基于信号分析的纯电动客车失效调查方法

2021-11-10孙晓强胡伟伟吴鹏程

江苏大学学报（自然科学版） 2021年6期

孙晓强，胡伟伟，吴鹏程，任皓

(1. 江苏大学汽车工程研究院，江苏镇江 212013； 2. 公安部交通管理科学研究所，江苏无锡 214151)

随着国家政策扶持力度的不断加强、充电基础设施的逐渐完善以及动力总成核心技术竞争力的稳步提升，纯电动客车逐渐成为国家主推路线[1-2].电动机、电池以及电控(“三电”系统)作为纯电动客车的核心部件，对整车安全性能具有重要影响，同时也是导致纯电动客车出现失效的主要根源[3].如何准确判定纯电动客车失效类型与“三电”系统主要故障间存在的内在关联特性，对于纯电动客车事故调查方法研究具有重要意义.

然而，现有研究大多是从纯电动客车“三电”系统本身故障分析的角度出发.B. AKIN等[4]开发了基于DSP的无传感器电动机故障诊断工具，实现了对电动汽车动力系统故障的检测.A. SILVEIRA等[5]针对多电动机驱动电动汽车的电控系统进行了故障诊断研究.檀斐[6]通过建立电池单体性能模型和散热模型，采用BP(back propagation)神经网络对电池单体故障进行诊断.王权[7]针对电动机速度传感器故障提出了基于RBF(radial basis function)人工神经网络的实时在线故障诊断方法，并验证了该诊断方法的可行性.

总体看来，目前研究主要针对纯电动客车电池、电动机以及电控“三电”系统分别进行故障诊断研究，对于明晰纯电动客车不同失效类型与电动机、电池以及电控系统故障间存在的内在关联特性尚无系统性描述方法.与此同时，关于如何有效判别“三电”系统具体故障点，解析不同故障类型的典型信号特征，从而通过对系统易测信号进行分析即可完成整车故障识别的研究，目前也较少有文献报道.

针对上述问题，笔者提出在掌握纯电动客车运行过程中主要失效类型及“三电”系统主要故障的基础上，首先建立不同失效类型与电动机、电池以及电控系统主要故障间存在的因果关系；而后，为完成基于信号分析的纯电动客车失效调查方法研究，进一步构建纯电动客车整车模型，通过人为设置“三电”系统主要故障，仿真模拟出系统主要易测信号，在此基础上，通过对信号进行特征分析，从而揭示系统不同故障呈现出的典型信号特征，明确纯电动客车不同失效类型与电动机、电池以及电控系统故障间存在的内在关联特性.

1 纯电动客车主要失效类型

通过调研相关纯电动客车生产企业及用户，同时对相关公开报道资料进行分析，可以初步确定纯电动客车主要失效类型可分为动力丢失、起火以及失控等3大类.

1.1 动力丢失

对于纯电动客车而言，动力丢失既是一种失效，同时也是一种保护机制，这是由于动力丢失往往是为了实现对故障发生时的未知状态和车辆驾驶者安全状态之间的平衡.由于这个平衡，纯电动客车整车控制系统通常会设置系统故障级别与整车运行状态间的对应关系，即当整车发生一般故障时，系统可能会对输出功率进行限制，车辆表现出“跛行”；而当整车发生严重故障时，系统可能进入紧急停止工作状态.这些状态对于纯电动客车而言，均可表示为“动力丢失”.

1.2 起火

据不完全统计，我国2018年发生的电动汽车起火事件超过40起，召回涉及33个车型的12.14万辆缺陷车辆.除纯电动轿车外，载客量大的纯电动客车也频频发生起火事故.2018年9月，湖南岳阳2辆纯电动公交车自燃起火，同月，宁波奉化6辆纯电动客车起火.2019年7月，南京金龙客车制造有限公司因高压动力电池电芯一致性问题，可能引发热失控和起火，决定召回NJL6118型纯电动客车.通过对纯电动客车起火原因进行分析发现，目前大部分证据表明，动力电池是导致纯电动客车起火的主要原因.电池一旦起火，火势蔓延极快，剧烈燃烧温度可能会达到600～1 000 ℃，同时释放大量有毒气体.但也有研究表明，纯电动客车起火与电动机故障也存在一定的关联特性.

