特点。本文简述纯电动汽车驱动电机系统控制原理，并针对某纯电动汽车在连续颠簸路面驱动电机系统过流故障进行分析提出解决方案，为解决驱动电机系统故障提供依据和指导。

2 某纯电动汽车驱动电机系统方案

某纯电动汽车搭载永磁同步驱动电机系统、固定速比减速器。驱动电机控制器 （MCU）由12V蓄电池供电，通过硬线唤醒，对驱动电机和驱动电机控制器的温度、电压、电流、转速、扭矩、故障等状态进行实时监测与反馈，同时由高压配电系统提供高压电源，通过功率逆变模块转变为三相正弦交流电给驱动电机提供电源。整车控制器 （VCU）根据挡位、加速踏板、制动踏板等输入的信号发出控制指令，驱动电机和驱动电机控制器根据当前的状态和整车控制器的指令调整电压和电流使驱动电机输出扭矩，实现车辆的加减速、能量回收等功能，确保为车辆提供持续不断的动力。其系统框架结构图如图1所示。

图1 某纯电动汽车驱动电机系统框架结构图

3 某纯电动汽车驱动电机系统过流故障分析

车辆在襄阳国家检测中心试验场进行综合耐久试验时，驾驶员深踩加速踏板经过坑洼颠簸路面，仪表显示“驱动电机故障”，踩加速踏板车辆无力，重新启动车辆恢复正常。从总线上采集故障发生时驱动电机系统状态数据，显示驱动电机过流故障，如图2所示。从数据波形分析，①驱动电机实际扭矩：驱动电机达到峰值扭矩165Nm（属于车辆急加速过程，与驾驶员深踩加速踏板吻合），在40ms内发生突变从161Nm降低到8Nm，驱动电机的扭矩不能响应VCU的指令，在极短时间内多次出现了较大波动，过流故障出现后驱动电机停止输出扭矩；②转速：在40ms内驱动电机的转速从2272r／min突变到3644r／min后，又迅速降低到1566r／min，极短时间内多次出现较大波动。

图2 电机过流故障发生时数据

在猎豹汽车试验场人为的模仿襄阳试验场故障发生时的工作条件和环境，使故障再现。深踩加速踏板加速通过连续减速带路况时 （实际路面状况如图3所示）车辆发生相同现象，驱动电机报过流故障，停止扭矩输出。从总线提取故障实时转速、扭矩等数据，如图4所示表现结果相同。现场检查高低压线束、驱动电机及驱动电机控制器硬件无异常，连接器无松动。

在驱动电机系统、高低压线束、连接器等均无异常的前提下，综合路况分析，车辆在大扭矩过颠簸路和减速带时，由于路况的原因，轮胎会被顶起落空，顶起落空时处于空载状态，由于扭矩没有变化导致加速度突变，电机转速变化很快；当车轮胎落地时遇到阻力负载，电机转速快速地回落；驱动电机反复处于负载突变、高频的加速／减速过程，电机控制器的调节器无法响应跟踪，最终导致调节失控，硬件过流。

图3 连续减速带路况

图4 加速过连续减速带路况故障实时数据

4 驱动电机系统过流故障优化方案

4.1 驱动电机系统控制原理

当前，矢量控制是永磁同步电机比较常用的控制方法，在工程技术领域矢量控制技术也已经得到广泛应用。永磁同步电机系统的矢量控制方法是模拟直流电机的控制性能，以clark-park、反clark-park坐标变换为基础进行数学运算，通过对定子电流在dq旋转坐标系大小和方向进行控制，实现对磁场和转矩的解耦控制，一般包含经PI调解控制的转速控制环、电流控制环，其系统控制结构框图如图5所示。文献［1］～［7］阐述了基速以下的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，可以使电机获得更好的动态性能。

图5 永磁同步电机矢量控制结构框图

4.2 过流故障优化方案

前已论述，电机控制器大扭矩过颠簸路和减速带时，电机控制器的调节器无法响应指令扭矩，导致调节失控，硬件过流的根本原因为速度的突变，根据这一特征，MCU需要针对速度快速变化进行PI参数整定，加快电流环调节。同时，由于电机控制器采用了解耦控制，如图6所示，电压前馈补偿型电流调节器［8］中，电机转速突变后，两项解耦项-ωrLqiq以及ωrLdid+ωrΨf会对电流控制造成极大的影响。通常电动汽车的控制中，考虑到电机转速是个惯性环节，会对ωr进行一定的滤波后再参与到电机电流调节控制中，可以解决低速起步抖动等问题。但在过颠簸路或减速带时，尤其是大扭矩，由于对ωr滤波，转速突变势必会造成电流调节不跟随，进而导致过流。本文针对电机转速n突变，采取在低速时（n≤1200r／min）对转速ωr进行一定的滤波控制，检测到电机转速突变及n＞1200r／min及时反馈ωr的变化，防止两项解耦项的失真，有效地解决了电流调节的失控，解决了过流故障。

图6 电压前馈补偿型电流调节器

5 验证

本文通过上述优化方案后，在猎豹汽车试验场连续大减速带路况进行模拟测试，深踩加速踏板在减速带上连续颠簸，转速依旧有突变，MCU转矩能够跟随VCU扭矩，不再出现过流故障。总线上实时数据如图7所示，测试数据由于路况的原因不可避免地依旧有较大的转速波动，扭矩输出根据实际状况轮胎上减速带加扭，轮胎下减速带减扭，与理论遇到阻力增加力无阻力减小力一致，测试结果表明本方案有效地解决了连续颠簸路面驱动电机过流的问题。

图7 优化方案后加速过减速带实时数据

6 结论

驱动电机系统的故障发生率对汽车稳定可靠的运行及控制起着极其重要的作用，过流故障是电动车驱动电机系统的常见故障之一，文章简述了纯电动汽车驱动电机系统常见故障类型，针对连续颠簸路面驱动电机过流故障进行分析，由于负载的突变造成了驱动电机系统过流故障，并提出了基于电压前馈补偿性电流控制器优化转速滤波的方案，有效地解决了驱动电机系统在连续颠簸路面过流故障，为以后的相关研究及实际应用提供指导。

（编辑 凌 波）