电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法

电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法

近几年来，车用驱动电机系统作为节能与新能源汽车的核心零部件，受到了社会的关注和人们的欢迎，许多企业纷纷投入到车用驱动电机系统的研发和生产中。随着车用驱动电机系统产品研发和生产的不断深入，需要有相应的标准来进行规范和引导。 以我国车用驱动电机系统生产和应用情况为依据，以适应我国电动汽车的需求为目标，通过制定和实施本标准，规范和引导企业的生产行为，促进经济效益和社会效益的统一。 标准的制订要进行认真的成本效益分析，使标准限值的确定与经济、技术发展水平和相关方的承受能力相适应，具有先进性和可操作性，促进科学技术进步。 本标准的起草主要参照了以下标准或文件：

● GB/T 18488.1-2006《电动汽车用电机及其控制器技术条件》 ● GB/T 18488.2-2006《电动汽车用电机及其控制器试验方法》 ● GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》 ● GB/T 12678-90《汽车可靠性行驶试验方法》

● GB/T 19750-2005《混合动力电动汽车 定型试验规程》 ● GB/T 3187-94《可靠性、维修性术语》 ● GJB 899B-1990《可靠性鉴定和验收试验》

● GJB 1391-92《故障模式、影响及危害性分析程序》

● GB/T 21975-2008《起重及冶金用三相异步电动机可靠性试验方法》 ● JB/T 50136.2－1999《隔爆型三相异步电动机隔爆组件可靠性指标评定方法(实验室法)》

标准主要内容及依据

1.范围

标准规定了电动汽车用驱动电机系统在台架上的一般可靠性试验方法，其中包括可靠性试验负荷规范及可靠性评定方法。适用于最终动力输出为电机单独驱动或电机和发动机联合驱动的电动汽车用驱动电机系统。 2.试验条件

(1)车用驱动电机系统的套数

本标准没有明确规定。但是，考虑到可靠性试验的试验周期长，占用设备和人员多，成本高，一般只用1套，因此本标准给出的试验工况也是1套被试样品的工况。 (2)试验电源

可靠性试验时间长，只用蓄电池难以满足长期和负荷循环工作的电压、电流持续性要求，必须采用大功率动力直流电源，或者由动力直流电源和其它储能(耗能)设备联合提供。试验电源的工作电压≤250V时，其稳压误差≤±2.5V，试验电源的工作电压＞250V时，其稳压误差应≤±1％×被测驱动电机系统工作直流电压。参考国内外已有功率电源的输出特性规定了稳压精度的要求，因为电压的稳定性会影响车用驱动电机系统的损耗和效率特性。 (3)冷却

电机的冷却方式对不同的车用驱动电机系统有不同的形式，原则是尽量模拟，方便实现。 ·对于风冷的电机或控制器，试验过程中应带有实际装车时的风冷电机； ·对于自然冷却的电机或控制器，可外加风机对电机或控制器进行冷却； ·对于液冷的电机或控制器，应尽量采用制造厂规定的冷却液； 3.试验程序

故障的处理时间考虑到温升对车用驱动电机系统的寿命有很大影响，停机时会导致车用驱动电机系统内的温度下降，为了对考核时间进行补偿，停机时和恢复工作后的若干循环不计入实际工作时间。

4.可靠性试验规范

(1)可靠性试验运行持续时间的确定

电动汽车用驱动电机系统缺乏可靠性长期运行的大量试验数据，通过“十一五”期间“863”课题“车用驱动电机系统检测技术和快速评价方法研究”和其它合作单位的协作研究，通过原理分析和仿真及部分试验，在参考发动机的可靠性试验规范和其它电机可靠性试验方法的基础上，确定402工作小时是比较合理的试验考核时间。 可靠性试验规范按照驱动电机系统所应用的车辆类型进行可靠性试验。扭矩负荷循环按图1和表1进行。

图中：TN—额定扭矩(Nm)；

TPP—峰值扭矩，其中，被测驱动电机系统工作于额定工作电压或者最高工作电压状态时，

被测驱动电机系统工作于最低工作电压状态时， 。

(2)被测驱动电机系统工作额定工作电压试验转速ns保持1.1倍额定转速nN-1此负荷下循环320h。

(3)被测驱动电机系统工作于最高工作电压，试驱转速ns=1.1nN，此负荷下循环40h。 (4)被测驱动电机系统工作最低工作电压，试验转速 ，此负荷

下循环40h。

(5)被测驱动电机系统电动工作额定工作电压、最高工作转速和额定功率状态，持续运行2h。 (6)母线电压

考虑到电动汽车用驱动电机系统电源有发电机和蓄电池，其电压不稳定，而直流母线电压对控制器元器件的应力有较大影响，一方面体现在电压本身对器件的影响，另一方面，电压变化时控制器为了达到同样的负载会调节电流，从而使得电机和控制器中的损耗发生变化，影响被试件的温升和老化程度，所以采用了电压变化的考核模式。

最高工作电压和最低工作电压的持续时间考虑了车载动力蓄电池的充放电特性、循环工况和电动汽车的能量分布形式。 (7)负荷规范

1)负荷规范的复杂性。首先将负荷循环中的转速保持不变，降低了对负载的要求，并且可以避免负载和车用驱动电机系统转速扭矩同时变化的协调问题；因为是固定转速，为了考核对机械的加速，选择的转速为略高于额定转速(1.1倍)，在最低工作电压下，考虑到被试电机系统的负荷工作能力，选择的试验转速有所降低；再就是对工况的数量和特性参数进行了简化，工况主要通过扭矩区分，分额定扭矩、峰值扭矩和额定扭矩回馈三种状态，这些工况相对来说比较容易实现。

