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三合一电驱系统可靠性试验研究与应用

2019-06-09 20:42:45·  来源:EDC电驱未来  作者:何锡进  
 
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随着汽车电气化的不断发展,零部件的集成化设计趋势亦不断推进,三合一驱动总成方案成为各厂家竞争的热土。相对早期电驱方案,三合一电驱系统具备以下优势:结构
随着汽车电气化的不断发展,零部件的集成化设计趋势亦不断推进,三合一驱动总成方案成为各厂家竞争的热土。相对早期电驱方案,三合一电驱系统具备以下优势:结构紧凑、体积变小,利于布置;质量轻,低行驶能耗;三相直连,可靠又经济;重心下降,利于整车操控;高速传动,带来较高扭矩容量和总成效率提升;可扩展的模块化设计,大大缩短产品开发周期,降低开发成本效益。
1 三合一电驱系统概述
文中以图1所示的三合一电驱系统为研究对象,主要由控制器、减速器和电机三部分组成,此结构摆脱了电机、减速器和控制器单独设计再组装的思路,直接将三者进行一体化设计。此结构具有高扭矩容量、可携带更高转速电机的优点,但对于齿轮和轴承的耐久性、壳体强度、油封密封性都提出了更高的要求,尤其是电机控制器,需要和电机作为一个主体运行,与传统结构相比,其运行环境发生了变化,可靠性要求更为苛刻,因此对三合一电驱系统结构可靠性验证具有重要意义。三合一电驱系统是由机械部件和电子部件组成的复杂综合体,其可靠性取决于模块自身的可靠性及模块间组合方式和相互匹配,由于时间和篇幅限制,文中着重对三合一电驱动系统机械机构的可靠性进行验证。
图1 三合一电驱系统结构
2 三合一电驱系统可靠性研究的依据
汽车产品可靠性是指在一定时间内、一定条件下,无故障地执行指定功能的能力或可能性。对于机械结构,其失效约90%来源于疲劳。可靠性可定义为:如果结构发生了不可修复性故障,其可靠性可等同于耐久性;若故障可修复,其可靠性就是产品大修期、报废期或者退役期对应的耐久性。
文中研究的三合一电驱系统是电动汽车的心脏,其无故障运行时间是影响客户满意度的重要因素。机械结构可靠性常采用加速寿命试验来替代常规试验,以达到短周期、低耗费、合理预估系统寿命的目的。
电机、控制器和减速器作为单体部件设计时,国内厂家考核沿用相关标准分别是GB/T 18488.1-2015《电动汽车用驱动电机系统 第1部分:技术条件》、GB/T 29307-2012 《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》和QC/T 1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》。
3 三合一电驱系统对可靠性试验技术要求的选择与应用
3.1 电子/电气元件机械负荷可靠性试验方法选择
在三合一电驱总成系统中对电子/电气元件机械负荷可靠性考核将使用ISO 19453-3-2018标准,主要有以下几点原因:
(1)是专门针对新能源车辆的机械负荷;
(2)对电子/电气件布置位置有更详细的分类;
(3)标准中负荷要求对应里程数也做了清晰说明,如果里程发生变化,可依据标准给定方法制定适配的技术要求;
(4)相对ISO 16750,ISO 19453-3对粗糙路况的定义发生较大变化,更贴近基础设施改善;
(5)保持了应力循环为107数量级;
(6)正弦振动考核时间要覆盖一个温度循环周期以上。
三合一电驱系统的电子/电气部件机械负荷可靠性技术要求:
(1)随机振动(10~100 Hz):最大均方根加速度21.4 m/s2,每个方向10 h;
(2)正弦随机振动-正弦(100~440 Hz):最大加速度50 m/s2,考核频率范围10~100 Hz,每个方向33 h;
(3)正弦随机振动-随机(500~2 000 Hz):最大均方根加速度68.7 m/s2,每个方向33 h;
(4)全部振动试验需要在高/低温度循环工况下完成。
