混合动力车用电机故障诊断研究.docx

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混合动力车用电机故障诊断研究

混合动力车用电机故障诊断研究

摘要：

混合动力汽车采用内燃机和电机作为动力源，已经成为解决环境污染和能源短缺最具市场潜力的车型。

许多国家的政府部门、汽车公司和零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研制开发以及关键技术研究，目前已有多种产品问世。

混合动力汽车电机驱动系统稳定可靠的工作是混合动力车辆正常运行的保证，准确、可靠、快速地对电机驱动系统排故是提高混合动力汽车运行效能的有效途径。

尤其处于初始开发阶段的电动汽车，系统还不成熟，出现故障较多，所以故障诊断就显得更为重要。

关键词：

混合动力故障诊断控制系统

第一章混合动力汽车的结构特点分析

混合动力汽车的驱动系统从能源输入，原动机到机械能的传递，其组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同。

可以根据动力传递布置，混合动力汽车的用途，混合度大小以及是否依赖电网充电等来进行分类，一般情况下，我们都采用第一种分类方式对混合动力电动汽车进行分类加以分析，根据动力传递布置即根据其部件的种类，数量和连接关系可以将HEV的动力系统分为三种基本结构类型：

串联式，并联式和混联式三种，各自驱动结构如下。

1.1串联式混合动力汽车（SHEV）

图2.1为串联式混合动力汽车的典型结构形式，这种结构由发动机带动发电机发电，其电能通过带您冬季控制系统直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。

在发动机和驱动桥之间通过电传动实现动力传递，因此更像是电传动汽车。

由于断开了发动机与后续驱动系统的机械连接，发动机与外界负载没有直接联系，可以在一个特定工况区域内相对稳定地运行。

串联式结构是混合动力电动汽车中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。

和燃油车比较，它是一种发动机辅助型的电动车，主要是为了增加车辆的行驶里程，偶遇在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因而它有一定的灵活性。

尽管其传动结构简单，但它需要三个驱动装置：

发动机、发电机和电动机。

如果串联式混合动力汽车设计师考虑爬长坡，未提供最大功率，三个驱动装置的尺寸就会较大，如果用作短途运行，如当通勤车用或只是用于购物，相应的内燃机-发电机装置应采用低功率的。

2.2并联式混合动力汽车（PHEV）

图2.2为并联式混合动力汽车的结构形式，这种结构的混合动力电动汽车与串联式混合动力电供汽车不同的是采用发动机和电动机两套相互独立的驱动系统驱动车轮，没有串联式SHEV动力传动系中的发电机，因此更像传统汽车的动力传动系。

发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动，电力单独驱动或者发动机和发电及混合驱动三种工作模式驱动。

从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。

当发动机提供的功率大于驱动车辆所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入电池。

这种结构的混合动力汽车只需两个驱动装置，即发电机和电动机。

而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式混合动力电动汽车的发动机和电动机的体积要小。

即使在长途行驶时，发动机的功率可以达到最大而电动机的功率只需发出50%即可。

2.3混联式混合动力汽车（PSHEV）

图2.3为混联式混合动力汽车的结构形态，这种结构综合了串联式和并联式的结构特点，有发动机、电动机/发电机和驱动电机三个动力总成组成。

与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电力的传输路线。

混联式结构能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的组合。

同时具有串联式和并联式的优点，从而在结构上能够保证在更复杂的工况下是系统工作在最优状态，因此更容易实现低排放和低油耗目标。

但是其系统过于复杂，部件性能要求高，造价高，从而导致了其可靠性难以保证，实际加工困难，市场化举步维艰。

不过，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。

第二章故障诊断的概述

所谓故障诊断,有两种含义,一种是指鉴别机器的技术状态是否正常,发现并确定故障的部位和性质,寻找故障起因,预报故障趋势并提出相应对策;另一种是指由计算机利用系统的解析冗余,完成工况分析,对工作是否正常和引起故障的原因。

故障的程度有多大等问题进行分析，判断,得出结论。

一般意义上的故障诊断都是后者,本文所讨论的也是后者。

设备故障诊断方法的研究是设备检测与诊断技术的核心，设备故障诊断技术根据不同的信一号类型,分为振声诊断，温度诊断，油液分析，光谱分析等，近年来随着人工柳能技术的发展,故障诊断自动化和智能化的要求逐渐变成现实。

