Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái - Luận án Tunan Shen (Đại học Stuttgart, 2021)

Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái: phân tích lỗi, thuật toán chẩn đoán tiên tiến và giải pháp khắc phục tối ưu.

Trường ĐH

Universität Stuttgart

Chuyên ngành

Fahrzeugtechnik / Kraftfahrzeug-Mechatronik

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

144

Thời gian đọc

22 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Tổng quan chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái
Số trang:
144 trang
Trường:
Universität Stuttgart
Chuyên ngành:
Fahrzeugtechnik / Kraftfahrzeug-Mechatronik
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Tổng quan chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái

Xe điện tự lái đòi hỏi độ tin cậy vận hành rất cao. Phương tiện dịch vụ vận tải hoạt động liên tục mỗi ngày. Sự cố kỹ thuật bất ngờ gây thiệt hại lớn về kinh tế. An toàn của hành khách luôn là ưu tiên hàng đầu. Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái giữ vai trò cốt lõi. Nhiệm vụ này giúp phát hiện sớm mọi dấu hiệu bất thường. Cụm truyền động bao gồm pin, biến tần, động cơ và hộp số. Các bộ phận này liên kết chặt chẽ qua mạng truyền thông nội bộ. Giám sát trạng thái hoạt động theo thời gian thực ngăn ngừa nguy cơ tai nạn. Quá trình kiểm tra liên tục giúp nâng cao hiệu suất xe. Hệ thống thu thập dữ liệu vận hành từ các cảm biến chuyên dụng. Thuật toán thông minh phân tích thông số và đưa ra cảnh báo kịp thời. Nền tảng chẩn đoán hiện đại tối ưu hóa chi phí bảo dưỡng định kỳ. Phương tiện duy trì trạng thái sẵn sàng phục vụ cao nhất trên mọi cung đường.

1.1. Tích hợp hệ thống điều khiển xe VCU trong vận hành

Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò đầu não trên xe điện. Nhiệm vụ chính là điều phối mô-men xoắn và quản lý năng lượng. Đơn vị này giám sát toàn bộ dòng dữ liệu trên mạng CAN bus. Cấu trúc phần mềm xử lý tín hiệu từ các cảm biến bàn đạp và hệ thống lái tự động. Trong kiến trúc này, hệ thống điều khiển xe VCU (Vehicle Control Unit) chịu trách nhiệm đưa ra quyết định chấp hành. Bộ điều khiển liên tục theo dõi tình trạng của từng bộ phận chấp hành. Khi phát hiện sai lệch thông số, cơ chế bảo vệ lập tức được kích hoạt. Lệnh điều khiển giảm công suất giúp ngăn chặn hư hỏng lan rộng. Các thuật toán ước lượng trạng thái hoạt động độc lập nhằm kiểm tra chéo dữ liệu. Điều này loại bỏ nguy cơ lỗi tín hiệu giả từ cảm biến. Mọi sự kiện bất thường đều được ghi nhận vào bộ nhớ vĩnh viễn. Nhờ đó, việc truy xuất lịch sử vận hành diễn ra minh bạch và chuẩn xác.

1.2. Ứng dụng hệ thống truyền động drive by wire an toàn

Công nghệ tự hành loại bỏ hoàn toàn các liên kết cơ khí truyền thống giữa người lái và bánh xe. Mọi mệnh lệnh tăng tốc hay chuyển hướng đều chuyển thành tín hiệu số. Thiết kế này giải phóng không gian cơ khí và tăng tốc độ đáp ứng. Cấu trúc hệ thống truyền động drive-by-wire đòi hỏi mức độ dự phòng phần cứng rất nghiêm ngặt. Mỗi mạch điều khiển đều có kênh phụ trợ chạy song song. Khi kênh chính gặp sự cố, kênh dự phòng lập tức tiếp quản điều khiển trong mili-giây. Cảm biến góc quay và vị trí mô-tơ sử dụng nguyên lý đo kép. Bộ vi xử lý so sánh liên tục giá trị đo giữa hai kênh cảm biến. Mọi sự mất đồng bộ đều kích hoạt cảnh báo nguy cấp. Hệ thống tự động chuyển sang chế độ giới hạn tốc độ để bảo đảm an toàn. Thiết kế phân tầng giúp duy trì quyền kiểm soát phương tiện trong mọi tình huống.