3.2 电机、减速器机械可靠性试验方法的应用
3.2.1 电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法介绍与分析
借鉴汽车发动机可靠性测试规范,采用定转速、变化转矩的工作模式且选用3个不同电压平台,对新能源驱动电机的可靠性进行考核,同时试验对于不同车型的电机测试时间有所不同。图2所示的是单个循环的试验工况,其中nN为被试电机额定转速,ns为试验过程中被试电机转速设定值(r/min),当电压为额定电压或者最高电压时,ns=1.1×nN;而电压为最低电压时,ns =最低电压/最高电压×nN;Tpp为被试驱动电机系统在峰值功率的额定扭矩(N·m),当电压为最高电压时, Tpp=峰值功率/ns;当电压为最低电压时,Tpp=峰值功率/nN;TN为被试驱动电机系统的额定扭矩(N·m);t为时间。
图2 电动汽车驱动电机系统可靠性测试循环示意图
试验加载循环过程如表1所示,总测试时间为402 h,结合电动汽车自身供电单元特性,电机及控制系统电压采用浮动电压,先在额定电压下运行320 h,在最大电压和最低电压下各运行40 h,最后在额定工作电压、额定功率下运行2 h。
表1 电动汽车驱动电机系统可靠性测试循环参数表
该测试方法是国内电机厂商的主流试验方法,但应用于电驱系统时却具有一定的局限性:
(1)未明确代表里程数:402 h是否能覆盖目标对象的里程数;
(2)未考核倒车工况;
(3)未明确运行温度、电机运行温度与极限温度差值;
(4)缺乏性能衰减评价标准定义;
(5)仅有一个固定转速工况(约为30%峰值转速):借鉴了汽车发动机可靠性测试规范,但忽略了发动机作为动力源的驱动系统包含多个挡位,即使发动机维持在最大功率,也可以考核多个输出转速的工况。
3.2.2 三合一电驱系统可靠性试验方法应用
基于第3.2.1节中对可靠性试验方法的分析,该部分主要针对上述局限性展开,制定三合一电驱总成试验规范。
(1)电机可靠性循环周期确认
依据整车202 km小循环路谱,借助cruise仿真软件,输出三合一电驱系统的时间-车速-扭矩(含正能量回收),其计算流程如图3所示,主要包括制定整车工况、制定控制策略、进行实车采集及仿真,将转速扭矩等效折算与平衡从而得到加强的载荷谱,可使用公式计算单个循环的损伤,依据6.6万里程数锁定电驱系统输出端累积损伤,并以目标整车参数为蓝本,车重按照50%最大载荷,40%中等载荷,10%空载,平均车速45 km/h连续行驶32万千米,做计算累积损伤对标。
图3 电驱系统总成累计损伤折算方法获得载荷谱流程图
(2)温度在可靠性工况制定
温度是影响产品可靠性的重要因素,可以使电气元件和橡胶件加速老化、衰减、退磁、泄漏等,也可以使齿轮、轴承等零件加速胶合、点蚀、漏脂,因此在试验过程中需要依据电机的散热能力,确保试验循环中零件的最高温度点低于磁钢许可温度上限,增加循环水温考核,使覆盖整个可靠性循环工况。
(3)性能衰减评价标准定义
性能衰减评价标准定义:5%-10%。
(4)转速
三合一电驱系统配备了高转速电机,齿面相对滑动需要减小;较高转速下,动态响应增大,增加了齿轮箱的载荷,需要在可靠性试验中验证;轴承和油封尺寸一样,线速度增大,发热量增大,失效风险增大,需要在持续高速工况下考核,高转速下,齿轮发生胶合的风险增大,需要在可靠性试验中验证。
3.2.3 衍生可靠性循环工况
基于前文折算输出端累积损伤度、转速占比后,借用多挡变速器输出端损伤经验,在一个小循环内50 km以下损伤占比40%~50%,100 km以上部分损伤占比20%~25%。基于原可靠性循环工况衍生出如图4所示的一个适于三合一电驱系统的可靠性循环工况。
图4 基于原可靠性循环工况衍生的循环工况
4 结论
(1)针对电子/电气元件机械负荷,比较标准时效性和标准使用对象,选定了适用于三合一系统的考核指标;
(2)针对电机、减速器机械可靠性试验,分析了现行标准的局限性,就此展开研究。定义了试验温度要求和性能衰减评判指标,结合项目应用状况,衍生出适应于该项目的可靠性循环工况,使三合一电驱系统的验证更为合理和完善。