汽车生产力 | 新能源汽车关键部件运行安全特征分析
2026-05-1311
摘要：当前，中国新能源汽车保有量和产销量居世界首位，高速增长态势明显。但是，新能源汽车事故率高、运行安全隐患突出，影响人民群众生命财产安全，归其原因大都为电动汽车三大部件或整车部分存在安全隐患，并且没有得到正确调整。为实时准确监测包括电池部件、电机部件、电控部件和整车四个维度在内的工作状态，通过文献分析方式明晰各部件和整车常见安全隐患的故障机理，确定了各部件及整车相应的安全特征参数，为安全隐患的正确、快速检验提供科学指标。通过实时监测各部件及整车安全特征，可以提前洞悉各部件及整车的工作状态，精准识别故障发生部件，提高电动汽车风险识别水平，并为新能源汽车电子控制单元及时、快速进行正确调控提供可能。关键词：新能源汽车；电池部件；电机部件；电控部件；安全特征近几年，随着汽车产业的快速发展，我国新能源汽车产销量、保有量已跃居世界首位，并且持续高速增长态势明显。然而，随着电动汽车保有量的增加，运行安全问题也不断凸显。截至 2025年底，全国新能源汽车保有量突破千万，占汽车总量的 12.01%。然而，因起火风险召回的新能源汽车数量居高不下，其中 2025 年召回车265.2万辆。上述新能源汽车召回情况反映出目前相关检测技术有待改进。因此，为促进电动汽车行业健康发展，保障乘车人员的生命安全，新能源汽车全寿命周期内的运行安全问题是亟待解决的技术难题。本文梳理新能源汽车整车及各部件常见安全隐患的故障机理，确定各类隐患的安全特征参数，为控制单元快速、准确判断新能源汽车运行状态，提高运行安全水平提供可能。新能源汽车的核心部件包括电池、电机和电控三大部分，各个部件的正常运行是新能源汽车安全行驶的必要前提。电池是新能源汽车的主要动力来源，也是电动汽车的核心组成部分，其状态的好坏直接决定了车辆的表现性能。国标规定动力电池容量下降至额定容量的 80%时，将不再符合新能源汽车使用要求。若电池长期经受循环电滥用，则会加速其老化进程，降低整车续驶里程。此外，动力电池在遭受车辆碰撞时有可能发生机械滥用，严重可引发热失控，威胁乘车人员生命安全。电机是新能源汽车正常行驶的执行机构，其主要功能是将存储在动力电池内的电能转化为机械能。现阶段常见的新能源汽车用电机有永磁同步电机和交流异步电机。受环境、道路和驾驶员影响，车用电机运行条件复杂，长期会有短路和退磁的风险。因此，电机的可靠性和新能源汽车的行驶安全息息相关。新能源汽车使用频繁的电控部件有绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）、直流-直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）转换器、电机控制器等。电控部件的运行性能决定了新能源汽车能否正常执行相应功能。以 DC-DC 转换器为例，若该部件失效，则车辆上电器如空调、多媒体、灯光等将无法进行充电，影响车辆正常运行。热失控是电池安全隐患的最终故障形式，引发动力电池热失控的原因有很多，按诱因来源可分为因碰撞、挤压、穿刺等外部因素造成的机械滥用；以过充、过放等内部因素为主的电滥用和局部热滥用。电池热失控可能引发严重事故，因此，为防止电池部件出现安全隐患，有必要对电池部件安全特征进行分析。内短路一般指由于单体电池内部隔膜遭到破坏，致使锂电池正负极相互接触以形成电位差，进而导致持续放电和发热现象。电动汽车动力电池组常在复杂多变环境下工作，不可避免地要出现大电流的充放电、高低温的运行环境、雨水浸泡、振动等情况，这些均极易诱发内短路。机械滥用、电滥用、热滥用等都是内短路主要的触发形式。锂电池内短路在演变过程中，其内部温度升高，导致电极、电解质和隔膜之间发生复杂的化学反应，释放出大量热量，进一步加重内短路的程度。