1.3 失控

2017年9月20日，西安一辆比亚迪K8纯电动客车突然失控撞上了同样在前边等待的8辆汽车和1辆三轮车，发生了严重的10辆车相撞交通事故.根据相关文献报道以及行业专家分析，纯电动客车的失控与其驱动形式的关联度较大.相较于传统燃油汽车，纯电动客车主要采用电动机进行驱动，一旦驱动电动机及其控制系统发生故障，极有可能导致客车发生失控.此外，动力电池故障与整车电控系统故障也会在一定程度上导致整车出现失控现象.

2 失效类型与系统故障间关系分析

2.1 “三电”系统主要故障类型

2.1.1电池及管理系统常见故障类型分析

按故障发生部位划分，纯电动客车电池故障主要可分为单体电池故障、电池管理系统故障以及线路或连接件故障等3类.其中，单体电池故障主要包括容量不足、内阻偏大、电池内部短路以及外部短路等类型.电池管理系统故障主要包括通信故障、总电压测量故障、单体电压测量故障、温度测量故障、电流测量故障、继电器故障、加热器故障以及冷却系统故障等.线路或连接件故障对于整车行驶安全的影响同样明显，例如，当电池间连接螺栓出现松动，就有可能发生电池间虚接故障，从而导致电池内部能量损耗增加，造成汽车动力不足，在极端情况下还能导致高温，产生电弧，熔化电池电极和连接片，造成电池着火等极端的电池安全事故.

2.1.2电动机及其控制系统常见故障类型分析

电动机故障可分为机械故障和电气故障2大类.在机械故障方面，电动机主要表现出定子铁芯损坏、转子铁芯损坏、轴承损坏以及转轴损坏等；在电气故障方面，电动机则主要表现出定子绕组故障和转子绕组故障，导致这些故障的原因主要有电动机绕组接地、短路、断路以及接触不良等.电动机控制系统故障主要包括IGBT(insulated gate bipolar transistor)故障、整流二极管短路、直流母线接地错误、直流侧电容短路、晶闸管短路、相电流过流、过电压以及欠电压等高压电气系统故障.

2.1.3整车控制系统常见故障类型分析

纯电动客车整车控制系统(vehicle control unit，VCU)故障可分为硬件故障、软件故障以及通信故障等3大部分，其中，硬件故障主要表现为VCU内部电路故障，软件故障则表现为VCU内部程序跑偏、RAM(random access memory)数据损坏等，而通信故障则会影响VCU与电动机驱动系统和动力电池管理系统等系统间的实时通信.

2.2 整车失效与系统故障间关联分析

2.2.1纯电动客车动力丢失

根据纯电动客车运行原理，导致纯电动客车产生动力丢失的原因主要来自于以下几个方面：

1) 电动机及其控制系统方面，当电动机及其驱动控制单元发生软硬件故障时，系统会发出故障信息，从而使整车进入“Fail Safe” 状态，形成动力丢失.

2) 电池及其管理系统方面，作为纯电动客车动力的唯一来源，当电池本体及其管理系统发生故障时，极有可能导致客车出现动力丢失.

3) 整车控制系统方面，作为纯电动客车的调度中心，当整车控制系统无法与其他系统进行有效通信，难以满足整车协调运行的功能要求，出现动力丢失则是客车主要表现之一.

2.2.2纯电动客车起火

结合现有研究结论，电池及其管理系统故障是导致纯电动客车起火的主要诱因，其中，主要故障体现在电池短路方面.电池短路会引起电池温度急剧上升，引发热失控.此外，当电动机内部发生短路时，也有可能引起纯电动客车起火.例如，当电动机定子绕组短路时，电动机线圈迅速发热，若短路匝数过多，则会引起电流剧增，甚至烧毁电动机.因此，纯电动客车起火与电动机系统故障也存在一定关联.

