（通信与信息系统专业论文）电动汽车电机驱动控制系统的可靠性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于能源危机和环境问题，传统内燃机汽车已不能满足人们的需求，电动 汽车越来越受到重视，成为了汽车工业的发展趋势。各国政府和企业都在加大 对电动汽车的研发力度，各大汽车厂商纷纷推出自己的电动汽车车型，并成功 打开市场，然而，在电动汽车成功被大众接受的良好局面下，却不时出现被曝 出各种故障和事故，给电动汽车的进一步推广蒙上了一层阴影。这些事件暴露 出电动汽车的安全与可靠性还不能完全得到保证，一方面是由于电动汽车是一 个新兴产业，各方面的标准或缺乏，或有待完善；另一方面是因为汽车厂商为 占领市场，急于推出成品，对电动汽车的可靠性与安全性不够重视，缺乏足够 的研究。本文在这样的背景下，对电动汽车的电机驱动系统的可靠性做了详细 的研究。 在查阅相关资料，详细了解国家关于电动汽车的驱动系统所要达到的各项 指标，以及对电动汽车的电机驱动控制系统的可靠性所做的规定与要求之后， 并根据客户提供的所用无刷直流电机的相关工作参数，计算出该电机驱动控制 系统的相关参数，将整个系统分成6 个模块，分别加以设计，并说明了相关的 方案选择与参数匹配设计过程。本文对设计电路进行了详细的故障分析，包括 f m e a 和f t a 分析，分析了系统可能产生的电气故障和故障发生原因。分模块 计算了元件的失效率，以此得到各模块和系统的失效率，从而计算出的设计电 路可靠度满足国家规定的标准，说明电路方案设计正确；指出m o s f e t 、电容 以及电机是易失效元件，电源、逆变器及其驱动控制保护模块是整个系统的薄 弱环节，应着重加强这些薄弱环节的可靠性，提出相关措施可以提高系统电路 的可靠性。电动汽车的电磁兼容性是最容易被忽略的安全问题。本文针对设计 电路详细分析了电磁兼容性，指出了在本系统中电磁干扰的三要素的具体内容， 并从三个方面进行设计以改善电路e m c 性能，最后通过s i m u l i n k 对m o s f e t 的快速开关在电路中造成的电磁干扰以及滤波措施进行仿真，说明电路e m c 设计方案切实有效。 关键词：电动汽车，电机驱动控制系统，可靠性，失效率，电磁兼容 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ee n e r g y c r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a l i s s u e s ，t r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e sc a n tm e e tp e o p l e sm e e t ，a n de l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) a l e g e t t i n gm o r ea t t e n t i o n s ，w h i c hi sb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y g o v e r n m e n t sa n dc o m p a n i e sa r ei n c r e a s i n gt h e i rr&de f f o r t so ne v ，a n d m a j o r a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sh a v e p r o d u c e dt h e i ro w ns p e c i a le l e c t r i c v e h i c l e s ，s u c c e s s f u l l yo p e n e dt h em a r k e t h o w e v e r ，i nt h e s i t u a t i o n t h a te vh a v e b e e na c c e p t e db yt h ep u b l i c ，av a r i e t yo ff a i l u r ea n da c c i d e n t se a s tas h a d o wt ot h e f u r t h e rp r o m o t i o no fe v t h e s ef u l l ye x p o s et h a tt h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fe vc a l l n o tb e g u a r a n t e e d ，a n d t h e r e a s o no nt h eo n eh a n di s t h a te vi sa n e m e r g i n gi n d u s t r y ，l a c ko fa l la s p e c t so fs t a n d a r d s ，o rn e e d i n gs t a n d a r d st ob e i m p r o v e d ；t h eo t h e rh a n d ，t od o m i n