基于知识的专家系统通过人机对话,能较为准确地诊断出常见各种故障。

2.1汽车故障诊断的主要方法

传统的汽车故障诊断是建立在人工经验检查的基础上,所以主要依赖于人工观察。

推理分析和逻辑判断,经常要结合解体作业的修理,强调零部件的修复。

虽然也借助一些仪器设备进行检测,但这种方法对于现代汽车,尤其是一台有几千个零件和复杂电子线路的汽车来说,显然是力不从心了，现代汽车故障诊断通过高新技术的仪器设备,充分利用电子控制技术的特点,对汽车故障做出科学，准确的诊断,从而大大提高了汽车维修的快捷程度和可靠程度。

所以,要做出科学的诊断,必须要选择好诊断的方法,同时对诊断的周期，诊断的参数!

诊断的标准等有充分的了解。

目前汽车故障诊断可归纳为以下四种方法：

（1）经验诊断法

传统的经验诊断法是依靠人工的观察和感觉,根据汽车在工作中表现出来的外部异常状况,采用逻辑推断的方法,来诊断故障的类型和部位,所以也被称为故障树法或诊断表法。

但是这种方法必须依赖于维修人员的长期积累的经验和反复观察,既繁琐又不准确,常常会出现误诊和延误。

（2）检测诊断法

利用各种检测仪器和设备获取汽车的各种数据,并根据这些数据来判断汽车的技术状况,称为检测诊断法。

目前可供利用的仪器设备有:

万用表，点火正时灯，缸压表，真空表，油压表，声级计，流量计，油耗仪，示波仪，气缸漏气量检测仪，曲轴箱窜气量检测仪，气体分析仪，烟度计以及功能比较齐全的测功机，四轮定位仪，制动试验台，侧滑试验台，发动机综合检测仪，底盘测功机等等。

这些仪器设备给人们提供了可靠的依据,使汽车故障诊断从定性诊断发展为定量诊断。

（3）自我诊断法

利用电脑本身可以迅速监测控制系统的工作状况和储存的数据这一特点,通过一定的操作程式,把汽车电脑的故障码提取出来,然后对症下药,进行故障排除,这种方法称为自我诊断法。

这一方法对于电子控制的汽车各大系统十分有效,而且快捷准确。

（4）电脑诊断法

汽车电脑故障诊断仪（俗称解码器）,它的本身就是一个专门的小型电脑,它能把汽车电脑（ECU）储存的各种信息提取出来,然后进行整理，比较和翻译,以清晰的文字，曲线或图表方式显示出来,人们可以根据这些传送出来的信息,判断故障的类型和发生部位。

它还可以向汽车电脑发出指令,进行静态和动态的诊断。

这是一种最有发展前景的诊断方法。

以上四种汽车故障诊断方法,仍然在不断发展和变化.但在目前阶段,还保持着各自的特式,还具有各自不可替代的特点,因此,最佳的选择,是采取互相结合,互补长短的方式,以达到事半功倍的诊断效果。

2.2故障诊断技术的发展

故障诊断是一门综合性技术,它涉及现代控制理论，信号处理与识别，计算机科学，模式识别和人工智能等学科。

故障诊断是指系统在一定环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质,判断劣化状态发生的部位或部件,以及预测状态劣化的发展趋势等。

本文采用的是由计算机技术采集的实时道路工况数据进行分析,得出大致的汽车出现故障的部位，故障诊断技术的发展己有40多年的历史。

最早山美国开始研究,1961年美国成立了机械故障预防小组，进行故障诊断的研究,主要应用在军事领域。

1971年划归美国国家标准局,并进行故障机理的研究和可靠性及耐久性分析。

日本，英国等国家也在六一七十年于忆开始故障诊断技术研究,并积极消化先进技术,成立各种专门研究机构,井将其广泛应用于民用工业，故障诊断技术从其诞生开始就取得了重大的经济效益,并在工业，军事等领域发挥着越来越重要的作用,且在许多领域取得了令人瞩目的成就。

