CN114487830B - 一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统，涉及汽车检测技术领域，包括数据获取步骤、有效工况确定步骤、电流变化确定步骤、效率确定步骤、临界阈值确定步骤和退磁老化判断步骤。本发明对电机退磁老化程度进行分析，计算量小，可在线实时检测，可靠性高。

Description

一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车检测技术领域，尤其涉及一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统。
背景技术
永磁同步电机因其具有机构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小、效率高、过载能力强、能量密度高和调速范围宽等优点，而被新能源汽车广泛采用。然而，当永磁同步电机发生定子匝间或相间短路引起的高温、电枢反应(包含过流)和机械振动时，永磁体会发生不可逆的退磁现象，退磁会影响永磁体性能进而导致电机转矩性能降低，甚至造成电机报废等严重后果，特别是对于电动汽车而言，直接影响着行驶安全性。研究偶发、隐蔽、变化缓慢的永磁同步电机退磁快速检测方法，不仅可以减少维修成本，而且还可以减少事故的发生，对电动汽车永磁同步电机的健康状态检测和故障诊断有很重要的实际意义。
当前检测永磁同步电机退磁的方法包括传统的磁路分析法、建立仿真模型的有限元法或结合这两种方法进行分析。其中，采用对线圈反电势信号的分析实现退磁检测，但该方法只有在电机断电的情况下进行检测，不能在电机运行状态下当场检测。考虑温度对于永磁同步电机的影响，并通过主动短路电流测量永磁体的状态，该方法测量需使用的仪器较多，而且测量方法较为复杂。目前，永磁同步电机容易退磁的隐患一直未得到解决，大部分研究仅停留在实验室用SIMULINK对理想模型进行仿真这一阶段，且现有方法均较为复杂，不能实时在线快速检测，影响电机运行的可靠性。
因此，提出一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统，解决现有技术中存在的问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统，对电机退磁老化程度进行分析，计算量小，可在线实时检测，可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，包括以下步骤：
S101：数据获取步骤：获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
S102：有效工况确定步骤：在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
S103：直流母线电流变化确定步骤：监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
S104：系统效率确定步骤：各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
S105：临界阈值确定步骤：建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
S106：退磁老化判断步骤：提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
可选的，S101中永磁同步电机输出数据包括：整车累计里程、驱动电机状态、驱动电机转速、驱动电机转矩、驱动电机温度、电机控制器输入电压和电机控制器直流母线电流。
可选的，S102中驱动电机温度范围为20-50℃。
可选的，S102中有效工况点确定具体为：选择驱动电机转速为额定转速的30％、60％、90％，转速允许偏差为额定转速的5％；选择驱动电机转矩为额定转矩的30％、60％、90％，转矩允许偏差为额定转矩的10％。
可选的，S103中根据永磁同步电机转矩方程和运动方程确定电机控制器直流母线电流随负载功率和整车累计里程数的合理变化范围，具体公式如下：
Figure BDA0003556147410000031
Figure BDA0003556147410000032
式中，Te为电磁转矩，单位为N·m；np为极对数，Lm为互感，单位为H；Lr为电机转子自感，单位为H；isT为旋转坐标系下定子电流转矩分量，单位为A；ψr为转子磁链，单位为Wb；ωm为转子机械角频率，单位为rad/s；Tm为负载转矩，单位为N·m；μ为转子负载粘滞摩擦因数；J为转动惯量，单位为kg·m2。
可选的，S103中电机系统效率的计算公式如下：
Figure BDA0003556147410000033
式中，n为驱动电机转速，单位为r/min；T为驱动电机转矩，单位为Nm；U为电机控制器输入电压，单位为V；I为电机控制器直流母线电流，单位为A。
可选的，S106中永磁同步电机退磁老化程度的判断具体如下：
当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率第一次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁异常状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续两次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁报警状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续三次以上同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁故障状态。
可选的，还包括S107：预警步骤：在判断永磁同步电机退磁老化程度为报警状态或者故障状态时，向电动汽车客户端推送预警信息。
一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测系统，包括依次连接的数据获取模块、有效工况确定模块、电流变化确定模块、效率确定模块、临界阈值确定模块和退磁老化判断模块；
数据获取模块，用于获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
有效工况确定模块，用于在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
电流变化确定模块，用于监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
效率确定模块，用于各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
临界阈值确定模块，用于建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
退磁老化判断模块，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
可选的，还包括预警模块，与退磁老化判断模块连接，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法及系统：1)通过获取实时的驱动电机数据，对比有效监测工况点下车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率变化，以此来判断永磁同步电机退磁程度；2)根据有效监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率变化值和连续达到阈值的次数，可判断电机系统预警或故障，并且计算量小，可在线实时检测，可靠性高；3)本发明不需要添加额外的传感器，方案简单可行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法流程图；