a t et h em a r k e t ，c a rm a n u f a c t u r e r sa r ee a g e r t ol a u n c ht h e i rp r o d u c t s ，w i t h o u te n o u g hp a i da t t e n t i o nt or e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y a n dl a c ko fa d e q u a t er e s e a r c h i nt h i sc o n t e x t ，t h ep a p e rd o e st h ed e t a i l e ds t u d yo n t h er e l i a b i l i t yo ft h ee vm o t o rd r i v es y s t e m a c c e s st os o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o n ，u n d e r s t a n dt h es t a n d a r d sa n d r e q u i r e m e n t s a b o u tt h ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e mo ft h es t a t e ，a c c o r d i n gt ot h em o t o ro p e r a t i n g p a r a m e t e r sg i v e nb yt h ec u s t o m e r s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e ss o m er e l e v a n tp a r a m e t e r st o m e e tt h es y s t e m ，e g o u t p u tp o w e r , o u t p u tc u r r e n to ft h es y s t e ma n de t c t h ew h o l e s y s t e mi sd i v i d e di n t os i xm o d u l e s ，a n dt h ep a p e rs h o w st h ec h o i c e so ft h ep r o g r a m s a n de x p l a i n sp a r a m e t e r sm a t c h i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f r e l i a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rm a k e sf ld e t a i l e df a i l u r ea n a l y s i s ：f m e aa n df t a ，a n d a n a l y s e se l e c t r i c a lf a u l ta n df a u l tc a u s e sm a y b eg e n e r a t e di nt h es y s t e m c a l c u l a t e t h ef a i l u r er a t eo fc o m p o n e n t sf o rs i xm o d u l e s a n dg e tt h ef a i l u r er a t eo ft h ew h o l e s y s t e m ，a n dw ec a ns e et h a tt h ed e s i g n e ds y s t e m sr e l i a b i l i t ym e e t st h es t a n d a r d so f t h es t a t e ，i n d i c a t i n gt h a tt h ec i r c u i td e s i g ni sc o r r e c t t h em o s f e t s 、c a p a c i t o r sa n d t h em o t o ra r et h o u g h tt ob et h ep r o n ef a i l u r ec o m p o n e n t s ，a n dt h ep o w e rs u p p l y m o d u l e 、t h ei n v e r t e ra n di t sd r i v ea n dp r o t e c t i o nm o d u l ea r et h ew e a kl i n ko ft h e s y s t e m f o c u sa r en e e dt op u to ni m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yb yu s i n gh i g hq u a l i t y 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p