摘 要

随着能源问题的日益严峻，发展以及普及新能源汽车是解决能源问题、减少排放的重要措施。永磁同步电机，是动力传动系统的核心部件，永磁同步电机的可靠性和功能性会直接对测量的稳定性、安全性和动力学造成影响。电机的运用情况十分复杂，动力系统和控制系统也许会出现很多不同的故障，使车辆的动力性能和效率下降，甚至出现安全隐患，危害驾驶人的安全。为了保障车辆可靠、安全的运行，基于永磁同步电机的故障诊断受到了广泛关注，具有很高的理论研究和工程应用价值。

本课题的具体研究内容和成果总结为以下几点:

1.本论文详细介绍了故障诊断研究的背景、发展以及故障诊断方法的分类，对故障诊断进行了初步的分析汇总。

2..对于配备在电动汽车表面安装的永磁同步电机（SPMSM），存在匝间故障，本文通过推出故障传播模型来分析故障。该模型不仅可以用来探讨失效的传播规律，还可以通过失效现象来挖掘失效原因。仿真结果表明，该模型可以为设计可靠、鲁棒性较好的FDD系统提供充分的理论依据。

3.本文详细介绍了基于结构分析方法的故障诊断算法，使系统可以在设计阶段，得到故障的可检测性和可分离性，为了减少系统在故障决策时出现误报以及漏报的现象，本文使用了基于推断-累积和测试的残差评价法。

关键词：永磁同步电机；电动汽车；基于模型的故障诊断方法；故障的可检测性和可分离性；基于结构分析的故障诊断；残差

Abstract

With the increasingly severe energy problems, the development and popularization of new energy vehicles are important measures to solve energy problems and reduce emissions. The permanent magnet synchronous motor is the core component of the power transmission system. The reliability and functionality of the permanent magnet synchronous motor directly affect the stability, safety and dynamics of the measurement. The application of the motor is very complicated. There may be many different faults in the power system and the control system, which will degrade the power performance and efficiency of the vehicle and even cause potential safety hazards and endanger the safety of the driver. In order to ensure the reliable and safe operation of vehicles, fault diagnosis based on permanent magnet synchronous motor has received extensive attention and has high theoretical research and engineering application value.

The specific research content and results of this topic are summarized as follows:

1. This paper describes in detail the background and development of fault diagnosis research, and the classification of fault diagnosis methods. A preliminary analysis of fault diagnosis is carried out.

2. For the permanent magnet synchronous motor (SPMSM) mounted on the surface of an electric vehicle, there is a turn-to-turn fault. This paper analyzes the fault by introducing a fault propagation model. This model can not only be used to explore the failure propagation rules, but also to find out the cause of failure through the failure phenomenon. Simulation results show that the model can provide sufficient theoretical basis for designing reliable and robust FDD systems.

3. This paper introduces the fault diagnosis algorithm based on the structural analysis method in detail, so that the system can obtain the detectability and separability of the fault in the design stage. In order to reduce the occurrence of false alarms and omissions in the system fault determination, this paper Residual assessment methods based on inference-accumulation and testing were used.

Key words: permanent magnet synchronous motor electric vehicle;model-based fault diagnosis method; fault detectability and separability;fault diagnosis based on structural analysis; residual error

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内的外研究现状以及发展趋势 2

1.2.1 故障诊断技术的概述 2

1.2.2 故障诊断方法 2

1.2.3 汽车相关故障诊断概述及发展 3

1.3 本研究的主要内容 4

第2章 故障诊断方法 5

2.1 基于解析模型的故障诊断方法 5

2.2 基于数据驱动的故障诊断方法 5

2.3 定性分析故障诊断方法 6

2.4 本章小结 6

第3章 永磁同步电机匝间故障影响分析 7

3.1 介绍 7

3.2 建模与分析 7

3.2.1 EV的仿真 8

3.2.2 健康的SPMSM建模 8

3.2.3 Clarke和Park变换 11

3.2.4 FOC理论 13

3.3 故障建模 13

3.4 模型模拟结果 15

3.5 本章小结 21

第4章 基于结构分析法的故障诊断方法的实现过程 22

4.1 背景知识介绍 22

4.2 结构分析法的运用步骤 23

4.3 结构模型 23

4.4 二分图匹配 25

4.5 系统的可检测性和可分离性分析 26

4.6 故障诊断系统测试构建 27

4.7 残差评价 27

4.8 本章小结 28

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

世界上汽车的需求量不断增长，且增速渐快。据统计，世界上的汽车保有量已经达到了10亿辆^[1]，而且汽车的数量还在迅速增长，中国私人汽车的保有量已经达到2.1亿辆^[2]，然而，汽车在轻量化和节能减排等的技术方面进步却十分缓慢，为了减少污染物的排放，降低燃油的消耗指标难以达成。在2020年之前，温室气体(Greenhouse Gas，GHG)与1990年相比，至少减少20%的任务十分艰巨^[3]。再不及时采取有效的措施，温室气体的排放会日益增多。

电动汽车按照分类，一般可以分为混合动力汽车 (Hybrid Electric Vehicle, HEV)，纯电动汽车(Battery Electric Vehicle, BEV)，燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)和插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)^[4]。插电式混合动力汽车的综合性能良好，可以说它将传统的混合动力汽车的优点集于一身。许多国家、许多公司都投入了巨大的精力在新能源汽车的研发上，丰田在1997年推出来系列名为Prius^[5]的混合动力汽车，这款汽车十分具备代表性，到目前为止，统计的数量显示该车型已经销售了大概398.46万辆^[6]。丰田最近几年也推出来Mirai^[7]，这款汽车采用氢燃料电池驱动，随后又推出来卡罗拉双擎混动车^[8]等，可以看出丰田对新能源汽车的前景，十分看好;宝马公司先生产了i3，后面继续投入研发，生产了i8超级跑车^[9]，并在市场上取得了很大的成功，在市场上备受欢迎;本田为了加入新能源汽车的市场，生产了混和动力汽车Insight^[10]和Civic^[11]车型;通用汽车公司在2007车推出来Volt^[12]等。中国对于新能源汽车一直以来都十分看好，在传统的内燃机上超越工业强国十分困难，不如将更多精力投入新能源汽车，抢占未来市场，为此中国设立了电动车辆863课题^[13]，中国很多公司都响应政府的号召，投入了巨大的精力研发新能源汽车，例如北汽就成功推出了EV系列纯电动汽车^[14]和比亚迪秦和唐等等^[15]。

电动汽车动力传动系统由控制器、电动机、主减速器、差速器、车轮、蓄电池、变速器和半轴组成。车辆舒适性的提高、减少汽车能耗、减少有毒气体排放，必须不断改进和创新汽车的垫圈电子技术。汽车的安全性大多与电动汽车的电子系统有关。因此，电气电子系统中的故障都可能使汽车整体性能受到影响，甚至导致事故的发生。系统的复杂性增加，集成度的提高，电子电气系统的安全风险也随之提升^[16]。例如，动力电池组，动力电池是电动汽车的主要能量来源，动力电池组由许多单体电池构成，多个单体电池通过并联或者串联的方式连接在一起，从而提升了电动汽车的续航里程，但同时也造成了很大的安全隐患，比如，热失效造成的电池起火风险以及高压绝缘等^[17]。