2)最初制定的负荷规范充分考虑了不同能量分布车型的驱动电机系统的负荷分布特性，负荷循环过程较为复杂，但负荷循环中过于复杂的工况过程将给标准的实施增加了成本和工作量的负担，同时导致技术实施的复杂性，因此负荷循环最后采用了简化形式。

3)从提高能量利用率的角度考虑，驱动电机系统必须具备能量回馈功能，因此在负荷循环中具有负扭矩发电时段。负荷循环中以额定工况为主，兼顾电动和发电。

4)电动汽车驱动电机系统在路况的条件下其负荷一般小于额定功率，因此试验中的负荷设定在额定功率附近就能起到一定的加速试验作用，考虑到电机系统在不同类型电动汽车配置中具有不同的功能侧重点，负荷规范主要针对三种比较常用的车辆电传动系统做了分别处理，

主要体现在发电、电动以及额定扭矩和峰值扭矩的时间分配以及循环频次上。

考虑到车用驱动电机系统在高速工作时的可靠性问题，增加了最高工作转速的考核项目。 5.检查及维护 (1)随时检查

采用故障诊断器、仪表和计算机等随时监测远行数据，超过限值范围时，发出警报或紧急停车。依据故障严重程度进行处理。若属于被测驱动电机系统故障，则算故障停车，记录故障停车时间、原因及处理情况。监听被测驱动电机系统运行异响必要时采取措施。在1h内适时记录被测电机的扭矩和转速，电机控制器的直流母线电压和电流、电机表面温度以及冷却液的温度和流量。必要时，进一步检查电机控制器功率元件的工作温度。如果电机安装有热敏温度传感器，则一并检查电机绕组的工作温度，并画在以运行持续时间(h)为横坐标的监督曲线上。

24h检查时允许停机1次，巡视试验设备，并检查连接如紧固件、管路、软管、电缆及接口。检查冷却液液面高度，判断冷却液是否存在渗漏。停机检查 最多不超过0.5h。 (2)故障及停机处理

当出现故障时，应进行故障分析，排除故障并记录。被中断的负荷循环不计入驱动电机系统可靠性工作时间。如果停机超过1h，则重新开启循环后的1h不计入驱动电机系统可靠性工作时间。

6.试验考核时间的确定

驱动电机系统可靠性考核的目的是验证系统的可靠性是不是满足电动汽车的需要，即判断电机系统产品是否满足可靠度要求，满足则接受这批产品。 为了方便安排试验，因此采用定时截尾试验方法。

为了尽快判定是否满足要求，因此采用加速寿命试验，关键是加速应力和加速系数的确定。 考虑到试验条件的限制，加速应力选用负载转速和功率。 经过前期的研究表明，电机系统中几乎所有零部件的寿命的加速系数最后都归结为温度的特性方程，因此如果能提高系统各部件的温度，就能提高加速系数，而功率(最后归结为损耗)将是影响温度的有效方法。

假定：(1)驱动电机系统的效率近似不变；

(2)路况条件下的平均功率为额定功率的60%；

(3)零部件的温升只与损耗和热阻有关，而热阻不变，即零部件的温升与损耗成正比； (4)环境温度20℃；

假定额定工况下电机驱动系统的寿命为=3000h，可靠度=0.9，置信度为90%，则失效率为：

由于只有一个样本，因此允许失效数为0；则样品试验小时数和试验截止时间都为T=65563h。 即正常试验必须做将近7年；因此必须从事可靠性加速试验。

以电机绕组绝缘(绝缘等级F级)为例，其加速系数与温度的关系如下：

式中T1为额定工况下的绕组温度，T2为加速情况下的绕组温度，B为常数。

假定该电机在额定功率情况下的温升为略低于F级绝缘的允许温升，为100K，因此其额定工况下的温升为60K，如果在额定功率下加速试验，则加速系数为： Acoil1＝33.6 (3) 即加速条件下的试验截止时间为：

即试验1951h不出现故障即可接受。

若希望试验截止时间为400h，则要求加速系数为：

绕组温升121K，功率为额定功率的1.2倍。

当然，单纯的功率增加对电机和控制器各部分的加速系数是不同的，特别是散热方式的不同和对机械损耗的影响，因此该加速能力的估算是粗略的，仅作参考。

7.最高电压最低电压时间的确定 镍氢蓄电池的平台区域较小，而锂离子蓄电池的平台区域要大很多。在纯电动汽车的应用中，直流母线的电压变化基本和蓄电池放电的特性一致，不过由于蓄电池配置的不同，放电倍率不同，最高电压和最低电压出现的时间也不同。然而，由于电动汽车中不可避免的会出现短时峰值功率和能量回馈，即短时的高倍率放电和充电，高倍率放电增加了低电压出现的时间，回馈则增加了高电压条件下工作的时间。

在混合动力汽车中，高电压和低电压的出现则与能量配合和能量管理策略有关。

因此，虽然实际蓄电池的放电特性中高电压和低电压出现的时间相对较短，但为了实现可靠性考核的目的，保证产品被接受的置信度，采用适当延长最高工作电压和最低工作电压的施加时间，可以起到加速试验的效果，一方面可以考核对功率电路的高电压应力，另一方面，通过施加较低电压，提高电机的温升实现更进一步的加速考核。 本文所列公式请参看《汽车与配件》NO.44相关文章

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