o n e n t , d e r a t i n gc o m p o n e n t 、r e d u n d a n c ya n du s i n gi n t e g r a t e dc h i pa n de t c t h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fe l e c t r i c v e h i c l e si st h em o s te a s i l yo v e r l o o k e d s a f e t yi s s u e s t h ep a p e ra n a l y s e sd e t a i l ye l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf o rt h ed e s i g n c i r c u i t ，a n dp o i n t so u tt h et h r e ee l e m e n t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nt h i s s y s t e m ，a n di m p r o v e se m cp e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i tf r o mt h r e ea s p e c t s a tt h e e n d ，t h ep a p e ru s e ss i m u l i n kt os h o wt h ef a s ts w i t c h i n go ft h em o s f e ti nt h e c i r c u i tc a nc a u s ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dt h ee f f e c to ff i l t e r i n g t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a tt h e d e s i g ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ee l e c t r o m a g n e t i c n o i s ei n t e r f e r e n c eo nm o s f e t o u t p u ta c c o r d i n gt ov o l t a g ew a v e f o r ma n ds p e c t r u m ， i n d i c a t i n gt h a tt h ep r o g r a mo f t h ec i r c u i te m c d e s i g ni se f f e c t i v e k e yw o r d ：e l e c t r i cv e h i c l e s ，m o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，r e l i a b i l i t y , f a i l u r er a t e ， e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 本课题开源于导师与某汽车公司合作的内燃机汽车改装成电动汽车的项 目。 随着中国经济的迅猛发展，汽车行业发展迅速，汽车也已经逐渐成为人们 日常生活不可缺少的一部分，预计到2 0 2 0 年，我国的汽车数量将达到5 6 6 9 万 辆。由于汽车的普及，汽车尾气的排放对空气的影响更加严重，俨然成为空气 污染的主要原因，这不仅影响到国民的身体健康，还制约着经济的健康发展。 不仅如此，我国石油资源匮乏，所需石油大部分仍依赖于国外进口，非常不利 于我国汽车工业的长远发展【卜2 】。要改变这个局面，只有改变现有汽车工业的发 展格局与现状，大力发展清洁能源，降低对石化资源的过度依赖，逐步淘汰传 统的内燃机技术。因此，大力发展电动汽车技术是我国，事实上，也是全世界 面临的一项刻不容缓的任务。 相比于传统的内燃机汽车，电动汽车最大的不同在于，部分或者全部采用 电能驱动电机，而不依赖石油、柴油等燃料来作为动力来源。按照动力来源的 不同，电动汽车可分为三种类型：混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ， h e v ) 、燃料电池电动汽车( f u e lc e i le l e c t r i cv e h i v l e s ，f c e v ) 和纯电动汽车 ( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，p e v ) 。其中h e v 是指拥有2 种动力来源的电动汽车 内燃机和电池电动机，提高了汽油的燃料经济性，减少污染物的排放，是 传统汽车向p e v 发展的一个过渡性产物。f c e v 的动力来源是燃料与氧气在电 池中发生化学反应时产生的电能，并以此驱动电机。