1.3. Tuân thủ tiêu chuẩn an toàn chức năng ISO 26262 quốc tế

Phát triển xe tự lái bắt buộc phải đáp ứng các quy chuẩn an toàn khắt khe nhất. Quá trình thiết kế hệ thống điện và điện tử phải kiểm soát triệt để mọi rủi ro tiềm ẩn. Toàn bộ quy trình phát triển tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn an toàn chức năng ISO 26262. Cấp độ an toàn ASIL D áp dụng cho các chức năng truyền động quan trọng. Đánh giá rủi ro định lượng xác định tỷ lệ hư hỏng phần cứng ngẫu nhiên. Các phương pháp chẩn đoán chuyên sâu giúp phát hiện kịp thời lỗi phần mềm tiềm ẩn. Cơ chế kiểm tra giám sát phần cứng hoạt động liên tục trong suốt vòng đời xe. Hệ thống tự động chuyển đổi sang trạng thái an toàn tối thiểu khi xảy ra lỗi nghiêm trọng. Phương tiện có thể tự tấp vào lề đường mà không gây nguy hiểm cho giao thông. Tài liệu hóa quy trình thử nghiệm đảm bảo tính pháp lý và độ tin cậy kỹ thuật.

II. Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái qua UDS

Giao tiếp chẩn đoán chuẩn hóa tạo nền tảng vững chắc cho việc bảo dưỡng xe điện. Mạng lưới vi điều khiển trên xe cần một ngôn ngữ chung để truyền tải dữ liệu lỗi. Các công cụ quét chuyên dụng kết nối với cổng giao tiếp trung tâm để đọc thông tin. Quá trình này diễn ra nhanh chóng và chính xác. Việc chẩn đoán không chỉ phục vụ giai đoạn bảo dưỡng tại xưởng. Trên xe tự hành, việc tự chẩn đoán nội bộ diễn ra liên tục theo từng chu kỳ điều khiển. Các thuật toán giám sát quét qua từng bộ điều khiển điện tử trên đường truyền. Dữ liệu thời gian thực được trích xuất để đánh giá tức thời sức khỏe hệ thống. Mọi bất thường đều được gắn cờ và phân loại theo mức độ nghiêm trọng. Nền tảng chẩn đoán tiêu chuẩn hóa giúp giảm thời gian dừng xe và tối ưu chi phí vận hành.

2.1. Ứng dụng giao thức chẩn đoán UDS ISO 14229 hiện đại

Chuẩn giao tiếp quốc tế giúp đồng bộ hóa quy trình trao đổi dữ liệu giữa các hộp điều khiển. Nền tảng này định nghĩa rõ ràng các dịch vụ yêu cầu và phản hồi thông tin chẩn đoán. Việc triển khai giao thức chẩn đoán UDS ISO 14229 cho phép truy cập sâu vào từng phân vùng bộ nhớ ECU. Hệ thống hỗ trợ đọc dữ liệu cảm biến trực tiếp qua mã định danh DID chuyên biệt. Các kiểm tra cơ cấu chấp hành được thực hiện an toàn thông qua dịch vụ điều khiển kiểm tra Routine Control. Tính năng mã hóa bảo mật ngăn chặn các truy cập trái phép vào mạng điều khiển xe. Giao thức này hoạt động hiệu quả trên cả mạng CAN FD và giao thức Ethernet DoIP băng thông cao. Nhờ đó, tốc độ truyền tải gói tin chẩn đoán tăng lên vượt bậc. Phương tiện tự hành có thể tự động gửi báo cáo kỹ thuật chi tiết về trung tâm vận hành.

2.2. Quy trình chẩn đoán mã lỗi DTC xe tự lái tức thời

Mỗi sự cố kỹ thuật trên xe đều được mã hóa theo cấu trúc ký tự chuẩn quốc tế. Cấu trúc mã lỗi cung cấp thông tin chính xác về vị trí và bản chất của hư hỏng. Quy trình chẩn đoán mã lỗi DTC xe tự lái kích hoạt ngay khi cảm biến ghi nhận thông số vượt ngưỡng. Bộ nhớ lưu trữ lập tức chụp lại khung dữ liệu đóng băng Freeze Frame tại thời điểm xảy ra sự cố. Dữ liệu này bao gồm điện áp pin, dòng điện động cơ, nhiệt độ và tốc độ xe. Thuật toán lọc nhiễu loại bỏ các mã lỗi tạm thời do biến động nguồn cục bộ. Chỉ những lỗi lặp lại hoặc lỗi nghiêm trọng mới kích hoạt trạng thái cảnh báo chính thức. Bảng phân loại mức độ nguy hiểm giúp hệ thống tự hành chọn phương án xử lý thích hợp. Xe có thể tiếp tục hành trình hoặc tìm điểm dừng an toàn gần nhất.