2.2.3纯电动客车失控

纯电动客车失控与电池、电动机以及电控系统故障间均存在一定关联.客车失控无外乎速度失控和方向失控2大类，鉴于“三电”系统故障与车辆方向失控关联度较小，因此，电池、电动机以及电控系统故障导致纯电动客车速度失控是重点分析方向.

综合上述分析，可初步建立纯电动客车3大失效类型与电池、电动机以及电控系统主要故障间存在的内在关系，如图1所示.

图1 纯电动客车主要失效类型与“三电”系统故障间的关系

从图1可以看出：导致纯电动客车出现动力丢失、起火以及失控等失效类型的“三电”系统故障较多，且某一失效类型可能由多种故障所引发.

3 纯电动客车整车模型建立

为进一步明确系统故障点，在构建纯电动客车整车模型的基础上，通过人为设置“三电”系统主要故障，实现对系统易测信号的模拟分析，从而揭示系统不同故障的典型信号特征.

3.1 整车动力学模型

纯电动客车整车动力学模型可通过系统功率方程建立，整车动能[8]为

(1)

式中：Pe为整车驱动功率；Fw为风阻；Ff为车辆行驶阻力；Fi为车辆爬坡阻力；u为纯电动客车行驶车速.

当车速为u时，整车动能可表达为

(2)

式中：m为纯电动客车质量；Iw为车轮转动惯量；If为飞轮转动惯量；ig为变速器传动比；i0为主传动比；r为车轮半径.

在忽略传动系统转动惯量的前提下，式(2)可进一步表示为

(3)

式中：Im为电动机转子转动惯量；ωe为转子角速度；ωw为车轮角速度.

结合ωe及ωw与车速的关系，纯电动客车整车动能可进一步表达为

(4)

对式(4)进行求导，同时联立式(1)，可得

(5)

式中：T为电动机电磁转矩；η为电动机转矩输出效率；G为车辆重力；f为车辆滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；α为坡度角.

3.2 电动机系统模型

由于永磁同步电动机具有损耗低、温升低、功率因数高和效率高等优点，因此，目前成为新能源汽车的主流电动机选择.针对永磁同步电动机模型，主要由电动机本体模型和电动机控制模型2部分组成.

永磁同步电动机本体模型[9]可描述为

(6)

式中：ωm为电动机角速度；p为磁极对数；id、iq分别为d轴和q轴电流；R为定子绕组的电阻；Ld、Lq分别为d轴和q轴的电感；Te为电磁转矩；λpm为永久磁链常数；Vd、Vq分别为d轴和q轴电压；Va、Vb、Vc分别为a、b、c三相电压.

电动机控制模型选取了最大转矩电流比矢量控制方法及削弱磁通量的控制策略，该方法能够在减小逆变器容量压力的同时，提供更大的电磁转矩.系统具体控制架构如图2所示.

图2 纯电动客车驱动电动机控制架构

3.3 电池系统模型

电池模型采用数据表模型，该模型的搭建思路是通过电池开路电压和内部电阻查找电池输出电压，所述查找表是电池荷电状态及电池温度的非线性函数表达式[10-11]，即

(7)

式中：Vm为电池开路电压；SOC为荷电状态；Rint为电池内部电阻.

在此基础上，可由式(8)计算电池输出电压，即

(8)

式中：VT为单体电池电压；Ibatt为单体电池电流；Iin为电池总电流；Np为并联电池数；Cp为电池容量；Lbatt为电池容量；Vout为输出电压；NS为串联电池数；τ为时间常数；s为复频率.

3.4 电控系统模型

在模拟电控系统故障中，仅考虑电控系统的通信故障，因此，为实现基于HIL仿真平台的纯电动客车整车模型构建，电池、电动机以及整车动力学模型均参考式(1)-(8)建立，而电控系统模型则采用HIL平台中自带的整车控制模块.