图2为本发明提供的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明公开了一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，包括以下步骤：
S101：数据获取步骤：获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
S102：有效工况确定步骤：在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
S103：直流母线电流变化确定步骤：监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
S104：系统效率确定步骤：各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
S105：临界阈值确定步骤：建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
S106：退磁老化判断步骤：提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
进一步的，S101中永磁同步电机输出数据包括：整车累计里程、驱动电机状态、驱动电机转速、驱动电机转矩、驱动电机温度、电机控制器输入电压和电机控制器直流母线电流。
驱动电机状态包括：耗电状态、发电状态、关闭状态、准备状态。
进一步的，S102中驱动电机温度范围为20-50℃。
进一步的，S102中有效工况点确定具体为：选择驱动电机转速为额定转速的30％、60％、90％，转速允许偏差为额定转速的5％；选择驱动电机转矩为额定转矩的30％、60％、90％，转矩允许偏差为额定转矩的10％。
进一步的，S103中根据永磁同步电机转矩方程和运动方程确定电机控制器直流母线电流随负载功率和整车累计里程数的合理变化范围，具体公式如下：
Figure BDA0003556147410000071
Figure BDA0003556147410000072
式中，Te为电磁转矩，单位为N·m；np为极对数，Lm为互感，单位为H；Lr为电机转子自感，单位为H；isT为旋转坐标系下定子电流转矩分量，单位为A；ψr为转子磁链，单位为Wb；ωm为转子机械角频率，单位为rad/s；Tm为负载转矩，单位为N·m；μ为转子负载粘滞摩擦因数；J为转动惯量，单位为kg·m2。
进一步的，S103中电机系统效率的计算公式如下：
Figure BDA0003556147410000073
式中，n为驱动电机转速，单位为r/min；T为驱动电机转矩，单位为Nm；U为电机控制器输入电压，单位为V；I为电机控制器直流母线电流，单位为A。
进一步的，S106中永磁同步电机退磁老化程度的判断具体如下：
当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率第一次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁异常状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续两次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁报警状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续三次以上同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁故障状态。
进一步的，还包括S107：预警步骤：在判断永磁同步电机退磁老化程度为报警状态或者故障状态时，向电动汽车客户端推送预警信息。
参见图2所示，本发明公开了一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测系统，包括依次连接的数据获取模块、有效工况确定模块、电流变化确定模块、效率确定模块、临界阈值确定模块和退磁老化判断模块；
数据获取模块，用于获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
有效工况确定模块，用于在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
电流变化确定模块，用于监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
效率确定模块，用于各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
临界阈值确定模块，用于建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
退磁老化判断模块，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
进一步的，还包括预警模块，与退磁老化判断模块连接，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
实施例1
一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，具体包括以下步骤：
S101：
远程服务管理平台获取每辆电动汽车实时运行数据，本发明主要关注与永磁同步电机弱磁程度密切相关的参数，包括整车累计里程、驱动电机状态、驱动电机转速、驱动电机转矩、驱动电机温度、电机控制器输入电压和电机控制器直流母线电流，并将上述数据存入数据库中。
S102：
确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况：驱动电机状态为耗电状态，选择电机的温度范围，位于20℃～50℃，选择驱动电机转速为额定转速的30％、60％、90％，转速允许偏差为额定转速的5％；选择驱动电机转矩为额定转矩的30％、60％、90％，转矩允许偏差为额定转矩的10％，共监测9个工况点。即：电机转速为额定转速的30％±5％，电机转矩为额定转矩的30％±10％；电机转速为额定转速的30％±5％，电机转矩为额定转矩的60％±10％；电机转速为额定转速的30％±5％，电机转矩为额定转矩的90％±10％；电机转速为额定转速的60％±5％，电机转矩为额定转矩的30％±10％；电机转速为额定转速的60％±5％，电机转矩为额定转矩的60％±10％；电机转速为额定转速的60％±5％，电机转矩为额定转矩的90％±10％；电机转速为额定转速的90％±5％，电机转矩为额定转矩的30％±10％；电机转速为额定转速的90％±5％，电机转矩为额定转矩的60％±10％；电机转速为额定转速的90％±5％，电机转矩为额定转矩的90％±10％。
S103：
监测相同输出转矩下的直流母线电流变化：上述监测工况点下，根据式(1)和式(2)(永磁同步电机转矩方程和运动方程)确定电机控制器直流母线电流随负载功率和整车累计里程数的合理变化范围。比如将整车累计里程数以30000km为间隔划分区间，确定每个里程区间内电机控制器直流母线电流随电磁转矩变化的合理区间，用比例因子K1表示，K1为相应监测工况点下电机控制器直流母线电流与理论值(或者车辆出厂时直流母线电流值)的比值，K1随工况点和整车累计里程变化。
S104：
各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率：上述各里程区间有效监测工况点下，永磁同步电机系统退磁后，相同电磁力矩所需电流增加，导致电机损耗明显增大，电机系统效率下降。根据式(3)(电机系统效率计算公式)确定每个里程区间内有效监测工况点下永磁同步电机系统效率的合理区间，用比例因子K2表示，K2为相应监测工况点下永磁同步电机系统效率与车辆出厂时该效率的比值。K2随工况点和整车累计里程变化。
S105：