2.3. Tích hợp chẩn đoán từ xa qua hạ tầng đám mây

Xe tự lái dịch vụ cần duy trì kết nối mạng không dây liên tục với trung tâm điều hành. Dữ liệu chẩn đoán thời gian thực được đóng gói và mã hóa trước khi truyền qua mạng 5G. Hệ thống đám mây tiếp nhận hàng triệu luồng thông số kỹ thuật từ toàn bộ đội xe. Máy chủ phân tích dữ liệu lớn phát hiện các xu hướng suy giảm hiệu suất trên từng cụm truyền động. Khi phát hiện linh kiện có nguy cơ hỏng hóc, hệ thống tự động lên lịch bảo dưỡng tại trạm dịch vụ. Cập nhật phần mềm từ xa OTA giúp vá lỗi và nâng cấp thuật toán điều khiển mà không cần đưa xe về xưởng. Khả năng giám sát từ xa giúp giảm thiểu tối đa thời gian xe ngừng hoạt động. Đội xe duy trì hiệu suất khai thác cao và mang lại sự an tâm tuyệt đối cho khách hàng.

III. Chẩn đoán pin và hệ thống truyền động xe điện tự lái

Bộ pin cao áp là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho toàn bộ hệ thống truyền động. Hiệu suất và tuổi thọ pin ảnh hưởng trực tiếp đến tầm hoạt động của xe điện. Việc giám sát pin đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối ở từng cell pin riêng lẻ. Biến động nhiệt độ hoặc mất cân bằng điện áp có thể dẫn đến suy giảm dung lượng nghiêm trọng. Chẩn đoán trạng thái pin giúp ngăn chặn các nguy cơ cháy nổ nguy hiểm. Đồng thời, nhiệt độ của mô-tơ điện kéo cũng cần được theo dõi liên tục trong suốt quá trình xe tăng tốc và phanh tái sinh. Sự phối hợp giữa kiểm soát nhiệt và năng lượng đảm bảo xe vận hành ổn định. Các giải thuật chẩn đoán tiên tiến liên tục tính toán giới hạn công suất cho phép. Phương tiện tự hành nhờ đó luôn duy trì được hiệu quả tiêu thụ điện năng tối ưu.

3.1. Kỹ thuật chẩn đoán hệ thống BMS pin lithium ion cao cấp

Quản lý pin thông minh là yếu tố then chốt quyết định độ bền của khối nguồn cao áp. Bộ vi xử lý chuyên dụng thực hiện đo đạc liên tục điện áp từng cell và nhiệt độ các điểm nóng. Quy trình chẩn đoán hệ thống BMS pin lithium-ion ứng dụng các mô hình mạch điện tương đương ECM chính xác. Thuật toán lọc Kalman mở rộng ước lượng chính xác trạng thái sạc SOC và trạng thái sức khỏe SOH của pin. Khi phát hiện hiện tượng chênh lệch điện áp giữa các cell, mạch cân bằng chủ động lập tức hoạt động. Cơ chế ngắt kết nối rơ-le cao áp bảo vệ hệ thống khi phát hiện hiện tượng quá dòng hoặc đoản mạch. Cảnh báo sớm về suy thoái dung lượng giúp doanh nghiệp chủ động thay thế các module pin lão hóa. Việc này duy trì tầm hoạt động tối ưu và đảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ.

