浅析故障树分析法在驱动电机及控制系统检修课程教学中的应用

江西应用技术职业学院 谢达城，李 晶，邱志卓

随着汽车行业“新四化”（电动化、网联化、智能化、共享化）的快速发展，汽车的驱动形式开始多样化，纯电动汽车采用驱动电机替代原有的内燃机，形成简单的电驱动系统，混合动力汽车采用驱动电机与内燃机组合的形式，为汽车提供驱动力。与传统驱动形式相比，电驱动系统具有响应快速、传动系统结构简单、操纵方便、维护简单、噪音低等优点。

电驱动系统主要由驱动电机及电机控制系统组成，目前电动汽车上驱动电机大部分采用永磁同步电机，电机控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满足车辆不同运行要求的作用。在驱动电机及控制系统检修时，如果将故障类型进行合理分类和详细分析，可以为后续的故障诊断带来极大的便利。

1 故障树分析法

故障树分析法通常把系统中最不期望发生的故障现象称为顶事件，确定造成该顶事件发生的直接全部原因（可能是软硬件故障、人为操作失误或其他相关事件），再找出造成这些事件发生的下一层次原因，一直这样往下执行，直到找到最低层次的故障（定义为基本事件）为止。把介于顶事件与基本事件间的一切事件定义为中间事件，最后把顶事件、中间事件和基本事件通过合适的逻辑门连接成树形图，即构成故障树。故障树的典型模型如图1所示。

故障树分析法应用在汽车故障诊断时，首先需要经过大量的理论分析和实践分析，总结系统可能出现的所有故障类型；其次要从各方面对造成系统故障的可能原因进行逐层分析，把所有的故障原因进行整合梳理，并分析这些故障原因的逻辑关系，然后建立起从上至下的故障树模型，通过故障树反推导致系统故障的各种可能原因。

图1 故障树的典型模型

2 驱动电机系统结构原理分析

驱动电机是将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动力的一种电气装置，这种装置同时还具备将机械能转化成电能的功能。作为新能源汽车重要驱动部件之一，其性能好坏直接影响车辆的正常行驶、驱动效率及行驶安全等。电动汽车电驱动系统在结构布置形式上主要有以下4种形式。

（1）驱动电机与驱动桥组合驱动。组合式驱动形式与传统车桥较为相似，驱动电机与车桥间通过减速器、差速器等联结。具有机械结构紧凑、传动效率高、易于安装等特点。

（2）驱动电机与驱动桥集成驱动。该驱动方式把驱动电机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，并与驱动轴同轴，通过两根半轴驱动车轮。该布置形式的结构、联结部件进一步简化。

（3）轮边驱动电机驱动。将驱动电机安装在车轮内侧，每个驱动电机的转速可单独控制，需要安装电子差速器解决左右半轴的差速问题。这种布置形式使得汽车动力性能更加优良、运行更加灵活，同时减少传动系统部件，可有效节省汽车空间。

（4）轮毂驱动电机驱动。驱动电机一部分（转子）直接与轮毂固定，轮毂也可以看做是驱动电机结构的一部分，另一部分（定子）直接安装在悬架上。此种布置形式缩短了驱动电机和车轮间的机械传动距离，进一步节省空间，传动效率高。

电动汽车电驱动系统主流的驱动电机结构类型有：永磁同步电机、交流异步电机、直流电机、开关磁阻电机等。这几种驱动电机结构性能各异，目前，新能源汽车尤其是纯电动汽车大部分使用永磁同步电机，具有结构简单、体积小、重量轻、运行可靠、传动效率高、控制精度高、良好的转矩平稳性及低振动噪声等特点。

永磁同步电机的定子与普通电动机的结构基本相同，由电枢铁芯和电枢绕组2部分构成。转子主要由永磁体、转子铁芯和转轴等部分构成。此外，永磁同步电机的转子位置传感器是将转子的位置信号反馈给电机控制器，以实现对驱动电机的闭环控制。

电机控制系统由驱动电路、控制电路、冷却系统等组成，其作用是通过有效的控制策略将动力电池提供的直流电转化为交流电，实现对驱动电机的相应控制，主要包括速度控制、转矩控制、正反转控制及在减速/制动时进行能量回收。纯电动汽车驱动系统的组成如图2所示。

3 故障树分析法的教学应用

驱动电机及控制系统检修课程作为高职新能源汽车技术专业的核心课程，具有课程难度大、实践性强的特点。通过教学，学生虽能理解驱动电机及控制系统的结构原理，但在故障检修的实训过程中，当遇到实际问题时还不具备快速高效的故障诊断思路，学生排除故障往往花费较长时间，导致实训效果不理想。故障树分析法通过对系统进行全面的分析、研究、总结，可以将导致系统故障的各事件层层递进的关系直观展现，自上而下对事件进行分析，可以找到故障与哪些因素有关（硬件、软件、环境、人为因素等），并可按照概率的大小进行逐一排查，因此在教学过程中运用故障树分析法，结合理实一体、任务驱动等教学方法，对指导学生摸清系统故障范围、理清故障诊断思路、高效排除故障具有重要指导价值。

图2 纯电动汽车驱动系统的组成

根据驱动电机及控制系统的结构原理，以驱动电机及控制系统出现故障作为顶事件，整个事件可以看作二级事件，划分为机械故障、电气故障、控制系统故障3种故障类型。

针对机械故障、电气故障及控制系统故障分别构建故障树。构建故障树时，需要学生进一步熟悉系统的结构和工作原理，才能列出故障分类、故障间的逻辑关系、构成故障树的中间事件及基本事件。如在控制系统故障树（图3）的构建过程中，引导学生先从汽车电气系统控制原理出发，控制系统一般由信号输入（传感器）、信号传输（CAN网络）、信号分析处理及执行（控制单元）组成，所以可将传感器故障、CAN通讯故障、控制单元故障作为中间事件，因为冷却系统也是驱动电机及控制系统的重要组成部分，所以控制系统故障由4个中间事件构成，再进一步分析中间事件的组成、功能，继续对故障进行分类、溯源，直至找到底层故障（基本事件），从而构建完整的故障树。通过对整个故障树模型的分析和构建，在驱动电机及控制系统的故障诊断实训时，教师可以快速指导学生，学生也能做到思路清晰、逻辑正确。

4 结束语

故障树分析法可以直观地展现故障因素及相互间的关联关系，便于高效故障诊断，对于高职新能源汽车驱动电机及控制系统检修课程的教学，起到重要辅助作用，在对驱动电机及控制系统故障树的构建过程中，通过教师引导和学生自主探究，培养学生分析问题、解决问题的能力，让教和学更有效率。

图3 控制系统故障的故障树