若电池管理系统不能及时进行干预，则锂电池内短路程度将持续增大，不断释放热量使温度急剧上升，最终引发热失控。外短路是指锂电池正负极两端直接并联一个非常小的电阻，引起锂电池快速放电的现象。外短路可能在意外漏水或油渍进入电池包、电池因外力变形、汽车振动引起的连接板连接线松动等情况下触发的。因外短路触发机理导致放电时电流极大，电池温度迅速升高，可能造成电池端子熔断，引发热失控。过充电和过放电均由锂电池内部因素所致。因串并联电池组中各单体存在不一致性，使得动力电池组无法完全充放电，否则会造成某些单体在超过充放电截止电压后仍继续充放电的现象。电池正常充电时，锂离子在负极形成固体电解质界面（Solidele Eleltrolyte Interface, SEI）膜只允许锂离子通过。若锂电池过充电则会在负极隔膜附近形成锂枝晶，穿透 SEI 膜，造成电池内部微短路，加速了锂电池内部的放热反应。随着锂枝晶的不断生长，将加剧微短路现象，电芯温度迅速上升并且将诱发一系列的副反应，最终引发锂电池出现热失控。因电池组各单体存在不一致性，若在放电过程中电池管理系统不能准确监测各单体放电状态，就会出现某单体过放电的现象，单体的电压可能变为负压，出现异常产热现象。此外，单体电池过放电还会引发容量下降的现象，负极的 SEI 膜分解，产生 CO 或 CO2 等气体导致电池膨胀。该单体再次充电时，锂离子扩散阻力将会增大，SEI 膜则在负极再次形成，损耗大量的锂离子，并且该损耗不可逆。因此，锂电池过放电会严重影响电池的健康状态。采用高硬度新材料箱体能有效防止因机械滥用造成的电池短路；电池过充、过放及容量异常衰退可通过及时更换异常单体来预防。是否出现电池安全隐患可由相关安全特征与正常阈值之间关系判断，各个车辆的正常阈值范围往往不同，一般参考国家标准并结合实车运行数据分析获得。其余部件安全隐患也可由此判断。永磁同步电机因具有结构简单、体积小、效率高等优点，成为当前电动汽车最常用电机。因永磁同步电机频繁在高温、高频振动环境下工作，使得其有匝间短路和退磁的安全隐患，并且温度也是其性能的影响因素。为准确识别电机故障，保障行车安全，需对相关安全特征参数进行分析。匝间短路作为电机一种典型的电气故障，是指相邻两个绕组线圈间的绝缘层损坏，使两个线圈搭接，构成一个故障回路的现象。故障演变机理为由于电机主磁通的作用，故障回路中会存在故障电流，引起短路处发热，不断损坏绝缘，最终导致局部绕组烧损，电机无法正常工作。匝间短路故障原因较为复杂，主要包括以下三点：1）在电机起动过程中，定子匝间绝缘体承受暂态过电压；2）定子绕组温度过高导致定子匝间绝缘体失效；3）电机振动导致定子绕组线圈相互接触、挤压、摩擦甚至损坏。在实际应用中，电机承受的各种过载电压是导致定子匝间绝缘体损伤的主要原因。另外，匝间短路也会引发永磁体退磁现象。匝间短路方面可提取的安全特征较多，如基于信号处理方法，通过快速傅里叶提取信号特征频率；基于电流分析法得到三相电流之间相位差、负序电流；基于电压分析法提取的电压信号；也可向电机注入一个远高于基频的高频谐波电压，提取对应谐波作为安全特征。永磁同步电机的永磁体在高频振动或高温等恶劣环境下易退磁。引发永磁体退磁的原因主要有由定子匝间或相间短路引起的高温、电枢反应（包含过流）和高频机械振动。当永磁同步电机发生退磁故障后，其特征信号会发生变化。可得，常用于退磁故障的安全特征包括径向磁感应强度、反电动势、定子电流和电磁转矩。匝间短路和退磁均可由电机温度过高引起，因此同电池相似，温度方面安全特征有电机温度过高、电机温升速率快等。因电机运行环境复杂，故建立更简化、精度高、动态特性好、通用性高的电机故障诊断模型，提高故障检测方法的鲁棒性，是当前电机检测技术的主要研究发展趋势。随着新能源汽车智能化、网联化的发展，汽车电控部件检测技术的重要地位越来越突出。