3.2. Quy trình giám sát nhiệt độ động cơ điện kéo liên tục

Động cơ điện kéo tạo ra mô-men xoắn lớn trong không gian lắp đặt nhỏ gọn. Dòng điện cường độ cao liên tục chạy qua cuộn dây stato sinh ra lượng nhiệt rất lớn. Quy trình giám sát nhiệt độ động cơ điện kéo kết hợp giữa cảm biến nhiệt độ vật lý và mô hình nhiệt phần mềm. Thuật toán mô phỏng dự đoán chính xác nhiệt độ tại các điểm nóng bên trong rotor mà cảm biến không thể tiếp cận trực tiếp. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn cho phép, biến tần tự động giảm giới hạn dòng điện đỉnh. Hệ thống làm mát bằng dung dịch tăng tốc độ bơm tuần hoàn để hạ nhiệt nhanh chóng. Việc ngăn chặn quá nhiệt cuộn dây bảo vệ lớp cách điện không bị thoái hóa theo thời gian. Động cơ duy trì hiệu suất sinh công cao và kéo dài tuổi thọ vận hành bền bỉ.

3.3. Giám sát suy thoái dung lượng và cân bằng cell pin

Hiện tượng chai pin xảy ra do các phản ứng hóa học không thuận nghịch bên trong cell điện hóa. Lớp màng thụ động phát triển làm gia tăng nội trở của pin theo số chu kỳ sạc xả. Thuật toán chẩn đoán trực tuyến theo dõi sự thay đổi của nội trở để đánh giá mức độ lão hóa. Phương pháp phân tích đường cong điện áp vi phân giúp nhận diện sự mất mát vật liệu hoạt tính. Mạch cân bằng năng lượng chuyển dịch điện tích giữa các cell có mức năng lượng khác nhau. Quá trình này giúp tối đa hóa dung lượng khả dụng của toàn bộ khối pin cao áp. Việc ngăn chặn hiện tượng sạc quá mức hoặc xả kiệt bảo vệ cấu trúc hóa học của pin. Khối pin duy trì được hiệu suất xả dòng ổn định phục vụ cho các pha tăng tốc liên tục.

IV. Bảo trì dự đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái mới

Chuyển đổi từ bảo dưỡng định kỳ sang bảo trì dự đoán là bước tiến lớn trong quản lý phương tiện thông minh. Xe tự lái cần giảm thiểu tối đa thời gian dừng xe ngoài kế hoạch để tối ưu hiệu quả kinh doanh. Phương pháp chẩn đoán truyền thống chỉ phát hiện lỗi sau khi sự cố đã xảy ra. Ngược lại, kỹ thuật dự đoán nhận diện các dấu hiệu hư hỏng tiềm ẩn từ giai đoạn rất sớm. Dữ liệu đo đạc liên tục từ cảm biến tải trọng, độ rung và âm thanh cung cấp bức tranh toàn cảnh về hao mòn cơ khí. Phân tích xu hướng dữ liệu lịch sử cho phép dự báo chính xác thời điểm hỏng hóc của linh kiện. Doanh nghiệp vận tải có thể chuẩn bị sẵn phụ tùng và lên lịch sửa chữa vào ban đêm. Nhờ đó, hiệu suất vận hành của đội xe luôn đạt mức tối đa.

4.1. Kỹ thuật phân tích rung động hộp số giảm tốc chính xác

Hộp số giảm tốc trên xe điện thường có tỷ số truyền đơn cấp và chịu mô-men xoắn tức thời rất lớn. Ổ bi và các cặp bánh răng hành tinh đối mặt với ứng suất tiếp xúc liên tục ở vận tốc quay cao. Kỹ thuật phân tích rung động hộp số giảm tốc sử dụng cảm biến gia tốc băng thông rộng gắn trực tiếp trên vỏ hộp số. Tín hiệu rung động thô được xử lý qua phép biến đổi Fourier nhanh FFT và phân tích sóng con Wavelet. Thuật toán trích xuất các tần số ăn khớp bánh răng đặc trưng để phát hiện sớm vết nứt chân răng hoặc tróc rỗ bề mặt ổ bi. Nhận diện sớm các bất thường cơ khí ngăn ngừa nguy cơ kẹt cứng hộp số khi xe đang di chuyển. Quá trình sửa chữa được tiến hành kịp thời trước khi hư hỏng lan sang các chi tiết cơ khí lân cận.