p e v 采用的是可充电电池 如铅酸电池、镍镉电池或者锂离子电池等作为动力来源，它在工作时完全没有 废弃物的排放，名副其实的零污染，而且结构简单，能源转换的效率比起传统 的内燃机汽车更高，是未来电动汽车发展的趋势。然而由于技术上的原因，p e v 所用的蓄电池，普遍存在价格偏高，寿命不长，尺寸和重量都偏大，充电时间 较长等缺点，这些缺陷严重制约了纯电动汽车的应用与推广【3 刁j 。 目前电动汽车已经成功投入市场，每年全球电动汽车的销量达到3 千多万 辆，但是它的安全性能却不甚如意，各种安全问题和事故频发。2 0 1 1 年1 月， 武汉理工大学硕士学位论文 杭州市首批纯电动出租汽车正式投入使用，却在3 个月之后发生自燃事故，致 使该批电动出租车计划紧急叫停，在停运3 个月查明事故原因之后并做相应故 障处理之后才又继续运行。该事故最后查明是由于电池成组后不能完全满足车 辆使用环境的需求，在应用过程中出现电池漏液、绝缘受损及局部短路而引起 车体自燃。之后，电动汽车行业巨头之一的日产聆风系列部分汽车被曝出出现 启动失败的情况。而北京首批投入使用的电动汽车也出现低温状态下无法加速， 只能低速行驶的问题。这些不时曝出的电动汽车安全问题让大众开始怀疑电动 汽车技术的可靠性，给电动汽车的推广蒙上了一层阴影。 不仅如此，电动汽车的电磁兼容性能也受到广泛关注。电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 定义为“设备和系统在其电磁环境中能正常工作 且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 【引。这意味着，电子 设备在一定的电磁干扰下能够正常工作，而且不干扰其他设备正常工作，即该 设备应具备较好的电磁抗扰度( e l e c t r om a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ，e m s ) ，同时还要 有较低的电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 。 由于电动汽车的控制信号与操作是通过对电信号的判断来完成的，而电动 汽车内是高电压和大电流回路，各种低压高压线束密集，高压高频设备很容易 产生电磁干扰信号，通过导线影响电路，威胁到电动汽车的驾驶安全，因此电 动汽车的的e m c 性能比传统汽车应该更应受到重视。有国外消费者称他们购 买的h e v 存在较为严重的电磁辐射问题，长期驾驶导致身体健康状况出现了 异常；一些监测机构也表示在h e v 中检测到较强的电磁辐射，表示会对人体 产生一定的不良影响。 可以看到，电动汽车的相关技术没有成熟，各种技术标准也尚未完善，还 需要相关技术人员加大开发力度，努力攻克电动汽车里的技术难点；同时，对 电动汽车可靠性的研究也必不可少，保证车辆的安全运行是电动汽车研发的基 本要求，只有在可靠性保证的前提下，才能进一步提升汽车的其他性能。目前 电动汽车出现一些问题，在某种程度上来说，有利于电动汽车健康发展，完善 设计，促使电动汽车产业的技术更加成熟与可靠。 本课题在这电动汽车大力发展与推广的背景下，注意到电动汽车的安全可 靠性问题，以某汽车公司的内燃机汽车改装电动汽车的项目为依托，设计了电 动汽车电机驱动系统，分析系统可能发生的故障及原因，依据国家关于电动汽 车电机驱动系统的可靠性相关军用标准，从各分立元件着手，计算了模块与系 2 武汉理工大学硕士学位论文 统的失效率，并分析了电路中存在的电磁兼容问题，从元件的失效率与电磁兼 容性能两方面着手，以提高该系统的可靠性。 1 2 国内外研究现状与进展 目前，国内外的各汽车公司都十分重视电动汽车的研发，国家也不惜投入 重金开发电动汽车，并出台相关的优惠政策、法规推动电动汽车的发展【9 1 。目 前，全球电动汽车的保有量排行前三名的分别是美国、日本和法国。2 0 1 1 年初， 美国政府提出了到2 0 1 5 年电动汽车保有量达1 0 0 万辆的发展新能源汽车的目 标。日本从上世纪7 0 年代就已开始发展电动汽车目前世界范围内，日本的电动 汽车相关技术一直处于领先地位，申请的专利数量也处于第一的位置，这也使 得日系电动汽车的市场表现优异，丰田普锐斯、三菱i - m i 、日产聆风等销量一 直处于领先地位。法国政府大力支持电动汽车的研发，据估计，到2 0 2 0 年，法 国新车市场的2 0 为电动汽车，2 0 2 5 年可达到3 0 4 0 。 我国电动汽车起步较晚，但是国家从维护能源安全、改善大气环境、提高 汽车工业的竞争力以及我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五 开始到现在，电动汽车一直是国家的重点研究项目，并在2 0 0 1 年设立了“电动 汽车重大科技专项”。经过多年的探索与努力，我国在新能源汽车电池、电机、 电控三大关键技术上相继取得突破，并开始实现产业化。目前，电动汽车整车 产品1 3 项标准已起草完成、5 项标准修订完成、6 项关键零部件产品测试规范 也已确定。这为电动汽车的规范发展奠定了基础。清华大学与天津清源电动车 辆有限公司研制的纯电动汽车与客车已通过国家质检中心认证；我校与东风汽 车公司联合开发的混合动力客车于2 0 0 3 年在武汉开始运行，已累计运行1 4 万 多公里。经过多年的技术研发、功能性养车试验、示范性应用，我国电动汽车 已经具备了初步产业化的条件。