具有代表性的有：

由美国海军人工智能研究中心研制的，用于诊断电子设一备故障的IN-ATE系统;美国泰达公司的L393功能测试系统。

它是世界上性能较高的一种电路板测试系统,配上其开发的LASAR模拟仿真软件,可具有较高的数字测试故障覆盖和诊断定位能力,同时也可以在系统一级集成各种VXI和IEEE信号源及测量仪表,并有统一的交互编程和动态调试软件环境"因此,以L393为基础再适当选配一些模拟仪表,就可以满足B-2轰炸机维修中的所有测试要求"目前该系统已安装在美国的Tinker和Oklahoma空军基地;在导弹武器系统故障诊断方面,较有代表性的系统是美国佛罗里达空军基地研制的EMMA（ExpertMissileMaintenanceAid）。

EMMA并不是独立的诊断系统,而是将人工智能技术用于改进现有导弹自动测试设备的专家系统,它可以自动接收测试设备的数据,用测试结果作为专家系统的推理基础,完成故障隔离。

2.3目前电动汽车用驱动电机简介

直流电机和交流电机均可以作为电动汽车的驱动源。

（1）直流电动机（DMC）

目前,应用在汽车上的直流电机主要有串励直流电机和他励直流电机:

串励直流电机在低速时转矩很高,高速时转矩特性为恒功率;他励直流电机能单独提供励磁,可根据不同的行驶工况用电子控制器来控制调节励磁从而提供广泛的转矩特性,便于实现复杂的控制要求。

优点:

直流电机可以分别控制励磁和电枢扩大调速范围,易实现再生制动,控制系统简单,调速方便,不需要逆变装置,因而在早期的电动汽车上被广泛采用,当前仍然应用在部分电动汽车上。

缺点:

直流电机的效率较低,体积与质量较大,由于存在电刷和换向器,限制了电机的过载能力和性能的进一步提高。

（2）交流感应电动机（IM）

交流电机主要包括异步电机和同步电机两大类,两类电机在结构上既具有共同之处,又各有其自身特点。

共同之处在于定子铁心和绕组,不同之处在于转子结构和绕组。

交流电动机的效率和功率密度均比直流电机高,同一功率的质量还不到直流电机的一半。

随着功率电子器件和功率变换器的快速发展,采用矢量控制方法控制的变频器或逆变器,使得交流异步电机具有更好的可控性和宽广的调速范围。

其中,三相异步鼠笼感应电机在电动车上应用更为广泛,其功率容量覆盖面广,运行可靠,价格便宜,结构简单牢固,便于维护,对环境的适应性较好"由于异步电机的直轴和交轴的耦合作用,其动态模型具有高度非线性,使得异步电机的控制比直流电机要复杂得多,不易达到宽范田的恒功率调速,低速时控制性能较差。

因此控制系统复杂,控制器价格高。

第三章电机故障诊断系统及其常见故障

3.1电机故障诊断的特点及实施电机故障诊断的意义

3.1.1电机故障诊断的特点

电机的功能是进行电能与机械能量的转换，涉及因素很多，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统、通风散热系统等。

哪一部分工作不良或其相互之间配合不好，都会导致电机出现故障。

因此，电机故障要比其它设备的故障更复杂，其故障诊断所涉及到的技术范围更广，对诊断人员的要求也就更高。

一般来说，电机故障诊断涉及到的知识领域主要有：

电机理论、电磁测量、信号处理、计算机技术、热力学、绝缘技术、人工智能等。

电机故障诊断的复杂性还表现在故障特征量的隐含性、故障起因与故障征兆之间的多元性。

一种故障可能表现出多种征兆，有时不同故障起因也可能会反映出同一个故障征兆，这种情况下很难立即确定其真正的故障起因。

另外，电机的运行还与其负载情况、环境因素等有关，电机在不同的状态下运行，表现出的故障状态各不相同，这进一步增加了电机故障诊断难度，所以要求对电机进行故障诊断首先必须掌握电机本身的结构原理、电磁关系和进行运行状况分析的方法，即掌握电机各种故障征兆与故障起因间的关系的规律。