4.2. Triển khai bảo trì dự đoán hệ thống truyền động xe điện

Trí tuệ nhân tạo và học máy mở ra kỷ nguyên mới cho công tác quản lý kỹ thuật xe tự hành. Các mô hình mạng nơ-ron học sâu được huấn luyện trên dữ liệu vận hành thực tế của hàng ngàn phương tiện. Chiến lược bảo trì dự đoán hệ thống truyền động xe điện tổng hợp thông tin từ nhiệt độ, rung động và dòng điện tiêu thụ. Mô hình ước lượng tuổi thọ hữu ích còn lại RUL của từng linh kiện với độ chính xác cao. Hệ thống đưa ra khuyến nghị can thiệp kỹ thuật trước khi hiệu suất vận hành giảm xuống dưới ngưỡng tiêu chuẩn. Doanh nghiệp vận hành đội xe chủ động hoàn toàn trong việc điều phối phương tiện vào trạm dịch vụ. Chi phí sửa chữa khẩn cấp giảm mạnh và tính an toàn của dịch vụ tự hành được nâng cao rõ rệt.

4.3. Mô hình dự báo tuổi thọ còn lại của cụm truyền động

Ước tính tuổi thọ còn lại RUL là chỉ số quan trọng trong bảo trì thông minh. Mô hình kết hợp giữa vật lý hư hỏng và thuật toán học máy thống kê dữ liệu. Phương pháp này mô phỏng quá trình tích lũy mỏi cơ học và thoái hóa vật liệu cách điện theo tải trọng thực tế. Các kịch bản vận hành thực tế như leo dốc, tăng tốc gắt và phanh gấp được đưa vào tính toán mức độ tổn hao tích lũy. Kết quả dự báo liên tục được hiệu chỉnh nhờ dữ liệu cảm biến thời gian thực. Báo cáo kỹ thuật chi tiết chỉ rõ tỷ lệ phần trăm tuổi thọ đã tiêu hao của từng cụm cơ khí. Người quản lý kỹ thuật dễ dàng đưa ra quyết định thay thế linh kiện đúng thời điểm. Điều này loại bỏ lãng phí do thay thế linh kiện quá sớm hoặc rủi ro khi thay thế quá muộn.

V. Kiểm soát biến tần hệ thống truyền động xe điện tự lái

Bộ biến tần đóng vai trò cầu nối chuyển đổi dòng điện một chiều DC từ pin thành dòng điện xoay chiều AC ba pha cho mô-tơ kéo. Bộ phận này quyết định khả năng đáp ứng mô-men xoắn và độ mượt mà khi tăng tốc của xe điện. Hoạt động đóng cắt tần số cao sinh ra ứng suất nhiệt và điện áp lớn lên các khóa bán dẫn công suất. Bất kỳ lỗi ngắn mạch hay hở mạch nào bên trong biến tần đều có thể làm xe mất lực kéo đột ngột. Do đó, việc giám sát trạng thái biến tần cần tốc độ phản hồi tính bằng micro-giây. Các cảm biến dòng điện và điện áp cực nhạy bảo vệ mạch lực khỏi hiện tượng quá áp và quá dòng. Nền tảng chẩn đoán tích hợp giúp xác định chính xác vị trí van công suất bị lỗi. Xe tự lái nhờ đó luôn duy trì sự ổn định và an toàn điện áp cao.

5.1. Cơ chế kiểm soát và giám sát biến tần inverter đa tầng

Mạch điều khiển xung PWM cần được giám sát chặt chẽ để đảm bảo tín hiệu kích mở van luôn chính xác. Các vi điều khiển chuyên dụng thực hiện đo kiểm dòng pha và điện áp bus DC liên tục. Hệ thống kiểm soát và giám sát biến tần inverter phát hiện ngay lập tức các hiện tượng bão hòa từ hoặc lệch pha dòng điện. Khi phát hiện nguy cơ ngắn mạch nhánh van, mạch kích cổng Gate Driver tự động kích hoạt tính năng khử bão hòa bảo vệ. Tín hiệu xung đóng cắt lập tức bị khóa để ngăn dòng ngắn mạch phá hủy linh kiện bán dẫn. Thuật toán kiểm tra chéo giữa lệnh điều khiển và phản hồi cảm biến phát hiện nhanh các lỗi cảm biến dòng Hall. Nhờ vậy, bộ biến tần luôn hoạt động trong vùng vận hành an toàn SOA và đạt hiệu suất chuyển đổi cao nhất.

