电动汽车驱动电机可靠性模型的建立

电动汽车驱动电机可靠性模型的建立

严婷婷1袁2袁侯卫国2袁李明峻2袁黄智1袁2渊1.安徽赛宝工业技术研究院有限公司袁安徽合肥230000曰2.芜湖赛宝信息产业技术研究院有限公司袁安徽芜湖241000冤

摘要院驱动电机是电动汽车的重要组成部分袁其可靠性直接影响着电动汽车的性能和安全遥因此袁开展驱

动电机的可靠性研究具有重要的意义遥在分析驱动电机故障模式的基础上袁根据电动汽车驱动电机各零部件失效与系统之间的逻辑关系袁建立了驱动电机的可靠性模型袁为驱动电机的可靠性预计提供了一定的参考遥

关键词院驱动电机曰可靠性模型曰电动汽车中图分类号院TB114.3文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1672-5468.2020.05.013

文章编号院1672-5468渊2020冤05-0055-03

EstablishmentofReliabilityModelofElectricVehicleDriveMotor

渊1.AnhuiCEPREIIndustryResearchInstituteCo.袁Ltd.袁Hefei230000袁China曰

YANTingting1袁2袁HOUWeiguo2袁LIMingjun2袁HUANGZhi1袁2Abstract院Drivemotorisanimportantpartofelectricvehicles袁anditsreliabilitydirectlyaffects

2.WuhuCEPREIITResearchInstituteCo.袁Ltd.袁Wuhu241000袁China冤

theperformanceandsafetyofelectricvehicles.Therefore袁itisofgreatlysignificancetocarryoutresearchonthereliabilityofdrivemotors.Basedontheanalysisoffailuremodeofthedrivemotor袁accordingtothelogicalrelationshipbetweenthefailureofeachcomponentofthedrivemotoroftheelectricvehicleandthesystem袁thereliabilitymodelofthedrivemotorisestabilished袁whichprovidesacertainreferenceforthereliabilitypredictionofthedrivemotor.Keywords院drivemotor曰reliabilitymodel曰electricvehicle

如图1所示袁其主要由轴承系统尧绝缘系统等组成的电机以及逆变器尧控制电路组成的控制器构成遥

0

随着能源消耗与环境污染的影响袁电动汽车逐步地走进了人们的生活遥电动汽车和传统汽车相比袁增加了电驱动环节袁主要包括储能单元和驱动电机系统遥驱动电机是电动汽车的心脏袁其可靠性直接影响了电动汽车的整车性能和行车安全遥由于电机工作环境恶劣尧工作模式复杂袁因而保证驱动电机的可靠性就变得尤为重要遥

本文分析了电动汽车驱动电机的结构袁建立了电机可靠性模型袁并采用应力分析法预计了电动汽车驱动电机的可靠性袁为电动汽车驱动电机系统的可靠性预计提供了参考依据遥

引言

1

电动汽车的常用电机有直流电动机尧异步电动机尧永磁无刷电动机和开关磁阻电动机4类遥异步电机具有可靠性高尧转矩波动小尧费用低和噪声小等优点袁广泛地应用于电动汽车驱动系统[1-2]遥电机驱动控制系统的主要零部件

驱动电机故障模式分析

图1电机驱动系统的主要部件

收稿日期院2019-12-13

作者简介院严婷婷渊1991-冤袁女袁安徽滁州人袁安徽赛宝工业技术研究院有限公司尧芜湖赛宝信息产业技术研究院有限公

司工程师袁硕士袁从事可靠性与环境试验研究工作遥

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

55电子产品可靠性与环境试验

2.1轴承系统

2020年

电动汽车驱动电机是一个复杂的机电系统袁受到机械应力尧热应力尧电应力和化学应力的作用袁其故障模式非常复杂遥有研究表明袁在中小型交流电机中袁轴承故障与绝缘故障占总故障数的97%曰在直流电机中袁轴承故障与绝缘故障占总故障数的56%袁电刷故障占总故障数的42%遥可以认为电机的故障主要是轴承和绝缘故障袁薄弱环节为轴承系统和绝缘系统[3]遥