3.2.2实施电机故障诊断的意义

电机的驱动易受逆变器故障的影响，在交流电机驱动系统中，逆变器短路故障将会使电机产生有规律波动的或是恒定的馈电扭矩，使车辆突然减速。

研究表明：

逆变器出现故障时，永磁感应电机将产生较大的馈电扭矩，而且永磁电机也有存在潜在的高消磁电流的问题。

而感应电机在逆变器出现故障时所产生有规律的馈电扭矩将由于有持续的负载而迅速衰减，这说明了感应电机具有较高的容错能力，适应混合动力系统的要求。

开关电机磁阻是最具有故障容错能力的电机，而且当其有一个逆变器支路出现故障时电机仍能产生净扭矩，另外，开关磁阻电机成本低，结构紧凑，但是开关磁阻电机有较大的噪声和扭矩脉冲，而且需要位置检测器，而这些缺点使得开关磁阻电机在现阶段不适合应用于混合动力客车上。

在混合动力客车动力系统中，电机是作为辅助动力的，而且电机属于高速旋转设备，如果电机出现故障，电机产生的瞬态扭矩将使车辆的稳定性和动力性将受到影响，而且，电机由高压电池组驱动，如果电机出现故障而不能及时容错，电机产生的瞬态电流将使电池受到损害，因此在混合动力系统中对电机进行故障诊断是非常必要的。

3.2电机的故障诊断方法及典型故障诊断分析

3.2.1电机故障的诊断方法

（1）传统的电机故障诊断方法——在传统的基于数学模型的诊断方法中，经典的基于状态估计或过程参数估计的方法被应用于电机故障检测。

图2.6为用此类方法进行故障诊断的原理框图。

这种方法的优点是能深入电机系统本质的动态性质，可实现实时诊断，而缺点是需建立精确的电机数学模型，选择适当决策方法，因此，当电机系统模型不确定或非线性时，此类方法就难以实现了。

（2）基于人工神经网络的电机故障诊断方法——基于神经网络电机故障诊断方法的原理框图如图2.7所示，通常利用神经网络来实现学习与分类决策的功能。

为了能够对模式进行分类，往往需要学习，通过学习将系统参数或结构固定下来，这也就完成了训练的过程。

待识别信息经已训练神经网络的处理，可自动根据某一判别原则对被识别对象进行分类，最后给出准确、及时的故障诊断结论。

（3）基于模糊逻辑的电机故障诊断方法——图2.8为基于模糊逻辑的电机故障诊断方法框图，故障诊断部分是一个典型的模糊逻辑系统，主要包括模糊化单元、参考电机、底层模糊规则和解模糊单元。

其中，模糊推理和底层模糊规则是模糊逻辑系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。

模糊规则的制定有两种基本方法：

第一，启发式途径来源于实际电机操作者的语言化的经验。

第二，是采用自组织策略从正常和故障电机测量获得的信号进行模糊故障诊断的制定，将此方法通过计算机仿真实现，对电机故障有较好的识别能力。

（4）基于遗传算法的电机故障诊断方法——遗传算法是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法，它的推算过程就是不断接近最优解的方法，因此它的特点在于并行计算与全局最优。

而且，与一般的优化方法相比，遗传算法只需较少的信息就可实现最优化控制。

由于一个模糊逻辑控制器所要确定的参变量很多，专家的经验只能起到指导作用，很难根据指导准确地定出各项参数，而反复试凑的过程就是一个寻优的过程，遗传算法可以应用于该寻优过程，较有效地确定出模糊逻辑控制器的结构和数量。

遗传算法应用于感应电机基于神经网络的故障诊断方法的框图如图2.9所示。

设计神经网络的关键在于如何确定神经网络的结构及连接权系数，这就是个优化问题，其优化的目标是使得所设计的神经网络具有尽可能好的函数估计及分类功能。

具体地分，可以将遗传算法应用于神经网络的设计和训练两个方面，分别构成设计遗传算法和训练遗传算法。

许多神经网络的设计细节，如隐层节点数、神经元转移函数等，都可由设计遗传算法进行优化，而神经网络的连接权重可由训练遗传算法优化。

这两种遗传算法的应用可使神经网络的结构和参数得以优化，特别是用DSP来提高遗传算法的速度，可使故障响应时间小于300μs，不仅单故障信号诊断准确率可达98%，还可用于双故障信号的诊断，其准确率为66%。