5.2. Chẩn đoán suy hao nhiệt và đóng cắt khóa bán dẫn

Các module công suất IGBT hoặc SiC MOSFET chịu chu trình nhiệt khốc liệt do thay đổi tải liên tục. Sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa chip bán dẫn và đế đồng gây ra nứt lớp hàn và bong tróc dây nối dây nhôm. Chẩn đoán trạng thái suy hao nhiệt dựa trên việc theo dõi điện áp rơi thuận Vce khi dẫn dòng và điện trở nhiệt tiếp giáp Rth. Thuật toán ước lượng nhiệt độ điểm tiếp giáp bán dẫn theo thời gian thực mà không cần lắp đặt thêm cảm biến nhiệt độ bên trong chip. Khi điện trở tiếp xúc tăng vượt ngưỡng tiêu chuẩn, hệ thống ghi nhận cảnh báo suy thoái phần cứng. Việc này ngăn chặn sự cố nổ van công suất thảm khốc khi xe đang vận hành ở tốc độ cao trên đường cao tốc.

5.3. Chiến lược ứng phó sự cố và chế độ vận hành an toàn

Khi phát hiện sự cố không thể khắc phục ngay, hệ thống tự hành phải kích hoạt chiến lược phản ứng khẩn cấp. Bộ điều khiển chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ vận hành dự phòng Limp-Home Mode. Trong trường hợp hỏng một nhánh van biến tần, thuật toán điều khiển tái cấu trúc cho phép mô-tơ chạy ở chế độ hai pha với công suất giới hạn. Xe tự động giảm tốc độ và kích hoạt đèn cảnh báo khẩn cấp. Hệ thống điều hướng tự động tìm kiếm vị trí an toàn gần nhất như làn dừng khẩn cấp để đưa xe vào đỗ. Cơ chế điều khiển mô-men xoắn an toàn ngăn chặn hiện tượng bánh xe bị bó cứng đột ngột gây trượt bánh. Quy trình này bảo vệ tính mạng hành khách và các phương tiện cùng tham gia giao thông.

Mục lục chi tiết luận án

Preface
Contributions of the Thesis
Organization of the Thesis
Scope of the Thesis
3. Background and State of the Art
3.1. Fault Diagnostic Methods
3.1.1. Signal-based Fault Detection Methods
3.1.2. Model-based Fault Detection Methods
3.1.3. Data-based Fault Detection Methods
3.2. Signal Processing Techniques
3.2.1. Time Domain Features
3.2.2. Frequency Domain Features
3.2.3. Time Frequency Domain Features
3.3. Machine Learning Algorithms
3.3.1. Artificial Neural Network
4. Diagnosis of Electrical Faults in Electric Machines
4.1. Related Works and Current Challenges
4.2. Contributions of the Thesis
4.3. Analytical Modeling of Faults
4.3.1. Analytical Modeling of a Healthy PMSM
4.3.2. Analytical Modeling of PMSM with TSC
4.3.3. Analytical Modeling of PMSM with PSC
4.3.4. Analytical Modeling of PMSM with UWR
4.3.5. Analytical Modeling of PMSM with Sensor Faults
4.4. Analysis of the Behavior of a PMSM in Different Conditions
4.5. Physical Model based Diagnostic Model
4.6. Self Condition Monitoring (SCM) Diagnostic Model
4.7. Fleet Data-based Fault Diagnostic Model
4.8. Multi-stage Diagnostic Concept
5. Diagnosis of Mechanical Faults in Electric Machines
5.1. Fault Mechanisms of Bearing
5.2. Current Challenges and Contribution of the Thesis
5.3. Contributions of the Thesis
5.4. Data Set Description
5.5. Evaluation of Features
5.6. Validation with Other eAxles
6. Conclusion and Outlook
Abbreviations
Symbols
Abstract
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Diagnosis of the powertrain systems for autonomous electric vehicles

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (144 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Tunan Shen Diagnosis of the Powertrain Systems for Autonomous Electric Vehicles Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Reihe herausgegeben von Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Das Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS) an der Universität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simu- lation.

Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftüber- tragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybri- den und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromo- bilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareentwick- lung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüf- standsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrangprüfs- tand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal.