文献 i o n 用我国和美国的专利数据对电动汽 车的技术方向。发展趋势、专利质量等方面进行了分析和对比，认为我国应该 提高自主创新，以加强核心竞争力。文献 1 1 】分析了我国的电动汽车动力电池 的现状，认为我国整体电池的水平接近国际水平，但是在大动力电池组上差距 较大，主要表现在电池的一致性差、电池组的连接设计落后、电池包的散热结 构设计重视不够、电池管理系统的可靠性差，根据我国的电池发展水平，可以 发展能耗较小、速度低、轻量化的微型电动汽车，这是电动汽车快速实现产业 3 武汉理工大学硕士学位论文 化、动力电池规模化的较好选择。文献 1 2 研究了汽车到电网( v 2 g ) 技术， 论述了v 2 g 设计的关键问题：智能调度、智能充放电管理、双向充电器以及 v 2 g 运行对汽车电池的影响，总结了v 2 g 技术发展趋势，并根据国情提出了 建议。文献 1 3 探讨了不同的电动汽车充电功率元件的负荷和电压型材料对电 网的影响。 电机是电动汽车的重要的动力转换装置，一直以来，各国学者对电机的控 制方法优化和可靠性作了大量的研究与分析，试图从电机设计结构、故障模式 与可靠性等多方面分析和提高电机的工作效率和可靠性。文献 1 4 】对四轮驱动 轮毂电机汽车进行了研究，提出了相同转速转矩下的多永磁同步电机系统效率 模型，认为在该情况下，转矩平均分配可使电机系统效率达到最优，并将之应 用到四轮驱动电机汽车上，通过仿真验证，平均分配永磁轮毂电机转矩能够使 得整车的效率最优。文献 15 】选择使用电源标准效率最小的方法来进行电动汽 车的电力牵引设计。文献 1 6 】对两个独立后轮驱动电动汽车进行了建模、分析 与模拟，文章认为通过控n - 轮电动马达，可以提高汽车的稳定性与安全性， 利用广义神经网络算法可以估计车速。文献 1 7 】认为我国的车用电驱系统在功 率密度、可靠性和成本方与国际先进水平存在较大的差距，着重研究了电机驱 动系统的主要寄生参数的功率回路模块、智能功率模块、新型膜电容，并开发 出高功率密度的车用电机驱动系统控制器。文献【1 8 】提出了一种基于电子差速 锁( e d s ) 的二轮独立的无刷直流电机的电动汽车驱动系统设计，文章提出使 用平均霍尔信号的单套锁算法实现对电机的霍尔传感器输出信号进行处理，利 用同步锁控制器可以实现一个可编程的集成电路控制器，可以减少由于霍尔传 感器错位而产生的错误。p w m 是一种常用于电动汽车电机控制调速方法，诸 多学者对这种控制方法进行了研究与改进。文献【1 9 】研究了p w m 逆变器对电 机铁心的损耗，文章在b e r t o t t l 分立铁耗计算模型的基础上，采用贝塞尔函 数，建立了p w m 供电与标准正弦电供电材料损耗之间的数量关系，为电工材 料性能的研究提供了理论依据。p w m 是频率较高的脉冲宽度可调波形，文献 2 0 】 认为高频脉冲作用在电路中，会使得电机端产生过电压，对电路产生危害，建 立了电缆高频模型和电机低频高频通用模型，仿真说明了电机端过电压的影响 与产生因素。文献【2 1 】设计了一个高性能感应马达驱动p e v 或者h e v 的主动 容错控制系统，针对传感器的损失或者恢复，采用自适应算法以维持最佳的控 制性能，利用模糊控制算法管理控制系统。文献 2 2 利用s i m u l i n k 建立了对转 4 武汉理工大学硕士学位论文 式永磁无刷直流电机的仿真模型，仿真分析了电机带螺旋负载的情况，从而为 对转式永磁无刷直流电机的控制算法的研究提供了条件。文献 2 3 】利用s i m u l i n k 对无刷直流电机的转速、电流双闭环控制和锁相环稳速系统进行了仿真，推导 出锁相环的传递函数，并仿真证明锁相环控制可以稳定无刷直流电机的转速调 节的平滑度。文献 2 4 1 提出了一种改进的双极性p w m 控制方式，并证明该方 法可以明显改善无刷直流电机的转矩脉动问题。无刷直流电机虽然可靠性高， 由于速度闭环负反馈的作用，电机故障不能被及时发现，文献 2 5 】将参数估计 技术应用在对转无刷直流电机系统中，建立了实时辨识模型，通过测量电机的 相关参数观察其实时变化，监控电机的工作状态，该最小二乘方法以微分方程 为基础，不会影响电机的正常工作，可以良好地完成对对转无刷直流电机的故 障诊断。文献【2 6 】从电机质量出发，分析了电机的可靠性与其质量的关系。文 献 2 7 】提出了利用威布尔分布对电机进行振动分析，建立数学模型，从而预测 和记录电机的可能故障。 电动汽车的电机驱动控制系统也在趋于智能化和全数字化。模糊控制、神 经网络、遗传算法等非线性智能控技术，都在尝试应用到电机控制系统中。随 着科技的进步，一些高集成度、高速以及低成本的芯片给控制系统带来了新的 希望，不仅能满足基本的控制功能，还能进行故障监视、自诊断等功能，大大 提高了控制系统的可靠性。 对电机驱动控制系统的可靠性研究和分析，也是目前关于电动汽车的研究 热点之一。文献 2 8 】认为电动汽车电机驱动系统的可靠性是电动汽车成功的重 要因素，文章利用失效模式和影响分析分析了一个多电机驱动的冗余气体压缩 系统的组件故障。文献【2 9 】建立了电机驱动系统的可靠性模型，认为直线母线 电容、i g b t 和电机是驱动系统的薄弱环节，并对它们进行了分析与计算，并 预计了整个驱动系统的可靠性。