为减少电控部件故障率，分析其安全特征也是必要的。电机控制器作为保障电机甚至整车正常高效运转的部件，对于其故障检测管理的研究十分重要。电机控制器性能同样温度影响较大，因此，温度方面安全特征同电池部件相似，有电机控制器温度过高和温升速率快等。DC-DC 控制器的作用是把电动汽车动力电池系统的高压电转换成低压电，最终给整车低压用电器供电。DC-DC 变换器中故障发生概率大的器件主要包括电解电容器、开关晶体管和功率二极管，其中功率开关管是电力电子变换器中最脆弱的一环，据统计，开关管故障占变换器总故障的21%。NIE 等提出了一种利用磁分量电压进行开关故障诊断的快速方法，基于实时电压测量和开关栅极驱动信号，快速提取开关开路故障和短路故障的特征；RIBEIRO 等提出了一种仅利用直流链路电流导数符号特征的交错 DC-DC变换器故障诊断方法，对正常模式和故障模式的直流链路电流导数进行了深入研究，在由导通模式中的开关数量定义的不同时间间隔内，其符号变化包含短路故障检测的重要信息。此外，DC-DC 控制器性能同样温度影响较大，因此，温度方面安全特征有 DC-DC 控制器温度过高和温升速率快等。部件安装固定良好，具备一定防水性能，引线插头选材合理，避免长时间高负荷工作等均能有效抑制电控部件安全隐患的发生。电动汽车动力失控事故时常发生，往往由整车加速异常和制动异常所致。为及时、准确监测电动汽车的加速性能和制动性能，需对其安全特征进行分析。另外，与传统汽车不同，电动汽车由动力电池组提供高压电，一般可达 300～800 V，若绝缘电阻异常，则会危害乘车人员生命安全。因此，还需对绝缘电阻进行检测。启动异常加速是指汽车启动加速时出现加速缓慢，加速不稳定等异常现象。车辆加速异常与突变，会影响驾驶员判断，引起恐慌，造成误操作，影响行车与道路安全。电动车突然加速可能由以下原因导致：电动车电位器出现了故障；电动车调速把出现了故障；加速系统异常；电池部件异常导致电流不稳定。汽车制动系统在长期使用之后，各个零部件由于磨损、老化甚至断裂等，都会造成制动功能失效，影响汽车驾驶的安全性。不同的制动系统结构会有不同的故障原因，通过查阅文献，最终确定制动系统的四种故障模式：基本功能失效、刹车不灵敏、制动拖滞和制动跑偏。经上述分析可知，整车加速异常和制动异常的最终体现均是加速度异常，因此，加速度变化率可作为整车加速安全和制动安全的特征参数。由动力电池组组成的电动汽车高压电系统是一种不接地系统，即高压母线与车辆底盘之间没有直接的电气连接，所以高压母线与底盘之间是绝缘的。一般用高压母线和车辆底盘之间的绝缘电阻来表征整车的绝缘性能。绝缘电阻关系到车辆人员的人身安全，《电动汽车安全要求》（GB 18384－2020）中规定绝缘电阻相关的检测要求，有平衡电桥法、低频信号注入法等。出现行车异常隐患需及时进行车辆检查及维修，保证行车安全；采用更加可耐的绝缘材料、保证绝缘子紧固、定期进行整车保养等可有效预防整车绝缘失效。电动汽车安全行驶依赖于电池部件、电机部件、电控部件和整车四方面的正常工作，若其中某环节出现安全隐患，将影响电动汽车正常行驶，严重甚至危害车内乘员生命安全。通过对电动汽车包括电池、电机、电控部件和整车在内的常见隐患故障机理进行分析，明晰了各部件常见故障的发生原因，并分别提出了相应的安全特征参数及预防措施。其中，电池部件安全特征包括电压、内阻、温度及温升速率等；电机部件包括三相电流相位差、磁感应强度、温度及温升速率等；电控部件包括磁分量电压、电流导数、温度及温升速率等；整车包括加/减速度变化率、绝缘电阻等。上述安全特征的确定有助于实时监测各部件是否出现异常状态，降低事故发生率，提高电动汽车运行安全，推动我国电动汽车行业持续发展。
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