Die wis- senschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstätigkeiten am IFS. Reihe herausgegeben von Prof. Michael Bargende Prof. Hans-Christian Reuss Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart Universität Stuttgart Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland Prof.

Jochen Wiedemann Lehrstuhl Kraftfahrwesen Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Weitere Bände in der Reihe https://link.com/bookseries/13535 Tunan Shen Diagnosis of the Powertrain Systems for Autonomous Electric Vehicles Tunan Shen Institute of Automotive Engineering (IFS), Chair of Automotive Mechatronics University of Stuttgart Stuttgart, Germany Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2021 D93 ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic) Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-36991-0 ISBN 978-3-658-36992-7 (eBook) https://doi.1007/978-3-658-36992-7 © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive license to Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, part of Springer Nature 2022 This work is subject to copyright. All rights are solely and exclusively licensed by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprint- ing, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.

The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, expressed or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Responsible Editor: Stefanie Eggert This Springer Vieweg imprint is published by the registered company Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH part of Springer Nature.

The registered company address is: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Preface I believe that the electric vehicle revolution is coming and automated driving will come soon. Then, most people may not own a car in future any more, but hire self-driving, electric ride-shares to get around. For those autonomous electric vehicles, which owned by ride-share companies, the reliability and availability are more important than today’s private owned cars.

I want to be a part of the change, so I decided to pursue my PhD in the area of diagnosis of powertrain system for autonomous electric vehicles since 2017, after three years working at Robert Bosch GmbH. My deep gratitude goes to my supervisor Prof. Hans-Christian Reussfor his endless support, enthusiasm, knowledge and friendship. I am extremely grateful to my supervisors at Robert Bosch GmbH Dr.

Ahmet Kilic and Dr. Christian Thulfaut for the valuable support and motivation. Their insights and advice give me a great help. Special thanks to Dr.

Norbert Müller and Dr. Achim Henkel for giving me the chance to carry out this work at Corporate Sector Research and Advance Engi- neering at Robert Bosch GmbH in Renningen. My appreciation also extends to Adam Babik, Dr. Andreas Vogt, Dr.

Andreas Schönknecht, Daniel Acs, Dr. Deng Shi, Erik Hoevenaars, Dr. Paul Mehringer, Rajaram Suresh and Yuping Chen for your valuable comments on this work and all my colleagues for the wonderful cooperation as well. Furthermore, I want to thank my wife Shiang and my parents.

You believed in me when I was doubt. You kept me motivated through my darkest thoughts. Finally, I would like to thank my daughter Cindy. Thank you for coming into my life.

Thank you for making me smile like crazy. Thank you for making me happy. Leonberg Tunan Shen Inhaltsverzeichnis Preface.3 Contributions of the Thesis .4 Organization of the Thesis .5 Scope of the Thesis. 10 3 Background and State of the Art .1 Fault Diagnostic Methods .1 Signal-based Fault Detection Methods .2 Model-based Fault Detection Methods .3 Data-based Fault Detection Methods.2 Signal Processing Techniques .1 Time Domain Features.3 Frequency Domain Features.5 Time Frequency Domain Features .3 Machine Learning Algorithms .3 Artificial Neural Network.