近年来，电机故障诊断的智能方法在传统方法的基础上得到了飞速发展，新型的现代故障诊断技术不断涌现：

神经网络、模糊逻辑、模糊神经网络、遗传算法等都在电机故障诊断领域得到成功应用。

随着现代工业的发展，自动化系统的规模越来越大，使其产生故障的可能性和复杂性剧增，仅靠一种理论或一种方法，无论是智能的还是经典的，都很难实现复杂条件下电机故障完全、准确、及时地诊断，而多种方法综合运用,既可是经典方法与智能方法的结合，也可是两种或多种智能方法的结合，兼顾了实时性和精确度,因此多种方法的有机融合、综合运用这一趋势将成为必然，也将成为电机故障在线诊断技术发展的主流方向。

3.2.2电动机典型故障分析

（1）定子绕组的匝间或相间短路故障——图2.10给出了交流电机在发生定子绕组的匝间或相间短路故障时的诊断模型，故障部件对其它部件的作用以箭头表示，而短路环流的作用以虚线表示。

匝间和相间短路的基本标志是绕组局部过热，各相电流不对称，噪声和振动加剧。

但是只有在故障的终了阶段，短路环流达到一定数值，即电机就要退出运行时这些现象才表现得非常明显。

在故障初期需用参数的变化来诊断。

定子绕组的匝间或相间短路将引起下列参数的变化：

a．三次谐波电流的不对称

b．故障相参数的基波减小

c．振动和噪声参数的变化

（2）转子断条故障——对同步电机因转子断条引起的故障进行了试验研究，采用在转子槽中钻孔的方法模拟故障，测量相电流和谐波成分的波动。

试验表明与基波相电流相比三次谐波的波动幅度要大2.5倍，这是对鼠笼式同步电动机进行故障监测的最有效的特征。

（3）转子轴偏心故障——转轴偏心会破坏相电流的对称性，影响定子绕组电压和并联支路电流分配的均匀性，并导致附加谐波的出现，而且谐波幅度相对于基波不均匀地增加，同时差动杂散感抗和输入阻抗增加。

在气隙均匀的情况下相电压中的三次谐波分别为0.47%（A）、0.42%（B）、0.47%（C），而在偏心率ε=75%时，三次谐波将不均匀的增长许多倍，达到5%（A）、4.1%（B）、8.1%（C）。

电机的各部件之间存在着紧密地电磁和机械联系，某部件的故障会引起其它部件的条件故障。

条件故障包括气隙中电磁场均匀性被破坏，定子绕组电流中出现高次谐波，气隙磁势不均匀等。

而所有故障都表现为电机电磁、振动及声学性能的改变并将引起相应参数的变化，而参数的变化可以通过试验监测。

电机故障的诊断就是通过试验监测电机参数的变化，再根据参数的变化对电机的状态作出判断。

第四章总论

汽车故障诊断技术是随着诊断设备的发展而发展起来的，就目前我国汽车诊断技术水平来说，与国外还存在一些差距，但随着国民经济的发展以及国内计算机、电子、汽车等高新技术的发展,我国故障检测诊断技术得到了迅速发展。

现在我国汽车故障诊断技术正处在从传统向现代化转变的重要关头，其特征为汽车诊断技术从经验体系向科学体系的转变。

现在我国的汽车故障诊断学科已经起步，并正处在蓄势待发的紧要关头。

只有准确把握汽车故障诊断技术的发展方向，同时诊断设备研发技术人员与汽车维修技术人员的有机结合才可能创造出优秀的故障诊断设备和卓越的诊断思想，才可能将我国的汽车故障诊断技术推进到当代世界汽车故障诊断技术的前沿中去。

在此背景下，本论文主要写了一下内容：

1.本论文从发展背景、工作原理等多方面系统的介绍了混合动力汽车电动机的基本知识。

2.介绍了故障诊断的含义，汽车故障诊断的方法。

并具体介绍了电动机的故障检测方法并对故障进行分类与分析。

相信，随着汽车工业的发展，会有越来越多的科技和装备应用与汽车故障诊断方面，用以在造成巨大危害前检测到故障，以确保车辆和乘客的安全。

参考文献

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