一種車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法
2023-10-23 02:12:42 3
專利名稱：一種車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法
技術領域：
本發明涉及車用電機驅動系統可靠性相關技術領域，確切地說涉及一種用於評估車用電機驅動系統可靠性的加速壽命試驗方法。
背景技術：
在電動汽車產業化過程中，其可靠性已成為企業和客戶關注的焦點。電機驅動系統作為電動汽車的核心零部件，其可靠性水平在很大程度上決定了整車的可靠性水平，將直接影響電動汽車產業化發展的前景。隨著科學技術的發展及人們安全意識的加深，用戶對電機系統的要求標準越來越高，可靠性越來越受到重視。電動汽車電機驅動系統由電機及其控制器組成，它的任務是在駕駛員的控制下， 高效地將電池的電量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到電池中。車用電機驅動系統功率密度高、工作環境惡劣、工況複雜、器件工作溫度高、振動劇烈，這些因素加劇了零部件的失效，影響整個系統的可靠性水平。車用電機驅動系統的設計壽命長達幾十萬公裡，可靠性試驗考核難度較大，成本較高。目前，關於車用電機驅動系統的可靠性加速試驗還沒有專用設備，因此也就無法對其進行可靠性加速試驗。為了減少試驗時間、降低試驗成本、縮短研發周期，本發明採用加速壽命試驗方法考核車用電機系統可靠性，在電動汽車領域具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。與此同時，車用電機驅動系統是電動汽車傳動系統中的重要組成部件。現實生活中，整車維護時間很大程度上取決於車用電機驅動系統的維護時間，而由於車用電機驅動系統一般布置於車輛的動力艙內，難於通過常規的測量儀器對其中部件的應力以及失效進行檢測或監測，導致難於通過常規的方法確定得出使用中的車用電機驅動系統的使用壽命預期值。而對於電動車輛的製造商或者汽車4S店的工作人員來說，迫切地需要了解其製造或者需要進行維護的車輛的剩餘使用壽命，亦即車用電機驅動系統的使用壽命預期值以便於了解車輛的使用壽命或者更好地對車輛的更換和維護。因此業界迫切地需要一種能夠確定車用電機系統的使用壽命預期值的方法來解決上述現實生活中需要解決的技術問題。加速壽命試驗(ALT)是可靠性試驗技術的一個重要分支，其主要理論是，在不改變產品失效機理的前提下，強化產品故障的主要物理化學過程，即加大應力因子，以此達到加速試驗的目的。該方法建立在一定的失效物理理論、進行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關的統計模型，對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換，得到產品在正常應力水平下可靠性特徵的數值估計。一般可藉助於熱、電、機械等外界或內部應力使之加速，在相對較短的時間內通過加速使用環境確定產品可靠性。國內外各大汽車工業巨頭均十分重視加速壽命試驗方法，取得了許多成果，產品的研發水平和技術水平都得到全面發展。20世紀70年代初，加速壽命試驗技術進入我國， 引起相關領域的廣泛興趣，處於邊研究邊應用的狀態，目前主要應用於武器裝備、航空航天、機械電子領域。申請號為201010129921. X的中國專利申請中公開了一種汽車變速箱的加速壽命試驗方法，其中公開了在常用轉速下對汽車變速箱進行加速壽命試驗的方法；申請號為201010238799. X的中國專利申請中公開了一種元器件的長壽命評測方法，其中公開了通過試驗方法確定元器件的最佳加速模型以對元器件的長壽命進行評測的方法；申請號為201110170973.6的中國專利申請中公開了一種電子產品的加速壽命試驗方法，其中公開了基於「壽命-應力」加速模型來對電子產品的壽命進行評測的技術內容；申請號為201010187824. 6的中國專利申請中公開了一種混合動力發動機的可靠性試驗系統， 其通過dspace軟體進行自動模擬控制，來進行混合動力發動機的可靠性試驗；專利號為 ZL200710094621. 0的中國專利中公開了一種發電機的耐久性試驗臺，其中通過自動控制實現發電機的耐久性試驗；申請號為201010623747.4的中國發明專利申請中公開了一種吊籃電機的動態壽命試驗臺架，其中也通過自動控制實現吊籃電機的動態壽命試驗；儘管上述發明專利申請文件或專利文件或多或少地涉及到了加速壽命的試驗，但均是針對單一的機械元件或電子元件進行的試驗方法或步驟；而並未涉及包括機械部件和電子部件的組合試驗；據申請人了解，對於由機械部件和電子部件組合而成的車用電機系統加速壽命試驗， 國內外研究較少，目前還沒有比較完善的車用電機系統加速壽命試驗方法。