电机的绝缘老化问题是电机故障的主要失效模式之一遥电机工作时袁由于电机离汽车发动机很近袁电机环境温度会高于40益袁且在受高频损耗影响和峰值状态工作环境下袁电机会处在很高的温升下袁这会加速其绝缘老化遥同时袁绕组绝缘中存在着气泡袁而气体的介电常数很小袁使得气泡中的电场强度要比周围介质中高很多袁气体击穿场强比较低袁容易产生局部放电遥局部放电将导致绝缘材料加速腐蚀和表面空间电荷的积累袁从而影响材料表面的电压差袁进一步地影响绝缘材料的老化遥

影响轴承可靠性的主要因素包括轴承载荷变化尧转速变化尧润滑条件尧高温尧强酸和强碱等遥电机轴承在超低速时袁难以建立起润滑良好的油膜层曰超高速时袁轴承温度较高袁且磨损加剧遥润滑油在高温环境下会加速蒸发袁导致轴承处于干摩擦状态袁加速磨损失效遥由于车辆颠簸等原因袁电机不可避免地承受着变化的载荷袁受到一定的振动尧冲击袁从而导致轴承的局部变形遥

2.2绝缘系统

研究表明袁轴承寿命近似服从两参数的威布尔分布[5-6]袁其可靠度R1i渊t冤和寿命模型分别为院

渊1冤R1i渊t冤=exp[渊-t冤m]

浊6

LR=渊10冤渊C冤着fR渊2冤

60nfP

要轴承的特征寿命曰式渊1冤-渊2冤中院浊要要

m要要要形状参数曰

要可靠度为R时轴承的寿命曰LR要要n要要要轴承的转速曰C要要要轴承的额定动负载曰要寿命指数曰抓要要fP要要要载荷系数曰

fR要要可靠度的寿命修正系数遥

2

可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性所建立的数学模型遥建立可靠性模型的目的和用途在于定量分配尧估算和评估可靠性遥系统之间的常见可靠性模型结构有串联尧并联尧k/n和旁联模型[4]等遥

在建立电动汽车驱动电机系统的可靠性模型时袁假设院1冤电机与部件都只有故障状态和正常状态两种状态曰2冤各部件的故障相互独立遥

一般电机驱动系统中袁轴承系统由2个轴承组成袁电机绝缘系统主要由匝间绝缘尧相间绝缘和槽间绝缘组成袁直流母线电容系统由3个大电容构成袁在电机驱动控制系统中需要用到3个大功率电子器件渊IGBT冤袁驱动控制电路由大量的集成电路芯片尧电阻尧电容尧电子管尧电位器尧继电器和感性元件等组成遥当其中任一个部件发生故障时袁电机系统均不能正常工作袁故可把电机驱动系统当作可靠性串联系统袁电机驱动系统的可靠性框图如图2所示遥

驱动电机的可靠性模型

研究表明匝间绝缘尧相间绝缘和槽间绝缘都近似服从指数分布袁其可靠度R2i渊t冤为院

R2i渊t冤=exp渊-姿2it冤渊i=1尧2尧3冤渊3冤

姿2i=姿b仔E仔Q仔K仔C渊4冤姿b=Aexp渊THS+273冤G渊5冤

NT

式渊3冤-渊5冤中院姿b要要要基本失效率曰仔E要要要环境系数曰仔Q要要要质量系数曰仔K要要要种类系数曰仔C要要要结构系数曰THS要要要热点温度曰NT要要要温度常数曰G要要要加速常数曰A要要要失效率调整系数袁姿2i渊i=1袁2袁3冤要要要匝间绝缘尧相间绝缘尧槽间绝缘的失效率遥

各数据从文献[7]中可查到遥2.3直流母线电容系统

直流母线电容使用的是大容量电容袁研究表明袁大电容器的寿命近似服从指数分布袁其可靠度R3i渊t冤为院

R3i渊t冤=exp渊-姿3it冤渊i=1袁2袁3冤渊6冤

姿3i=姿b仔E仔Q仔CV渊7冤

姿b=A[渊S冤H+1]exp[B渊T+273冤G]渊8冤

NSNT

式渊6冤-渊8冤中院姿3i渊i=1袁2袁3冤要要要各母线电容的工作失效率曰

姿b要要要基本失效率袁10-6/h曰仔E要要要环境系数曰仔Q要要要质量系数曰仔CV要要要电容量系数曰T要要要工作环境温度曰S要要要工作电压与额定电压之比曰NS要要要应力常数曰B要要要形状参数曰

