电驱失效类型和风险分析，如何从测试端提升电驱可靠性？

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，北理工电动车辆国家工程研究中心主任王志福在演讲中表示，“我们现在越来越多地关注电驱系统的故障问题，比如短路、断路、失磁、轴承损坏，这些都会导致车辆的致命性问题，不夸张地讲，比锂电池着火还要严重，虽然失效的概率非常低。”
 
他认为，电机驱动需要有一个更加完善的验证模式，这是行业发展迫切需要的。

电驱失效的类型和风险

从根本逻辑来讲，包括应用于新能源汽车上的电机，所有电机驱动都需要一定的电压和电流才能正常工作，如果出现电压不足或者电流不稳定的情况，驱动系统就可能失效，出现电机无法工作的情况。
 
不过，实际上电机能够正常驱动受到很多方面的影响。一般而言，电机本体的故障基本上都属于致命故障或者严重故障，包括电机定子绕组故障、定子铁心故障、转子本体故障、电磁气隙偏心等电机本体故障。致命故障或者严重故障还包括功率模块故障、相电流传感器故障、三相电源不平衡故障和电机断相运行等电机逆变器相关故障，以及主电路欠压、母线过电压和过电流等保护电路故障。这些故障的发生可能导致电机停机、过热、加速老化、电模块击穿等故障。比如电路保护功能故障导致的过电流，非常容易造成电机驱动系统中功率器件的击穿。
 
另外，电机驱动还有一些普通故障和轻微故障，比如电机控制器相关的故障，包括驱动电路损坏、相电流采集单元故障、速度采集单元故障等，这些故障可能导致电机驱动系统瞬间掉电，但不会直接损坏电机系统。
 
对于新能源汽车而言，如果电驱失效，可能会出现几大明显的症状：
·汽车启动困难：这是电机故障最常见的情况，就是启动时电机一直报故障，车辆无法正常使用；
·行驶中瞬间掉电：这是最危险的情况，瞬间掉电也就意味着瞬间失速，在高速场景下极易发生惨烈的事故；
·动力不足和异常噪声：如果是电机本体方面的故障，初期会出现动力不足和异常噪声的问题。
·刹车效果下降：这个主要是针对一些有动能回收的车辆，当电机驱动出现故障时，刹车制动功能将受到影响，可能导致刹车失灵。
 
从具体症状来看，有时候汽车电机驱动失效确实会威胁到驾乘人员的生命安全。

多维度提升电机驱动的稳定性

电机驱动系统的可靠性提升涉及电机、变速器、逆变器、IGBT、控制器等多个关键动力部件及集成部件的可靠性设计、仿真与验证工作。
 
首先就是电机的可靠性验证，包括工况多样、多物理场、极端条件等多方面的验证。其次是电驱的可靠性测试，包括载荷类型、环境因素、工作应力、工作因素等。为了较为完整地测试电驱，一般车厂或者方案商都会构建一套体系，而且也有可遵循的行业标准和国家标准。
 
比如，《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》（GB/T 29307-2012）是2013年6月1日实施的一项中华人民共和国国家标准，归属于全国汽车标准化技术委员会。《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》主要涉及在台架上对电动汽车用驱动电机系统进行的一般可靠性试验方法，包括可靠性试验负荷规范及可靠性评定方法。这些试验方法适用于最终动力输出为电动机单独驱动或电动机和发动机联合驱动的电动汽车用驱动电机系统。试验过程中，借鉴了汽车发动机可靠性测试规范，采用了定转速、变化转矩的工作模式，并选择了3个不同电压平台。通过一系列的测试最终确保其在不同工作条件下的性能和安全性。
 
不过，王志福认为，对于电机台架测试来说，比较成熟、比较常规，带来的问题就是不同种类的电机类型需要不同电机类型的测试台架，部分能量以机械能、热能耗散而无法回收，能耗损失大。因此，北理工电动车辆国家工程研究中心构建了一种新型的电驱动系统测试，用电力电子做一个耦合回路，侧重于电机控制系统的测试，这样可以搭建非常好的、全性能的测试环境。
 
王志福指出，“原来我们做控制的时候，会天然地忽略磁饱和、磁损耗，我们现在就要去考虑损耗和饱和的问题；另外，我们要引发电驱故障模拟，从而验证更加良好的控制算法。同时，随着现在高性能驱动开发的要求，我们也在关注多电平的应用以及它的损耗发展，包括基于数据驱动的非参数模型预测电流控制方法。”
 
当然，测试方法再全面，也无法覆盖所有的现实工况，除了致力于提升电驱本身的可靠性以外，也需要着力提升对电驱的保护。良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。高质量的驱动保护电路则能够提高系统可靠性，提高变换的效率，在开/关过程中减小开关器件应力，并降低EMI或EMC。这些方法可以从侧面提升电驱的可靠性，也是非常有效的且必要的。

结语

电机驱动是发挥电动汽车性能重要的一环，同时也关系到了行车安全。通过王志福的描述不难看出，传统电机台架测试的方法可能会让我们忽略掉一些电机驱动失效的情况，因此北理工电动车辆国家工程研究中心构建了一套新的测试系统，包括更丰富的测试工况，以及电驱故障更逼真的模拟。同时，我们也不能忽视保护电路的重要性，能够降低一些意料之外的工况对电驱系统的损坏。