發明內容
為解決上述技術問題，本發明提出一種用於估計電動汽車用電機驅動系統可靠性的耐久壽命估計方法。首先分析車用電機系統的故障模式和失效機理，得到系統失效判據和外界應力與系統可靠性的關係，然後根據電動汽車用電機系統的實際運行環境和運行工況、試驗設備承受能力和加速壽命試驗要求，確定試驗所施加的加速應力，計算相應的加速因子，再依據系統設計壽命確定臺架加速壽命試驗規範，利用系統在加速應力水平下的失效數據，外推得到系統在正常應力水平下的壽命數據，從而統計得到車用電機系統的可靠性指標，進而確定車用電機系統的使用預期壽命值並進而將由之確定出的車用電機系統的更換或維護時間外顯給用戶。具體地說，一種車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，包括通過驅動系統的加速壽命的臺架試驗來估計驅動系統的耐久壽命，其中試驗臺架包括恆溫恆溼試驗箱、電池模擬設備、被試電機和電機控制器、測功機和測功機控制器、轉矩儀、電源櫃、計算機控制系統及冷卻系統；其中所述恆溫恆溼試驗箱提供試驗所需的外界環境應力，電池模擬設備為電機控制器輸入恆壓直流電，測功機與被試電機同軸連接，為被試電機提供可控的負載，計算機控制系統實時監測被試電機系統的轉速、轉矩、功率及控制器電壓和電流，根據設定工況控制測功機和被試電機的轉速轉矩，冷卻系統為電機控制器及電機本體提供冷卻液；其特徵在於所述方法包括以下步驟
a.分析作為車用電機的薄弱環節的多個關鍵零部件的故障模式和失效機理，得到系統失效判據和外界應力與系統可靠性的關係，根據壽命要求和正常應力條件下的運行情況，確定應力量級以及加速壽命試驗規範；
b.通過恆溫恆溼試驗箱將應力施加到被試電機上以分別在正常應力和加速應力條件下對被試電機進行短時試驗，以獲得系統穩定運行狀態中的運行狀態參數，以用於計算加速壽命因子；
c.通過調節恆溫恆溼試驗箱將在a步驟中確定的應力量級施加到車用電機上，通過計算機控制系統，保證被試電機在上述確定的應力量級下，按照試驗規範中制定的試驗負荷循環進行恆定應力且定時截尾的加速壽命試驗，在該恆定應力加速壽命試驗中，以被試電機的關鍵零部件為研究對象，考慮加速應力對各關鍵零部件可靠性的影響，通過關鍵零部件的失效率與加速應力的關係式，計算加速應力條件下與正常應力條件下的失效率之比， 以得到在所述確定的應力量級下的上述關鍵零部件的加速壽命因子，與此同時通過加速壽命試驗獲得被試電機中各關鍵零部件的平均壽命；
d.通過在c步驟中所獲取的各關鍵零部件的加速壽命因子以及對應的平均壽命，建立各關鍵零部件的壽命加速曲線，並通過該曲線外推得到各關鍵零部件在正常應力條件下的失效數據；
e.通過數理統計的方法得出作為系統薄弱環節的各個關鍵零部件和車用電機系統在正常使用條件下的可靠性指標，進而根據上述關鍵零部件和車用電機系統正常使用條件下的可靠性指標計算得出車用電機驅動系統的使用壽命預期值並進而將由之確定出的車用電機系統的更換或維護時間外顯給用戶。其中作為車用電機的薄弱環節的多個關鍵零部件包括以下零部件組中的至少一個，其中所述零部件組包括電機絕緣件、電機軸承、母線支撐電容、IGBT、電機控制電路以及電機磁鋼。其中所述a步驟中的失效判據包括以下判據參數組中的至少一個，其中所述判據參數組包括電機控制器輸出電壓、電機控制器輸出電流、電機轉速、電機轉矩以及電機功率因數。其中對所述a步驟中的多個關鍵零部件的故障模式和失效機理分析通過故障樹分析法來進行。其中所述b步驟中的運行狀態參數包括以下參數組中的至少一個，其中所述參數組包括軸承溫度、繞組溫升、驅動功率管壓降、電機電流。與現有技術相比，本發明的有益效果表現在本發明所述試驗方法考慮到車用電機系統實際運行環境和工況，具體分析各關鍵零部件不同的失效機理和影響因素，計算得到加速壽命因子；試驗臺架均採用可靠性較高的設備，結構簡單、運行可靠，可以提供高於系統正常工作應力水平的加速應力，環境應力控制靈活準確，易於高效地對電機系統進行加速壽命試驗，有效減少試驗時間，降低試驗成本、縮短產品研發周期。
為了更清楚地說明本發明的實施例中的技術方案，下面將對下列具體實施方式
部分中所需要使用的附圖作簡單的介紹。圖I為車用電機系統故障模式和失效機理簡表圖2為本發明所述方法的流程3為試驗臺架總體布局圖
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的技術方案的附圖，進行清楚、完整地描述，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明車用電機系統加速壽命試驗方法流程圖如圖I所示，其具體實施方式
如下
確定車用電機系統的可靠性指標，本發明採用系統平均故障前工作時間MTTF和平均故障間隔時間MTBF來衡量系統的可靠性。分析系統薄弱環節(電機絕緣、軸承、母線支撐電容、IGBT、控制電路、磁鋼)故障模式和失效機理，選擇控制器輸出電壓和電流值、電機轉速和轉矩、電機功率因數作為系統失效判據，並輔助觀察控制器過流和過溫保護指示燈。根據系統可靠性影響因素、實際運行環境和工況及試驗要求，保持系統電源電壓恆定，選擇溫度、溼度、電機負載作為試驗加速應力，並確定應力量級。加速壽命試驗前，需分別在正常應力和加速應力條件下先對電機進行短時試驗， 待系統運行狀態穩定後，測得部分運行狀態參量，如軸承溫度、繞組溫升、驅動功率管壓降、 電流等，便於計算加速壽命因子。車用電機系統既包含電子元器件，又有軸承、機架等機械部件，同一個試驗條件對系統不同部分可靠性的影響不同，甚至相差比較大，即電機系統進行加速壽命試驗時，存在不同的失效機理，因此，若對整個系統直接套用已知的加速模型，得到的最終結果會存在一定偏差。本發明中，在計算加速壽命因子時，選取零部件為研究對象，考慮加速應力對各關鍵零部件可靠性的影響，根據手冊或經驗公式中零部件失效率與加速應力的關係式，計算加速應力條件下與正常應力條件下的失效率之比，得到所選加速應力對關鍵零部件的加速壽命因子。根據失效判據、加速壽命因子、置信度及電機系統在正常應力條件下的運行情況和壽命要求，設計加速壽命試驗規範，確定試驗樣本數、試驗時間、測試循環負荷規範、故障檢測等內容。考慮到車用電機系統批量較少、成本和試驗費用較高，一般採用I 2臺電機系統作為試驗樣本。試驗時間要根據系統設計壽命、加速因子、可靠度及置信度來確定。考慮到要通過試驗預測電機系統壽命，系統可靠性試驗採取恆定應力加速壽命試驗，採用定時截尾試驗方法。系統運行在額定功率條件下，分別在額定電壓、最高電壓、最低電壓下運行一定時間，結合加速壽命因子和累積損傷理論對實驗數據進行外推。故障檢測採用故障診斷器、儀表和計算機實時監測電機轉速轉矩、功率及控制器電壓電流。確定試驗臺布置方案，如圖2所示，該試驗臺由恆溫恆溼試驗箱、電池模擬設備、 被試電機和電機控制器、測功機和測功機控制器、轉矩儀、電源櫃、計算機控制系統及冷卻系統等幾部分組成。試驗箱提供試驗所需的外界環境應力，電池模擬設備為電機控制器輸入恆壓直流電，測功機與被試電機同軸連接，提供被測電機的負載並且可控，計算機控制系統實時監測被試電機系統的轉速、轉矩、功率及控制器電壓和電流，根據設定工況控制測功機和被試電機的轉速轉矩，冷卻系統為電機控制器及電機本體提供冷卻液。進行可靠性試驗時，試驗臺能提供高於實際工況的環境應力，實現可靠性加速試驗。試驗數據處理根據前面得到的加速壽命因子，將各零部件失效時間乘以相應的加速壽命因子，外推得到正常應力條件下的失效數據，然後用數理統計的方法估計出各薄弱環節和系統在正常使用條件下的可靠性指標。進而根據上述關鍵零部件和車用電機系統正常使用條件下的可靠性指標計算得出車用電機驅動系統的使用壽命預期值並進而將由之確定出的車用電機系統的更換或維護時間外顯給用戶。計算機控制系統向其輸入零部件的工作環境和加速環境參數，便可得到所選加速應力對各零部件的加速壽命因子，由實驗數據直接外推得到正常應力條件下的可靠性數據。均通過軟體完成。冷卻方式不同的車用驅動電機系統有不同的形式，儘量模擬，方便實現。故障的處理時間故障停機時和停機後的若干循環不計入運行時間。應力選取溫度、溼度、電壓(額定電壓、最高電壓、最低電壓)、額定功率。軟體、控制部分一旦出現故障，自動停機檢查。負荷循環轉速不變轉矩額定工況為主兼顧電動和發電能量回饋，負載轉矩發電。加速壽命因子計算
結合電機實際運行情況和可靠性影響因素，選擇加速應力，制定試驗負荷循環，計算加速壽命因子，電機並非一直工作在額定狀況，加速應力也就非恆定應力，對在恆定應力下計算的加速壽命因子進行修正。結合累積損傷理論進行非恆定應力下加速係數的計算額定、 最高、最低電源電壓。軟體自動記錄電壓、電流、轉速、轉矩、啟動次數、運行時間及故障現象，由試驗數據得出系統、自動記錄中斷狀態。
權利要求
1.一種車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，包括通過驅動系統的加速壽命的臺架試驗來估計驅動系統的耐久壽命，其中試驗臺架包括恆溫恆溼試驗箱、電池模擬設備、 被試電機和電機控制器、測功機和測功機控制器、轉矩儀、電源櫃、計算機控制系統及冷卻系統；其中所述恆溫恆溼試驗箱提供試驗所需的外界環境應力，電池模擬設備為電機控制器輸入恆壓直流電，測功機與被試電機同軸連接，為被試電機提供可控的負載，計算機控制系統實時監測被試電機系統的轉速、轉矩、功率及控制器電壓和電流，根據設定工況控制測功機和被試電機的轉速轉矩，冷卻系統為電機控制器及電機本體提供冷卻液；其特徵在於 所述方法包括以下步驟a.分析作為車用電機的薄弱環節的多個關鍵零部件的故障模式和失效機理，得到系統失效判據和外界應力與系統可靠性的關係，根據壽命要求和正常應力條件下的運行情況， 確定應力量級以及加速壽命試驗規範；b.通過恆溫恆溼試驗箱將應力施加到被試電機上以分別在正常應力和加速應力條件下對被試電機進行短時試驗，以獲得系統穩定運行狀態中的運行狀態參數，以用於計算加速壽命因子；c.通過調節恆溫恆溼試驗箱將在a步驟中確定的應力量級施加到車用電機上，通過計算機控制系統，保證被試電機在上述確定的應力量級下，按照試驗規範中制定的試驗負荷循環進行恆定應力且定時截尾的加速壽命試驗，在該恆定應力加速壽命試驗中，以被試電機的關鍵零部件為研究對象，考慮加速應力對各關鍵零部件可靠性的影響，通過關鍵零部件的失效率與加速應力的關係式，計算加速應力條件下與正常應力條件下的失效率之比， 以得到在所述確定的應力量級下的上述關鍵零部件的加速壽命因子，與此同時通過加速壽命試驗獲得被試電機中各關鍵零部件的平均壽命；d.通過在c步驟中所獲取的各關鍵零部件的加速壽命因子以及對應的平均壽命，建立各關鍵零部件的壽命加速曲線，並通過該曲線外推得到各關鍵零部件在正常應力條件下的失效數據；e.通過數理統計的方法得出作為系統薄弱環節的各個關鍵零部件和車用電機系統在正常使用條件下的可靠性指標，進而根據上述關鍵零部件和車用電機系統正常使用條件下的可靠性指標計算得出車用電機驅動系統的使用壽命預期值並進而將由之確定出的車用電機系統的更換或維護時間外顯給用戶。
2.如權利要求I所述的車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，其特徵在於其中作為車用電機的薄弱環節的多個關鍵零部件包括以下零部件組中的至少一個，其中所述零部件組包括電機絕緣件、電機軸承、母線支撐電容、IGBT、電機控制電路以及電機磁鋼。
3.如權利要求1-2所述的車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，其特徵在於其中所述a步驟中的失效判據包括以下判據參數組中的至少一個，其中所述判據參數組包括電機控制器輸出電壓、電機控制器輸出電流、電機轉速、電機轉矩以及電機功率因數。
4.如權利要求1-3所述的車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，其特徵在於對所述 a步驟中的多個關鍵零部件的故障模式和失效機理分析通過故障樹分析法來進行。
5.如權利要求1-4所述的車用電機驅動系統耐久壽命的估計方法，其特徵在於所述b 步驟中的運行狀態參數包括以下參數組中的至少一個，其中所述參數組包括軸承溫度、繞組溫升、驅動功率管壓降、電機電流。
全文摘要
本發明涉及一種用於評估車用電機驅動系統可靠性的加速壽命的臺架試驗方法。考慮到車用電機系統實際運行環境和工況，通過具體分析各關鍵零部件不同的失效機理和影響因素，計算得到加速壽命因子以及對應的平均壽命，建立各關鍵零部件的壽命加速曲線，並通過該曲線外推得到各關鍵零部件在正常應力條件下的失效數據。然後根據上述數據計算得出車用電機驅動系統的使用壽命預期值並進而將由之確定出的車用電機系統的更換或維護時間外顯給用戶。利用本發明進行臺架壽命考核試驗，能有效減少試驗時間、降低成本、縮短研發周期；並能夠幫助電動汽車製造商或汽車4S店的工作人員方便地獲知車輛的使用壽命和在用車輛的更換或維護時間。
文檔編號G01M15/00GK102589891SQ201210053139
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者宋強, 楊凱麗 申請人:北京理工大學