电车试验:电机系统与电驱动总成安全——热安全

2022-02-10 20:54:09·  来源:汽车测试网  
 
热失效是电驱动总成常见的失效形式,由于故障或长时间超负载运行,导致电机绕组烧毁或电机控制器功率模块损坏,会直接造成电动汽车失去动力,极大影响行车安全。
热失效是电驱动总成常见的失效形式,由于故障或长时间超负载运行,导致电机绕组烧毁或电机控制器功率模块损坏,会直接造成电动汽车失去动力,极大影响行车安全。因此在电驱系统设计中,必须考虑热安全因素,采取相应的对策保证系统安全运行。电驱系统性能输出能力往往受限于温升和工作温度限值。合理的温度设计能够最大化发挥电驱系统性能。温度场仿真、试验验证和实时监控保护三位一体,共同保证电动汽车运行安全。
电机定子绝缘系统寿命与其工作温度强相关。经验表明,绝缘材料在超过其工作温度下使用,每增加10℃,寿命减少约一半。长时间高温下工作容易造成绝缘纸、绝缘漆等提前老化、失效,造成绕组短路烧毁等严重后果。电机热性能设计的工作重点就在于控制电机工作温度,保证寿命。电机转子散热条件一般较差,转子铁损和磁钢涡流损耗产生的热量容易累积,造成转子温度升高。随着电机向高速化发展,转子将面临更大的散热压力。在设计方面,可通过温度场仿真可以对永磁体温度做初步评估,但是面对复杂多变的实际使用工况不能完全覆盖。在温度监控方面,转子作为旋转部件,一般难以直接布置温度传感器实时监测转子铁芯和磁钢的工作温度,可通过建立转子温度模型实时估算转子磁钢温度,并建立相应的温度保护控制算法,保证磁钢始终工作在其许用工作温度范围内。
一、热预警、降额、保护
1、温度传感器的冗余设计建议
建议电机和电机控制器均采用两路温度传感器进行温度监测,并在仪表中实时显示温度较高的一路温度传感器的温度。
2、温度传感器测点与软件设计关系
在电机系统研制过程中,建议进行多温度传感器样机摸底测试。根据多温度传感器样机测试结果,确定批量供货产品的温度最高点以及与其它可能埋置温度传感器的温度差值,推荐温度传感器一个布置在三相中性点以监测三相温度,另一个尽可能布置在温度最高点。保护软件编写时,需要根据前述测试及温度传感器埋放位置,进行数据采集上报列表。一旦一个温度传感器失效,软件在采样切换到另一个有效温度传感器同时,也应根据切入传感器采样调整软件报警温度设置。另外软件也要根据前述试验认证留出足够的安全裕量。
3、过热三级故障保护机制要求
系统需要使用三级故障处理机制;处理策略应符合产品技术文件规定。推荐的保护策略见本章5.6 节。
二、转子退磁:高温下的退磁安全、转子温度估算
永磁体会产生由温度效应、过电流或不当电流控制角引起的退磁问题。电机设计阶段要充分校核峰值工况和三相短路工况下的退磁临界点,避免电机运行工况在临界点以上。
同时估算电机持续运行时的转子温度,保证在大电流负载和控制角下,永磁体的温度不超过所选牌号磁钢的退磁温度限值。在电机系统研制阶段,建议进行必要的退磁测试认证。
建议建立比较准确的转子温度估算模型,并将估算模型纳入控制软件保护程序中。下面是一种温度估算方案:通过大量测试建立定子绕组温度与转子磁钢温度之间关系曲线,在软件中通过监控定子温度,间接监控转子磁钢温度。
三、轴承耐温、密封材料耐温、绝缘材料耐温要求
轴承耐温应限制在极限工况温度范围内,温度范围由整车厂与电机供应商技术文件规定。推荐轴承工作温度范围-40℃~150℃。
电驱动总成的密封材料,如密封圈、密封胶垫和油封等,其耐温应大于150℃。
电机的绝缘材料耐温等级应使用H(允许工作温度180℃)级及以上耐温材料(参考GB/T 20113-2006)。绝缘系统温度等级取决于电机各种绝缘材料(绝缘纸、电磁线、绝缘漆和端部绑扎线等)的最低耐温等级。供应商应在产品铭牌上明确标记绝缘系统等级。
四、阻燃材料使用
用于高压连接的线束、注塑件的阻燃性能应符合GB/T 2408-2008 规定的水平燃烧HB级,垂直燃烧V-0 级。B 级电压电缆防护用波纹管及热收缩双壁管的温度等级应不低于125℃,热收缩双壁管的性能应符合QC/T 29106-2014 中附录B 的要求,波纹管的性能应符合QC/T 29106-2014 中附录D 的要求。
五、人体防护与警告
1、停机高温警示
任何可能被操作、维保人员触及的高温部件,例如壳体等,应有高温警示标志。具体停机高温警示要求由整车厂确定。举例如下:对于采用H 级绝缘的电机,当绕组温度超过160ºC 时,整车面板上应提示电机温度过高。电机绕组温度达到170 ºC 后应停机保护,停机后水冷电机金属壳体温度可能高达120ºC,30min 内请勿直接用手触摸,以免烫伤!
建议电驱动总成上粘贴当心高温表面警示标志,当心高温表面警示标志应满足GB2894 中4.2.3 章节的内容。
图5-4 高温表面警示标志
2、故障报警要求
当电驱动总成发生故障时,必须在仪表板进行提示,并进行声、光、电综合报警。
六、电驱动冷却系统(水泵、管路、连接件等)定期检查要求
建议电驱动总成的冷却系统每半年或整车行驶4 万公里,需要进行一次定期检查或者按照整车厂提供的维护保养手册执行。检查冷却管道外部、进出水口附近、电机、电机控制器上是否有冷却液渗出;如有异常,判断泄露部件,进行相应更换或维修。
七、变/减速器油温要求
变/减速器油池温度最高不应超过130 度。 
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