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

图2电机驱动系统可靠性框图

56第5期严婷婷等院电动汽车驱动电机可靠性模型的建立

NT要要要温度常数曰G要要要加速常数曰A要要要失效率调整系数遥

上述各个参数可根据电容器参数及工况查询文献[7]获得遥

2.4大功率电子器件

研究表明袁IGBT的寿命近似服从指数分布袁其可靠度R4i渊t冤为院

R4i渊t冤=exp渊-姿4it冤渊i=1袁2袁3冤渊9冤IGBT的失效率姿4i目前还没有统一的计算方法袁可查阅相关文献[8]获得遥2.5控制电路

控制电路由大量的集成电路芯片尧电阻尧电容尧电子管尧电位器尧继电器和感性元件等组成遥大量的研究表明袁电子元器件的寿命均服从指数分布遥

R5i渊t冤=exp渊-姿5it冤渊i=1袁2袁3噎袁n冤渊10冤式渊10冤中院姿5i要要要各电子元件的工作失效率袁可从文献[7]中查询各种电子元器件的工作失效率计算公式遥

例如袁集成芯片的工作失效率预计模型为院

姿=姿b仔E仔Q仔L仔T仔F渊11冤

-6

式渊11冤中院姿b要要要基本失效率袁10/h曰仔E要要要环境系数曰仔Q要要要质量系数曰仔L要要要成熟系数曰仔T要要要温度应力系数曰仔F要要要电路功能系数遥

半导体分立器件工作失效率预计模型院

姿=姿b仔E仔Q仔A仔S2仔r仔C渊12冤

式中院姿b要要要基本失效率袁10-6/h曰仔E要要要环境系数曰仔Q要要要质量系数曰仔A要要要应用系数曰仔S2要要要电压应力系数曰仔r要要要产品性能额定值系数曰仔C要要要结构系数遥

上式参数的取值和其他类型元器件工作失效率取值皆

可从文献[7]中获得遥2.6可靠性模型的建立

驱动电机内任一部件出现故障袁电机均不能正常工作袁根据图2电机驱动系统可靠性框图及各个部件工作失效率预计模型袁驱动电机的可靠性模型如下院

mmn

R渊t冤=仪Rji渊t冤=exp[-渊移i袁j=1姿ji冤t]=exp{-[渊t)+渊t冤+

浊2浊1i,j=1

n

3

姿21+姿22+姿23+姿31+姿32+姿33+姿41+姿42+姿43+姿51+姿52+噎+姿5n]t札

本文分析了电动汽车驱动电机的主要故障模式袁找出

了其薄弱环节袁并在此基础上袁建立了电动汽车驱动电机的可靠性串联模型袁可为电动汽车驱动电机的可靠性预计提供一定的参考遥

参考文献院

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结束语

渊13冤

我科学家发布亿级神经元类脑计算机据报道袁浙江大学联合之江实验室2020年9月1日在杭州发布一款包含1.2亿脉冲神经元尧近千亿神经突触的类脑计算机遥该计算机使用了792颗由浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片袁神经元数量规模相当于小鼠大脑遥

据介绍袁类脑计算是一种颠覆传统计算架构的新型计算模式袁被视为解决人工智能等领域计算难题的重要路径之一遥类脑计算机的工作原理类似于生物的神经元行为袁

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

信号来时启动袁没有信号就不运行袁相较于传统计算机能降低能耗尧提升效率遥

研究人员介绍袁目前该类脑计算机已经实现了多种智能任务袁例如院将类脑计算机作为智能中枢袁实现抗洪抢险场景下多个机器人协同工作曰模拟不同脑区建立神经模型袁为科学研究提供更快更大规模的仿真工具曰实现野意念打字冶袁对脑电信号进行实时解码等遥渊摘自人民网冤

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