23 4 Diagnosis of Electrical Faults in Electric Machines .1 Related Works and Current Challenges .2 Contributions of the Thesis .3 Analytical Modeling of Faults.1 Analytical Modeling of a Healthy PMSM .2 Analytical Modeling of PMSM with TSC .3 Analytical Modeling of PMSM with PSC .4 Analytical Modeling of PMSM with UWR .5 Analytical Modeling of PMSM with Sensor Faults .4 Analysis of the Behavior of a PMSM in Different Conditions .7 Physical Model based Diagnostic Model .8 Self Condition Monitoring (SCM) Diagnostic Model .9 Fleet Data-based Fault Diagnostic Model .10 Multi-stage Diagnostic Concept. 65 5 Diagnosis of Mechanical Faults in Electric Machines.1 Fault Mechanisms of Bearing .3 Current Challenges and Contribution of the Thesis .2 Contributions of the Thesis .4 Data Set Description .3 Evaluation of Features .6 Validation with Other eAxles .101 6 Conclusion and Outlook.1 Failure mechanism of a battery fire .2 Distribution of fragile components.3 Distribution of failed components in electric machines .1 Scheme of a signal-based fault detection method .2 Scheme of a model-based fault detection method .3 Scheme of a data-based fault detection method .4 Envelope of a vibration signal.5 An example of STFT. (a) Quadratic chirp signal; (b) STFT of quadratic chirp signal.6 A schematic structure of decision tree .7 (a) Distance-based anomaly detection; (b) Density-based anomaly detection.8 Diagram of an artificial neuron .9 Structure of neural network .1 Equivalent circuit of healthy and faulty stators of PMSM.2 The difference of a current sensor in healthy and faulty conditions.3 Operating area of PMSM.4 Current and torque of machine in different conditions at operating point Tre f = 100 Nm, nmech = 5000 rpm.5 Comparison of the three phase currents of healthy and faulty con- ditions at operating point Tre f = 40 Nm, nmech = 4000 rpm .6 Comparison of symptoms in different conditions .7 The tree structure of decision tree model .8 Normalized confusion matrices of the physical model on (a) trai- ning and (b) test data .9 Wrong predictions of the physical model .10 Distribution of distance .11 Confusion matrices of the SCM model on (a) training and validation data and (b) test data.12 Wrong predictions of the SCM model .13 Confusion matrices of NN model on (a) training, (b) validation and (c) test data.14 Comparison of the probabilities of right and wrong predictions .15 Comparison the probabilities of right and wrong predictions .16 Confusion matrices of (a) physical model, (b) SCM model and (c)NN model on test data .17 Confusion matrices of the physical model at (a) frequently driven point, (b) low speed point, (c) high speed point.18 Confusion matrices of combined models.19 Multi-class confusion matrices of combined model at (a) 1st stage, (b) 2nd stage, and (c) 3rd stage.1 Rolling element bearing. (a) Structure of a rolling element bearing; (b) Pictures of defective bearings.2 Ramp tests over lifetime.3 Rms at different measurement time and speeds.4 The noisy data.5 The filtered data.6 Rms of bearing 2-3 in XJTU-SY data set.7 Rms of an eAxle.8 Process from raw data to health indicator .9 Normalized Rms in different clusters.10 Rms as a health indicator.11 Cage characteristic feature Pwr f t f of bearing 2-3.12 Cage characteristic feature Env f t f of bearing 2-3.13 Spectrogram of a ramp test.14 The first three harmonics of FTF.15 Cage characteristic feature Pwr f t f of an eAxle.16 Cage characteristic feature Env f t f of an eAxle.17 Spectrogram of ramp test No.18 Spectrogram of ramp test No.19 Spectrogram of ramp test No.20 Medianspec over the time.21 Comparison of features.22 The ranking of sensitivity.23 The ranking of monotonicity.24 Feature P2P of four eAxles.25 Feature Env f t f of four eAxles.26 Feature Medianspec of four eAxles.27 Anomaly score of eAxle1.28 Prediction of the Medianspec curves.29 Comparison of the synthetic and true Medianspec curves.30 Prediction of the synthetic Medianspec curve.1 Time domain features .3 Characteristic frequencies of bearing faults.4 Typical activation functions.1 Parameters of PMSM.2 Extracted time domain and statistical features.3 Comparison of time domain and statistical features in different conditions .4 Comparison of harmonic features in different conditions .5 The number of samples .7 Hyperparameters of NN model .8 Evaluation of single models .9 Evaluation of combined models.10 Evaluation of models with unknown faults.1 A short overview of open accessed bearing data sets .2 A list of features used for bearing RUL prediction.3 Comparison of two data sets.4 A list of extracted features from the eAxle data set.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Tunan Shen (2021). Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái [Luận án tiến sĩ, Universität Stuttgart]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-giao-thong-van-tai/ky-thuat-o-to/chan-doan-he-thong-truyen-dong-xe-dien-tu-lai

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" nghiên cứu về vấn đề gì?

Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái: phân tích lỗi, thuật toán chẩn đoán tiên tiến và giải pháp khắc phục tối ưu.

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Universität Stuttgart. Năm bảo vệ: 2021.

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" thuộc chuyên ngành Fahrzeugtechnik / Kraftfahrzeug-Mechatronik. Danh mục: Kỹ Thuật Ô Tô.

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" có bao nhiêu trang?

Luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" có 144 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Chẩn đoán hệ thống truyền động xe điện tự lái" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter