本文關(guān)鍵詞：基于模型的純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷研究

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【摘要】：面對(duì)嚴(yán)峻的能源及環(huán)境危機(jī),加速發(fā)展和普及清潔高效的電動(dòng)車輛是實(shí)施節(jié)能減排的重要措施。三相永磁同步電機(jī)與鋰離子動(dòng)力電池組,作為純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件,其功能性和可靠性將直接影響車輛的動(dòng)力性、安全性以及穩(wěn)定性。在電動(dòng)車輛復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境下,動(dòng)力系統(tǒng)及其控制裝置可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的故障,從而導(dǎo)致其運(yùn)行性能和效率下降,甚至存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證電動(dòng)車輛安全、高效以及可靠地運(yùn)行,基于模型的三相永磁同步電機(jī)與鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷研究得到國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,具有一定的理論研究及工程應(yīng)用價(jià)值。本論文提出了基于廣義無(wú)跡卡爾曼濾波算法的三相永磁同步電機(jī)相電流及轉(zhuǎn)子位置傳感器故障檢測(cè)和分離方法,能夠較好地處理系統(tǒng)的非線性特性,而且具有較好的魯棒性,故障診斷的實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性很好;提出了基于結(jié)構(gòu)分析理論的鋰離子動(dòng)力電池單體電流、電壓以及溫度傳感器的故障檢測(cè)以及分離方法,此方法不僅能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段參數(shù)不確定情況下,得知傳感器故障的可檢測(cè)性以及可分離性,而且可以幫助構(gòu)建不同的診斷測(cè)試實(shí)現(xiàn)故障的在線檢測(cè)和分離;提出了基于自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的串聯(lián)式鋰離子動(dòng)力電池組傳感器故障檢測(cè)和分離方法,解決了動(dòng)力電池組內(nèi)大量傳感器故障診斷的難度,計(jì)算量較小,并且對(duì)于系統(tǒng)噪聲具有較好的魯棒性。具體的研究工作包括:一、系統(tǒng)介紹了現(xiàn)階段應(yīng)用于電動(dòng)車輛較多的三相永磁同步電機(jī)、電壓型逆變器以及鋰離子動(dòng)力電池的工作原理和基本構(gòu)成;借助于失效模式以及影響分析方法,歸納總結(jié)了各子系統(tǒng)部件的不同失效模式、失效引起的影響以及引起失效的起因。以鋰離子動(dòng)力電池組為例,使用風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)評(píng)估了電池組內(nèi)不同部件失效所引起的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度。通過(guò)故障樹分析法,更加直觀地表述了系統(tǒng)失效與各部件故障之間的邏輯傳遞關(guān)系。二、詳細(xì)論述了應(yīng)用于本文的基于模型的故障診斷算法�？紤]到永磁同步電機(jī)和鋰離子動(dòng)力電池的非線性特性、以及系統(tǒng)噪聲和不確定性等,使用了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法、自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法以及無(wú)跡卡爾曼濾波算法的故障診斷方法。為了能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段得知故障的可檢測(cè)性和可分離性,使用了基于結(jié)構(gòu)分析的故障診斷方法。為了降低在故障決策時(shí)的漏報(bào)以及誤報(bào)的概率,使用了基于統(tǒng)計(jì)推斷-累積和測(cè)試的殘差評(píng)價(jià)方法。三、提出了基于廣義無(wú)跡卡爾曼濾波算法的三相永磁同步電機(jī)相電流傳感器以及轉(zhuǎn)子位置傳感器的故障檢測(cè)和分離方法。首先,建立了三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型,主要包括:永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、弱磁控制、逆變器模型和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)、駕駛員模型以及車身模型等。分析了逆變器單橋臂上雙晶體管開路故障、電機(jī)傳感器故障以及永磁體退磁故障對(duì)于整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。最終,通過(guò)采用三個(gè)無(wú)跡卡爾曼濾波器,每個(gè)濾波器輸入不同的傳感器測(cè)量信號(hào),通過(guò)每個(gè)濾波器對(duì)于不同傳感器故障的響應(yīng)差異,實(shí)現(xiàn)三相電流傳感器以及轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和分離。此方法不僅可以較好地處理系統(tǒng)的非線性特性,而且具有較好的魯棒性,故障診斷的實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性很好。四、提出了基于觀測(cè)器以及結(jié)構(gòu)分析算法的鋰離子動(dòng)力電池單體和電池組的傳感器故障診斷方法。首先,搭建了鋰離子動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一套綜合的測(cè)試程序,并建立了鋰離子動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。分析了電流或電壓傳感器故障對(duì)于電池管理系統(tǒng)的影響。提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的動(dòng)力電池單體電流和電壓傳感器故障檢測(cè)方法,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性。為了能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段參數(shù)未知情況下得知故障的可檢測(cè)性以及可分離性,提出了基于結(jié)構(gòu)分析算法的電池單體傳感器故障檢測(cè)和分離方法。此方法還可以通過(guò)構(gòu)建不同的診斷測(cè)試實(shí)現(xiàn)傳感器的在線故障診斷,大量的測(cè)試數(shù)據(jù)表明其方法可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓以及溫度傳感器故障的在線檢測(cè)和分離。最終,提出了基于自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的串聯(lián)式動(dòng)力電池組傳感器故障檢測(cè)和分離方法,解決了動(dòng)力電池組內(nèi)大量傳感器故障診斷的難度,計(jì)算量小,并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性。其主要思想是依據(jù)電流或不同電壓傳感器故障下的電池單體電壓間的差異,通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控以及長(zhǎng)時(shí)間尺度離線監(jiān)控不同的電池單體,并使用自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法,實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式動(dòng)力電池組內(nèi)電流傳感器和多個(gè)電壓傳感器故障的在線檢測(cè)及分離。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U472.9

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本文編號(hào)：1303137