文献 3 0 1 为一种新型的逆变器建立了一个测试 平台，以测试在相同的条件下，在实际车辆上测试逆变器的新型元件的可靠性。 文献 3 1 】分析了电动汽车驱动系统的故障与失效模式，并指出了相应的处理措 施，提出了新的驱动系统的故障诊断与容错的控制策略。文献 3 2 1 建立了一个 基于芯片i r 2 1 3 0 的无刷电机驱动系统，并论证了该方案的可靠性。 我国在2 0 0 9 年成立了“电动汽车用驱动电机系统标准研究工作组 ，系统 地开展了驱动电机系统标准制修订工作，并发布了国家标准电动汽车用驱动 电机系统可靠性试验方法草案，规定了进行电动汽车驱动电机系统试验的规 5 武汉理工大学硕士学位论文 范和可靠性评定方法。 目前，对于电动汽车电子产品的电磁兼容标准国内外还没有统一的标准， 对相关的标准在逐步更新与进步，欧盟委员会e c 、国际标准化组织i s o 、美国 机动工程师协会s a e 都有各自制定的或适用于整车或适用于部分车载零部件 的电磁兼容法规与标准。我国正在实行的相关法规有g b l 4 0 3 2 2 0 0 6 车辆、船 和由内燃机驱动的无线电骚扰特性、限制和测量方法，该标准对车辆和内燃机 的驱动的设备的e m i 做了详细的解释和规定【3 3 】。标准g b t 1 3 8 7 2 0 0 1 电动车 辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9 k h z 3 0 m h z ，对电动车辆包括电 动汽车和电动助力车的电磁辐射强度做了相关的规定，并说明了测量电磁辐射 的方法【3 4 】。 文献【3 5 】分析了电动汽车中的e m i 的特性以及传播途径，采用抑制干扰源、 系统接地等一系列措施，提升了电动汽车的抗干扰性。文献 3 6 】分析了电动汽 车驱动系统中存在的共模和差模干扰，以及影响干扰发射强弱的主要因素，并 提出了相应的解决方案。文献【3 7 】特别研究了共模电流对电动汽车驱动系统所 产生的辐射影响，分析表明共模电流是由逆变器开关所产生的，提出了一种解 决方法，可以防止因为共振现象而产生的共模电流对电路的噪声影响。文献 3 8 认为对一个系统进行电磁建模需要了解材料的结构特性，并针对一个超材料的 电容进行了结构分析，研究了该电容由于热机械力而导致的材料特性变化，以 了解电容的电反应电磁波。文献 3 9 】认为有必要对地面车辆和直升机的电磁漏 洞( e m v ) 进行测试，检测耦合到被测车辆的e m 是该测试的重点。文献 4 0 】 重点研究了电动汽车驱动元件的相互作用和其相对电磁辐射的影响。 1 3 本文的主要内容与结构安排 本文在第一章绪论部分说明了研究电动汽车电机驱动系统可靠性的意义， 在全球发展电动汽车的趋势下，电动汽车成品已经进入市场，然而电动汽车作 为新兴产业，其各项标准和技术都还没有完全成熟，不时曝出电动汽车出现各 种故障和事故，因此，研究电动汽车的可靠性有着十分现实与重要的意义。 第二章首先说明了电动汽车驱动控制系统的基本结构和基于汽车的行驶特 性而要求其驱动系统必须达到的性能，接着介绍了可靠性与安全工程的相关概 念与术语，如可靠度、可用率、失效率以及m t b f 、m t t f 等，说明了f t a 和 6 武汉理工大学硕士学位论文 f m e a 两种分析方法，并简要介绍了电动汽车驱动系统国家标准中的相关规定， 为第四章的驱动系统可靠性分析打下理论基础。 第三章分模块详细分析电机驱动系统硬件电路，首先分析了电机类型的选 择方案，根据客户提供的电机工作数据计算了驱动电路的相关参数，从而确定 各模块所要达到的性能，接着说明了逆变器模块的功率器件与控制策略的方案 选择，然后分别介绍了电源电路、驱动电路以及保护模块等相关的电路设计与 原理。 第四章对系统进行可靠性分析，对驱动系统进行f m e a 和f t a 分析，指 出了电路中各元件和模块可能发生的故障以及原因；接着计算了各个模块的元 件失效率，分析了每个模块以及各元件的失效率在系统中的影响，指出了驱动 系统的薄弱环节性；分析电路的e m c 情况，指出驱动系统中e m i 干扰的产生 源、耦合路径以及敏感源；最后提出了改善电路可靠性的方法，一是降低系统 的失效率，提高薄弱环节的可靠性；二是改善系统的e m c 性能，从三个方面 进行设计以改善e m i ，并用s i m u l i n k 仿真了电路中的感性元件和m o s f e t 结 电容由于m o s f e t 的快速开关对m o s f e t 输出波形产生的电磁干扰，并仿真 了相应滤波措施能够有效地改善干扰对输出的影响。 第五章最后对全文的工作做了一个概括与梳理，并展望了接下来的研究工 作方向。 本文以下章节如不做特殊说明，所提电动汽车均是特指p e v 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电机驱动控制技术与可靠性的相关理论 2 1 电动汽车结构及驱动系统基本要求 电动汽车的大体结构类似于内燃机汽车，用电机和蓄电池分别取代了后者 的发动机和油箱，同时由于电机的良好牵引特性，通过调节电机控制器的脉冲 输出宽度就可以调节车速，电动汽车也不需要内燃机汽车的调速装置离合器和 变速器，因此电动汽车的结构大大简化。电动汽车一般结构如图2 1 所示。 图2 1 电动汽车基本结构示意图 蓄电池组是电动汽车的能量来源，电池管理系统负责为蓄电池组充电，监 控电池的电压、温度等状态，以提高电池的利用率。