EMT电驱动系统故障分析

付　翔，王玉刚，王红雷，胡　峰

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070; 2.武汉外国语学校，湖北 武汉 430022)



EMT电驱动系统故障分析

付翔1，王玉刚1，王红雷1，胡峰2

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070; 2.武汉外国语学校，湖北 武汉 430022)

摘要：针对EMT电驱动系统故障问题，对武汉市运行的10辆纯电动通勤车中EMT电驱动系统的故障和故障发生时行驶里程进行汇总统计，根据汽车可靠性理论得出系统故障概率密度和故障率与行驶里程的分布关系，建立了EMT电驱动系统故障树。并结合EMT系统常见故障及其产生机理，提出了提高EMT电驱动系统可靠性的方法。对纯电动客车和EMT系统改进具有一定的参考意义。

关键词：EMT；故障统计；可靠性；故障分析

世界各国的客车生产企业，由于竞争压力，越来越重视客车的可靠性问题[1]。绝大多数消费者把车辆的可靠性作为首要因素，客车可靠性差，不仅影响企业信誉，还可能失去市场。同时，随着客车技术的发展，整车系统变得更加复杂，如果要维持或提高整车的可靠性，就必须提高系统的可靠性。目前中国客车制造水平与国外知名企业还有一定的差距，与客户的期望值还有不小的距离[2]。提高整车动力系统的可靠性是保证车辆正常行驶和安全运行的基础，可靠性的提高是建立在实践经验和统计理论的基础上，找出不足并提出优化方案，因此整车动力系统的故障分析对可靠性提高具有重要意义[3]。

1EMT电驱动系统故障统计

EMT(电驱动自动变速器)电驱动系统是由三相交流异步电机、变速箱、电机控制器、整车控制器、高压配电系统和附件等组成的一套完整的整车动力系统总成[4]。以武汉市运行的10辆装有EMT电驱动系统的纯电动通勤车作为研究对象，对其10 000 km行驶里程内的故障进行统计整理，故障分布如表1所示。

2EMT电驱动系统故障分析

2.1EMT故障树的建立

按照系统—总成—零件/元件—零件的失效模式—零件特征、设计缺陷的顺序，建立如图1所示的故障树，其中，“≥1”表示输出位置对应的事件只要有一个输入事件发生时就会发生[5]。

2.2故障数据的分析

故障在每1 000 km内分布直方图如图2所示。从图2可以看出，故障明显集中在0～3 000 km范围内，这是由系统刚开始使用时设计、调试或者产品的不一致性等原因造成的早期失效期；在4 000～10 000 km范围内，故障分布较少且较为均匀，这是偶然失效期，这个阶段的故障主要是由误操作或者某些偶然因素造成的。

2.2.1理论分布规律

在可靠性研究中，一般是通过统计汇总推断可靠性的特征量，然后根据可靠性分布推断故障分布趋势，进而对故障规律进行分析。威布尔分布对各种类型试验数据的拟合能力较强，在不知道EMT电驱动系统故障属于何种分布时，笔者假设其属于双参数威布尔分布[6]。

在可靠性研究中，以故障分布函数F(t)和故障概率密度f(t)为主要研究对象。F(t)的大小直接反映故障发生的概率，反映故障与行驶里程的关系；f(t)为汽车在单位里程内出现故障的概率密度。在实际情况下，其通过一组有效可靠性数据分析求得。

双参数威布尔分布的密度函数f(t)和失效概率F(t)分别如式(1)和式(2)所示，其中包括特征寿命T和形状参数b。

表1　EMT电驱动系统故障统计

图1　EMT系统故障树

图2　故障随行驶里程分布直方图

(1)

(2)

2.2.2威布尔参数的计算

失效数据的分析可以通过各种分析方法进行，最常用的有矩量法、回归分析法和极大似然法。笔者选取回归分析法进行参数估计。回归分析[7]通过线性的光滑函数来求得失效分布，使各坐标[ti,F(ti)]与线性光滑方程的距离平方和达到最小值。各区间采用通用的线性光滑函数计算，然后把这些函数相加。最后，法方程可以通过求导得到。通过回归分析，双参数威布尔分布参数b和T可以通过下列方程解出。

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根据式(3)～式(8)解得：

b=0.87，T=3 170

2.2.3假设函数的验证

为评判直线的拟合度，引入相关系数K：

(9)

相关系数是表示变量之间关系强弱和方向的指标。K的绝对值越接近1，拟合程度越好[8]。

计算可得K=0.956，由于K值非常接近1，因此可以判定故障分布符合所假设的双参数威布尔分布。由此可得密度函数为:

(10)

失效概率为:

(11)

可靠度为:

(12)

EMT电驱动系统可靠度R(t)和失效概率F(t)的分布曲线如图3所示，两者之和为1，概率密度函数f(t)的分布曲线如图4所示。由图3可以看出，可靠度和失效概率的斜率随着行驶里程的增加逐渐减小。从图4可以明显看出，EMT电驱动系统失效分布近似于指数分布，开始失效密度较高，随后连续降低。系统早期的失效率很高，随着行驶里程的增加，失效率快速降低。说明系统刚投入运营过程中，由于零部件的匹配、产品的不一致性等因素对系统的故障率影响很大，如何避免和减小故障对运行的可靠性至关重要。

图3　F(t)和R(t)的分布曲线

图4　概率密度函数f(t)的分布曲线

从表1和图1可以看出，在统计的49次故障中，高压配电系统故障数为25次，其中，充电电流熔断器和气泵电流熔断器占绝大部分，说明电流熔断器的选型存在问题；因挡位传感器反馈值漂移和气泵过温保护引起的故障占1/5；轴端旋变和电机PG卡故障引起的故障占1/9。可见，电流熔断器、挡位传感器和转速传感器是引起故障的主要因素。

3提高EMT系统可靠性的方法

(1)挡位传感器和转速传感器的容错控制。挡位传感器采用位移传感器，当传感器出现故障时，使用预先设置好的状态值代替实际值，直至更换传感器为止。EMT系统采用两个独立的旋转变压器分别采集轴端转速和电机转速，当其出现故障时，切换控制模式，直至旋变正常，图5为传感器故障容错框图[9]。

图5　传感器故障容错框图

(2)故障等级设计与处理。对系统故障进行等级划分，并确定相应等级的处理规则，最大限度地保证系统功率输出，保证正常行驶，图6为故障处理框图。

图6　故障处理框图

(3)电流熔断器的合理选型。电流熔断器选型时，在考虑最大输出功率、额定电压的基础上，应综合考虑传递效率、温度、频率负荷等综合修正因素的影响[10]，同时还要考虑一定的放大系数。

4结论

通过对EMT系统故障和故障发生里程等故障数据进行统计和分析，得出EMT电驱动系统故障分布与车辆行驶里程之间的关系，进而得出概率密度函数、可靠度和失效概率。根据所建立的EMT电驱动系统故障树，结合EMT系统常见故障，提出了提高EMT电驱动系统可靠性的方法，为系统改进提供了一定的理论基础和参考。

参考文献：

[1]滕云.国产汽车使用可靠性评价研究[D].西安：长安大学,2010.

[2]刘俊.汽车可靠性工程基础[M].合肥：合肥工业大学出版社，2011：26-78.

[3]万正高.国产电动汽车的可靠性评估与故障规律研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[4]曹正策.基于电驱动自动变速器(EMT)的Plug-in并联混合动力系统研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[5]孙天奎.电动汽车驱动系统系统故障检测与诊断技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[6]周哲仁.基于威布尔分布的汽车品质预测方法研究[D].广东：华南理工大学,2013.

[7]徐群.非线性回归分析的方法研究[D].合肥：合肥工业大学,2009.

[8]居余马.线性代数[M].北京：清华大学出版社，2002：103-125.

[9]王德军.故障诊断与容错控制方法研究[D].长春：吉林大学,2004.

[10]龙成冰,吴森,付翔.电动汽车用电流熔断器的选型与试验研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2015,37(1):73-77.

FU Xiang:Assoc.Prof.; School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070,China.

[编辑：王志全]

文章编号：2095-3852(2016)01-0115-04

文献标志码:A

收稿日期：2015-06-19.

作者简介：付翔(1973-)，女，湖北随州人，武汉理工大学汽车工程学院副教授.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014-II-004)；武汉市科学技术局基金资助项目(2013011801010596).

中图分类号：U461.7

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.025

Reliability Analysis of EMT Electric Drive System

FU Xiang， WANG Yugang， WANG Honglei， HU Feng

Abstract：The faults of the EMT electric drive of the ten pure electric bus in Wuhan and the mileage when the faults occurred were statistic,the distribution relationship of the system failure probability density and the failure rate with the mileages according to the car reliability theory was obtained.According to the EMT system fault tree and its common failure and its generating mechanism,the methods and measures of improving the reliability of EMT drive system are proposed.The development and improvement of pure electric bus and EMT system are of great significance.

Key words：EMT; statistics of fault; reliability; fault tree