建立监测工况点的实时数据库：按照确定的间隔周期，一般是10s，将各监测工况点下K1值、K2值实时存入数据库中，建立驱动电机有效监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间相应监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的报警阈值，一并存入数据库中。(K1值、K2值、母线电流和电机系统效率、报警阈值都是同一个数据库。报警阈值一般是根据直流母线电流和电机系统效率较历史数据变化的情况确定，比如同一工况点下直流母线电流增加5％或者电机系统效率降低5％。具体数值与车辆行驶里程和电机型号有关，不是固定值。)
S106：
判断永磁同步电机退磁老化程度：按照确定的间隔周期，一般是10s，提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此计算退磁比例，判断电动机退磁老化程度，若在正常退磁老化范围内，认为电机健康状态良好。数据分析时，由统计方法确认一条中心线和两条控制限，中心线通常是数据库中的监测工况点数据平均值或基于最小二乘法拟合监测工况点数据得到。控制限位于中心线的上下两侧，为考虑步骤五报警阈值确认的上控制限和下控制限。当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率第一次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁异常状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续两次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁报警状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续三次以上同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁故障状态，此时，电机的铜损和铁损会相应增大，导致温升效应明显，电机温度增大，寿命减短，应停止车辆行驶。
S107：
预警信息推送：远程服务管理平台在判断永磁同步电机退磁老化程度为报警状态或者故障状态时，若为报警状态触发时，向电动汽车客户端推送预警信息，若为故障状态触发时，向电动汽车客户端推送停车信息，停止车辆运行，避免导致电机出现严重故障。
本方法也可用于电动汽车整车控制器或者电机控制器内，判断永磁同步电机退磁程度，进行预警或者故障判别；也可用于通过车载诊断设备获取电动汽车永磁同步电机输出数据，进而判断电机退磁程度；也可用于监测电动汽车其他类型的驱动电机。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：数据获取步骤：获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
S102：有效工况确定步骤：在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
S103：直流母线电流变化确定步骤：监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
S104：系统效率确定步骤：各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
S105：临界阈值确定步骤：建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
S106：退磁老化判断步骤：提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S101中永磁同步电机输出数据包括：整车累计里程、驱动电机状态、驱动电机转速、驱动电机转矩、驱动电机温度、电机控制器输入电压和电机控制器直流母线电流。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S102中驱动电机温度范围为20-50℃。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S102中有效工况点确定具体为：选择驱动电机转速为额定转速的30％、60％、90％，转速允许偏差为额定转速的5％；选择驱动电机转矩为额定转矩的30％、60％、90％，转矩允许偏差为额定转矩的10％。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S103中根据永磁同步电机转矩方程和运动方程确定电机控制器直流母线电流随负载功率和整车累计里程数的合理变化范围，具体公式如下：
Figure FDA0003556147400000021
Figure FDA0003556147400000022
式中，Te为电磁转矩，单位为N·m；np为极对数，Lm为互感，单位为H；Lr为电机转子自感，单位为H；isT为旋转坐标系下定子电流转矩分量，单位为A；ψr为转子磁链，单位为Wb；ωm为转子机械角频率，单位为rad/s；Tm为负载转矩，单位为N·m；μ为转子负载粘滞摩擦因数；J为转动惯量，单位为kg·m2。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S103中电机系统效率的计算公式如下：
Figure FDA0003556147400000023
式中，n为驱动电机转速，单位为r/min；T为驱动电机转矩，单位为Nm；U为电机控制器输入电压，单位为V；I为电机控制器直流母线电流，单位为A。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
S106中永磁同步电机退磁老化程度的判断具体如下：
当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率第一次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁异常状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续两次同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁报警状态；当监测任一工况点的直流母线电流和电机系统效率在设定的间隔周期内连续三次以上同时达到报警阈值时，标记为永磁同步电机退磁故障状态。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测方法，其特征在于，
还包括S107：预警步骤：在判断永磁同步电机退磁老化程度为报警状态或者故障状态时，向电动汽车客户端推送预警信息。
9.一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取模块、有效工况确定模块、电流变化确定模块、效率确定模块、临界阈值确定模块和退磁老化判断模块；
数据获取模块，用于获取电动汽车永磁同步电机输出数据；
有效工况确定模块，用于在驱动电机状态为耗电状态、驱动电机温度在一定范围内，确定永磁同步电机退磁快速检测的有效工况；
电流变化确定模块，用于监测有效工况下，相同输出转矩对应的直流母线电流变化，确定电机控制器直流母线电流随电磁转矩和整车累计里程数的合理变化范围；
效率确定模块，用于各里程区间监测工况点下永磁同步电机系统效率，确定每个里程区间内永磁同步电机系统效率的合理区间；
临界阈值确定模块，用于建立驱动电机监测工况点的电机控制器直流母线电流和电机系统效率的实时数据库，确定各里程区间监测工况点下电机控制器直流母线电流和电机系统效率的临界阈值；
退磁老化判断模块，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
10.根据权利要求9所述的一种电动汽车永磁同步电机退磁快速检测系统，其特征在于，
还包括预警模块，与退磁老化判断模块连接，用于提取并分析车辆实时运行过程中电机控制器直流母线电流和电机系统效率相对于数据库中的数据，据此判断永磁同步电机退磁老化程度。
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