电机控制系统通过控制电 机的状态来响应驾驶人员对汽车的控制动作，如前进、转弯、减速、刹车、提 速等，它是整个电动汽车系统的核心，直接影响着电动汽车的性能。整车控制 系统主要由车辆控制系统、通信系统、零件控制器以及操作系统组成，负责汽 车整体的数据信息交换、安全管理与能量分配。电动汽车的分布式分层控制使 各个子系统分布在不同的位置上，减少了电磁干扰，同时减少了部件间的相互 影响并在一定程度上提高容错能力。 电动汽车电机驱动控制系统是由电机和控制系统组成，将蓄电池的电能转 换成动能，控制电机的运转，驱动车轮向前迸，能够完全准确而安全地完成驾 驶人员的想要的动作。电机驱动系统的结构如图2 2 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 电机驱动控制系统结构 为保证电动汽车拥有良好的性能与安全保障，其驱动系统应该要满足以下 的几点要求： 1 ) 基速以下大转矩输出，以适应汽车启动、加速、负荷爬坡等复杂工况； 2 ) 基速以上恒功率运行，以适应高速行驶、超车等要求； 3 ) 全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程； 4 ) 结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性； 5 ) 低成本及大批量生产能力。 具体来讲，因为汽车在驾驶过程中会面对较为频繁的启动、加速和减速以 及停车等动作，驱动控制系统应对这些操作有准确而及时的响应。汽车爬坡和 启动加速的时候，驱动系统应恒转矩输出，在汽车高速行驶和超车的时候，应 该恒功率输出，恒功率区是恒转矩区的3 一1 0 倍。系统的整体效率不小于8 0 的时间应不低于5 0 ，电机的功率密度须大于l k w k g ，控制系统的容量密度应 大于3 4 k v ：c f 讥g ，驱动系统应能在规定的温度范围内正常工作，最高振动加速 度超过l o g ，寿命应该超过2 0 万公里。 2 2 控制系统的可靠性与标准 设计一个控制系统的时候，设计人员不仅要考虑系统的性能，还要密切考 虑成本与维护的问题，要在这三者之间做出权衡。控制系统的可靠性与安全性 是系统设计的重要参数与指标。电动汽车的电机驱动控制系统需要一些指标和 参数来保证设计的合理性与准确性，设计结果直接影响电动汽车的性能与安全。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 可靠性与安全性 可靠性与安全性工程是个比较新的研究领域，是由于军事上的需要而推荐 推动和发展起来的一门学科。然而，像其他的工程学科一样，控制系统的可靠 性与安全性的指标还没有做到完全量化，它是建立在概率与统计理论基础上的， 使用了很多严格定义的参数，包括有可靠性、平均失效前时间( m e a nt i m et o f a i l u r e ，m t t f ) 、风险降低因子( 鼬s kr e d u c t i o nf a c t o r ，鼬江) 、需求失效概率 ( p r o b a b i l i t yo f f a i l u r eo nd e m a n d ，p f d ) 、安全性以及安全可用性等【4 。分析 一个控制系统的可靠性，从元件出发，分析元件的失效模式，对系统的影响， 系统的失效模式和系统环境中的失效应力的来源。若要全面分析，需要考虑更 多的实际因素，包括在线诊断能力、软件失效、人为失效、维修时间等。 可靠性是指设备正常工作的指标，可定义为系统在设计技术规范之内，能 够完成预定功能的概率。可靠度是设备从开始运行到失效的时间大于t 的概率， 数学上可表达为在0 t 的时间内设备正常工作的概率，用随机变量t 来表示： 尺( f ) = e ( r f ) ( 2 】) 可靠度是一个比较严格的指标，一般应用在航空航天等不可维修的情况中，在 这些情况下，系统必须可靠的连续工作，不能有失效的情况。对于可维修系统， 我们一般采用另一个指标：m t t f 。 在介绍m t t f 之前，必须首先说明失效率。失效率是设备的失效发生时间 t 在工作时间的t 之后的t 时间内的概率，记为a ( t ) ，其数学表示为： a ( n ：l i r a p ( t t t + a t ) 。 出。o 出 ( 2 - 2 ) 在计算某段t l 到t 2 时间段内的设备失效概率可如下计算： f 之 p ( t l ，t 2 ) = l a , ( t ) d t ( 2 - 3 ) n 有时失效率也叫瞬时失效率，是单位时间内失效的元件数与元件总数的比例。 m t t f 的含义是平均故障前时间，是指产品从开始投入工作，到产品发生 失效的时间，它的数学定义是可靠度函数的无穷积分： l o 武汉理工大学硕士学位论文 m t t f = i r ( t ) d t ( 2 4 ) 0 平均故障间隔时间( m t b f ) 是一个用于可维修系统的可靠性指标，它是 指两次故障之间的时间间隔，对于正常工作的系统来说，m t t f 比m t b f 更为 准确。m t b f 的计算公式如下式2 5 。 m t b f = 一1 ( 2 5 ) a 以上是对系统做可靠性分析中所要用的术语和指标，以期望能够定量地分 析元件或者系统的可靠性。