4 系统故障模拟及信号特征分析

在建立包含“三电”系统的纯电动客车整车模型基础上，从符合客观逻辑及可实现的角度出发，模拟“三电”系统主要故障，进而通过仿真分析，掌握不同故障的信号特征.

4.1 电动机系统故障模拟及信号

在电动机系统故障方面，首先考虑电动机失磁故障，因为该故障与纯电动客车动力丢失密切相关.磁链常数λpm表示永磁体运行状态，通过改变磁链常数即可模拟电动机不同失磁情况.正常工况，电动机25.0%失磁工况以及电动机87.5%失磁工况下的客车车速及电动机输出转矩对比分别如图3-4所示.

图3 不同电动机失磁工况下的客车车速对比图

从图3可以看出：在较低失磁状态下，电动机可以正常运行，纯电动客车在行驶过程中受到的影响较小，然而，随着失磁程度的增加，电动机转矩急剧下降，纯电动客车加速性能受限，开始表现出“动力丢失”的现象.与此同时，根据图4，当失磁程度较高时，电动机输出转矩幅值明显受限，可视为其典型特征.

图4 不同电动机失磁工况下的电动机输出转矩对比图

另一个考虑的电动机故障则是定子绕组匝间短路，该故障可能会导致纯电动客车出现动力丢失和起火.不同程度电动机定子绕组匝间短路(10%及18%)下的客车车速、电动机输出转矩以及电动机电流的对比分别如图5-7所示,随着电动机定子绕组匝间短路程度的增加，电动机输出转矩受到限制，从而使得纯电动客车加速性能明显下降，出现动力丢失.与此同时，电动机电流随着电动机定子绕组匝间短路程度的增加，会出现短时间内的较大峰值，使得电动机起火风险提升，为诱发纯电动客车起火造成隐患.

图5 不同程度定子绕组匝间短路下的客车车速对比图

图6 不同程度定子绕组匝间短路下的电动机输出转矩图

图7 不同程度定子绕组匝间短路下的电动机电流对比图

4.2 电池系统故障模拟及信号

在电池系统故障方面，主要考虑电池内部短路故障，因为该故障是导致电池热失控的主要诱因.电池内部短路故障时电动机输出转矩和电池放电电流分别如图8-9所示.

图8 电池内部短路时的电动机输出转矩图

图9 电池内部短路时的电池放电电流图

从图8-9可以看出：当电池出现内部短路故障时，其典型信号特征是，电动机输出转矩和电池放电电流均会在瞬时时刻剧增，随后快速下降并归零.因此，电池内部短路一般不会造成纯电动客车出现失控，但是极易造成客车出现起火事故.

4.3 电控系统故障模拟及信号

在电控系统故障方面，主要考虑纯电动客车电控系统的通信故障，该故障既可能导致客车动力丢失，也可能导致客车失控.模拟电控系统的通信故障可借助HIL仿真平台故障注入板卡进行直接实现，所述板卡如图10所示.

图10 HIL仿真平台故障注入板卡

通过故障注入板卡注入电控系统不同的通信故障，即可得到电控系统通信故障下的纯电动客车车速、电动机输出转矩以及电池放电电流等信号.因电控系统通信故障导致的纯电动客车动力丢失和失控2种情形下的车速、电动机输出转矩以及电池放电电流信号对比分别如图11-13所示.

图11 不同电控系统通信故障下的车速对比图

图12 不同电控系统通信故障下的电动机输出转矩对比图

图13 不同电控系统通信故障下的电池电流对比图

从图11-13可以看出：电控系统不同通信故障会导致纯电动客车出现动力丢失和失控2种失效类型，导致不同失效类型的根源在于电动机输出转矩和电池放电电流存在明显差别，且二者主要在幅值上区别显著，整体演化趋势基本一致.这应该是由于本研究所采用的HIL仿真平台故障注入板卡在注入电控系统通信故障时，其最终效果体现在纯电动客车系统控制量幅值存在明显区别，从而导致纯电动客车不同的失效类型.