電驅(qū)失效類型和風(fēng)險(xiǎn)分析，如何從測試端提升電驅(qū)可靠性？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）近日，北理工電動(dòng)車輛國家工程研究中心主任王志福在演講中表示，“我們現(xiàn)在越來越多地關(guān)注電驅(qū)系統(tǒng)的故障問題，比如短路、斷路、失磁、軸承損壞，這些都會(huì)導(dǎo)致車輛的致命性問題，不夸張地講，比鋰電池著火還要嚴(yán)重，雖然失效的概率非常低?！?br />
他認(rèn)為，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要有一個(gè)更加完善的驗(yàn)證模式，這是行業(yè)發(fā)展迫切需要的。

電驅(qū)失效的類型和風(fēng)險(xiǎn)

從根本邏輯來講，包括應(yīng)用于新能源汽車上的電機(jī)，所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)都需要一定的電壓和電流才能正常工作，如果出現(xiàn)電壓不足或者電流不穩(wěn)定的情況，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就可能失效，出現(xiàn)電機(jī)無法工作的情況。

不過，實(shí)際上電機(jī)能夠正常驅(qū)動(dòng)受到很多方面的影響。一般而言，電機(jī)本體的故障基本上都屬于致命故障或者嚴(yán)重故障，包括電機(jī)定子繞組故障、定子鐵心故障、轉(zhuǎn)子本體故障、電磁氣隙偏心等電機(jī)本體故障。致命故障或者嚴(yán)重故障還包括功率模塊故障、相電流傳感器故障、三相電源不平衡故障和電機(jī)斷相運(yùn)行等電機(jī)逆變器相關(guān)故障，以及主電路欠壓、母線過電壓和過電流等保護(hù)電路故障。這些故障的發(fā)生可能導(dǎo)致電機(jī)停機(jī)、過熱、加速老化、電模塊擊穿等故障。比如電路保護(hù)功能故障導(dǎo)致的過電流，非常容易造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中功率器件的擊穿。

另外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)還有一些普通故障和輕微故障，比如電機(jī)控制器相關(guān)的故障，包括驅(qū)動(dòng)電路損壞、相電流采集單元故障、速度采集單元故障等，這些故障可能導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)瞬間掉電，但不會(huì)直接損壞電機(jī)系統(tǒng)。

對于新能源汽車而言，如果電驅(qū)失效，可能會(huì)出現(xiàn)幾大明顯的癥狀：
·汽車啟動(dòng)困難：這是電機(jī)故障最常見的情況，就是啟動(dòng)時(shí)電機(jī)一直報(bào)故障，車輛無法正常使用；
·行駛中瞬間掉電：這是最危險(xiǎn)的情況，瞬間掉電也就意味著瞬間失速，在高速場景下極易發(fā)生慘烈的事故；
·動(dòng)力不足和異常噪聲：如果是電機(jī)本體方面的故障，初期會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足和異常噪聲的問題。
·剎車效果下降：這個(gè)主要是針對一些有動(dòng)能回收的車輛，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)，剎車制動(dòng)功能將受到影響，可能導(dǎo)致剎車失靈。

從具體癥狀來看，有時(shí)候汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)失效確實(shí)會(huì)威脅到駕乘人員的生命安全。

多維度提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性提升涉及電機(jī)、變速器、逆變器、IGBT、控制器等多個(gè)關(guān)鍵動(dòng)力部件及集成部件的可靠性設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證工作。

首先就是電機(jī)的可靠性驗(yàn)證，包括工況多樣、多物理場、極端條件等多方面的驗(yàn)證。其次是電驅(qū)的可靠性測試，包括載荷類型、環(huán)境因素、工作應(yīng)力、工作因素等。為了較為完整地測試電驅(qū)，一般車廠或者方案商都會(huì)構(gòu)建一套體系，而且也有可遵循的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。

比如，《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T 29307-2012）是2013年6月1日實(shí)施的一項(xiàng)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，歸屬于全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)?！峨妱?dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》主要涉及在臺(tái)架上對電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的一般可靠性試驗(yàn)方法，包括可靠性試驗(yàn)負(fù)荷規(guī)范及可靠性評定方法。這些試驗(yàn)方法適用于最終動(dòng)力輸出為電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。試驗(yàn)過程中，借鑒了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性測試規(guī)范，采用了定轉(zhuǎn)速、變化轉(zhuǎn)矩的工作模式，并選擇了3個(gè)不同電壓平臺(tái)。通過一系列的測試最終確保其在不同工作條件下的性能和安全性。

不過，王志福認(rèn)為，對于電機(jī)臺(tái)架測試來說，比較成熟、比較常規(guī)，帶來的問題就是不同種類的電機(jī)類型需要不同電機(jī)類型的測試臺(tái)架，部分能量以機(jī)械能、熱能耗散而無法回收，能耗損失大。因此，北理工電動(dòng)車輛國家工程研究中心構(gòu)建了一種新型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試，用電力電子做一個(gè)耦合回路，側(cè)重于電機(jī)控制系統(tǒng)的測試，這樣可以搭建非常好的、全性能的測試環(huán)境。

王志福指出，“原來我們做控制的時(shí)候，會(huì)天然地忽略磁飽和、磁損耗，我們現(xiàn)在就要去考慮損耗和飽和的問題；另外，我們要引發(fā)電驅(qū)故障模擬，從而驗(yàn)證更加良好的控制算法。同時(shí)，隨著現(xiàn)在高性能驅(qū)動(dòng)開發(fā)的要求，我們也在關(guān)注多電平的應(yīng)用以及它的損耗發(fā)展，包括基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的非參數(shù)模型預(yù)測電流控制方法。”

當(dāng)然，測試方法再全面，也無法覆蓋所有的現(xiàn)實(shí)工況，除了致力于提升電驅(qū)本身的可靠性以外，也需要著力提升對電驅(qū)的保護(hù)。良好的驅(qū)動(dòng)電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路則能夠提高系統(tǒng)可靠性，提高變換的效率，在開/關(guān)過程中減小開關(guān)器件應(yīng)力，并降低EMI或EMC。這些方法可以從側(cè)面提升電驅(qū)的可靠性，也是非常有效的且必要的。

結(jié)語

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是發(fā)揮電動(dòng)汽車性能重要的一環(huán)，同時(shí)也關(guān)系到了行車安全。通過王志福的描述不難看出，傳統(tǒng)電機(jī)臺(tái)架測試的方法可能會(huì)讓我們忽略掉一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)失效的情況，因此北理工電動(dòng)車輛國家工程研究中心構(gòu)建了一套新的測試系統(tǒng)，包括更豐富的測試工況，以及電驅(qū)故障更逼真的模擬。同時(shí)，我們也不能忽視保護(hù)電路的重要性，能夠降低一些意料之外的工況對電驅(qū)系統(tǒng)的損壞。