然而，事实上，对于这些指标却很难做到精确量化。 这是由于这些数学模型所用的术语需要大量的数据来支持，这些数据有些是很 难得到的，比如失效率，是在使用条件与实验条件一致的条件下，通过大量的 寿命试验才能获得，然而实际情况并不允许或者阻碍了这种实验，因此在很多 情况下，分析时都简化了条件，得到在理想情况下元件的各种可靠性指标。对 电路的可靠性分析，除了定量计算它的一些可靠性参数之外，还可以有另外的 定性分析方法。 失效模式和影响分析( f a i l u r em o d e sa n de f f e c t sa n a l y s i s ，f m e a ) ，是一 种发现问题的系统化技术，是一种自下向上的方法，一般是先列出一个详细的 元件列表，逐个地分析整个系统【4 。也可以将系统按层次划分为子系统和模件， 可以分别对每个层次中的每个组进行f m e a 。一般包含以下步骤： 1 ) 列出所有的元件清单； 2 ) 列出每个元件的失效模式； 3 ) 列出每个元件或者失效模式对更高一层的影响以及影响的严重性。 f m e a 对识别系统中的严重实效非常有效。它可以指导修改设计，避免重 大事故的发生。它提供了可靠性和安全性评估所需要的重要数据，找出在更高 层次上建模所必需的部件的各种失效模式。f m e a 一般在系统设计可以更改的 时候，不影响整个项目进程的阶段进行。 另外一种定性分析方法是故障树分析( f a u l tt r e ea n s l y s i s ，f t a ) ，这是一 种自顶向下的系统故障识别方法【4 1 1 。它可以帮助设计人员发现复杂系统中的设 计问题，f t a 是对f m e a 的一种很好的补充，需要用推理的方法找出问题所在。 从系统的f t a 中，可以看到系统在各种故障条件下会是一个什么样的状态。f t a 武汉理工大学硕士学位论文 首先是从发现问题开始的，分析人员必须懂得系统的运行方式和原理，列出每 一个特定问题出现的各种可能方式，对每个方式继续重复这个过程，直到找到 最基本的引发事件和基本故障。在本文的第四章将会对设计电路进行f m e a 和 f t a 分析，分析整个电路的情况，找出其中的薄弱环节，从而加以防范和避免 严重错误的出现。 研究某一系统的可靠性的时候，一般用一个简单的网络来建模，来表示了 元件间的串联、并联或者混联。串联系统是系统内所有元件都正常工作系统才 能工作的系统，是不能容错的非冗余的系统，结构如图2 3 所示。 图2 3 串联系统结构 以两个元件的串联系统为例，假设元件a 、b 发生失效是相互独立的，若 r a 、f a 是元件a 的正常工作概率和失效率，r b 、f b 是元件b 的正常工作概率 和失效率，r s 、f s 是系统的正常工作概率和失效率，那么有 r s = r a x r b ( 2 - 6 ) y s = 1 一只一b + ex 最 ( 2 7 ) 吧 慨= i r a ( t ) r b ( t ) d t ( 2 - 8 ) 6 对一个n 个部件的串联系统可以类推计算： r s = r 4 x r b r , v m t t f s = i r s 衍= 虹r b x r n ) d t 00 对于失效率是指数分布的串联系统来说， b ：p 一驴 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 m t r f s ：弘却出 ( 2 1 2 ) 并联系统定义为系统中任何一个部件能够正常工作，系统就能正常工作。 并联系统的这种容错性质是通过冗余实现的，结构如图2 4 所示。 图2 - 4 并联系统结构 以两个元件并联的系统为例，那么有 r s = r 一+ 一r 爿r n r s = f a b m t t f s = i r a + r 8 - r a r b d t 2 2 2 电机驱动控制系统可靠性国家相关标准 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 根据文献4 2 ，电动汽车的电机驱动系统应满足以下的一些电气标准： 温度 电机及驱动系统能长时间在环境温度为2 0 c + 4 0 连续运行。 电压波动 电机及控制器必须能在电源电压为1 2 0 额定电压值下安全承受最大电 流。另外，电机在电源电压降为7 5 额定电压时，应能在最大电流下运行( 不 要求连续运行) 。 堵转转矩和堵转电流 为保证电动汽车在起动时有足够大的起动转矩，要求电机达到产品规定的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 堵转转矩值，其堵转电流应不大于控制器提供的最大电流值。 电机控制器的过载能力 在额定输出电流下连续工作，允许加非周期性过载，过载的倍数和持续时 间在产品中规定。 电机控制器的保护功能 电机控制器应具有过电流、过电压和欠电压的保护功能。 电磁辐射 电机及控制器在运行中所产生的电磁辐射不得超过标准g b1 4 0 2 3 2 0 0 0 中 第4 章所规定的辐射干扰允许值。 最高工作转速 在额定电压时，电机带载运行所能达到的最高转速。带载的大小和最高工 作转速值在产品指标中规定。 耐久性 在额定负载和额定转速的运行条件下，保证电机及其控制器在第一次使用 时的无故障工作时间为3 0 0 0h 。