CN102589891B

CN102589891B - 一种车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法

Info

Publication number: CN102589891B
Application number: CN 201210053139
Authority: CN
Inventors: 宋强; 杨凯丽
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN102589891A

Abstract

本发明涉及一种用于评估车用电机驱动系统可靠性的加速寿命的台架试验方法。考虑到车用电机系统实际运行环境和工况，通过具体分析各关键零部件不同的失效机理和影响因素，计算得到加速寿命因子以及对应的平均寿命，建立各关键零部件的寿命加速曲线，并通过该曲线外推得到各关键零部件在正常应力条件下的失效数据。然后根据上述数据计算得出车用电机驱动系统的使用寿命预期值并进而将由之确定出的车用电机系统的更换或维护时间外显给用户。利用本发明进行台架寿命考核试验，能有效减少试验时间、降低成本、缩短研发周期；并能够帮助电动汽车制造商或汽车4S店的工作人员方便地获知车辆的使用寿命和在用车辆的更换或维护时间。

Description

一种车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法

技术领域

本发明涉及车用电机驱动系统可靠性相关技术领域，确切地说涉及一种用于评估车用电机驱动系统可靠性的加速寿命试验方法。

背景技术

在电动汽车产业化过程中，其可靠性已成为企业和客户关注的焦点。电机驱动系统作为电动汽车的核心零部件，其可靠性水平在很大程度上决定了整车的可靠性水平，将直接影响电动汽车产业化发展的前景。随着科学技术的发展及人们安全意识的加深，用户对电机系统的要求标准越来越高，可靠性越来越受到重视。

电动汽车电机驱动系统由电机及其控制器组成，它的任务是在驾驶员的控制下，高效地将电池的电量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到电池中。车用电机驱动系统功率密度高、工作环境恶劣、工况复杂、器件工作温度高、振动剧烈，这些因素加剧了零部件的失效，影响整个系统的可靠性水平。

车用电机驱动系统的设计寿命长达几十万公里，可靠性试验考核难度较大，成本较高。目前，关于车用电机驱动系统的可靠性加速试验还没有专用设备，因此也就无法对其进行可靠性加速试验。为了减少试验时间、降低试验成本、缩短研发周期，本发明采用加速寿命试验方法考核车用电机系统可靠性，在电动汽车领域具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

与此同时，车用电机驱动系统是电动汽车传动系统中的重要组成部件。现实生活中，整车维护时间很大程度上取决于车用电机驱动系统的维护时间，而由于车用电机驱动系统一般布置于车辆的动力舱内，难于通过常规的测量仪器对其中部件的应力以及失效进行检测或监测，导致难于通过常规的方法确定得出使用中的车用电机驱动系统的使用寿命预期值。而对于电动车辆的制造商或者汽车4S店的工作人员来说，迫切地需要了解其制造或者需要进行维护的车辆的剩余使用寿命，亦即车用电机驱动系统的使用寿命预期值以便于了解车辆的使用寿命或者更好地对车辆的更换和维护。因此业界迫切地需要一种能够确定车用电机系统的使用寿命预期值的方法来解决上述现实生活中需要解决的技术问题。

加速寿命试验（ALT）是可靠性试验技术的一个重要分支，其主要理论是，在不改变产品失效机理的前提下，强化产品故障的主要物理化学过程，即加大应力因子，以此达到加速试验的目的。该方法建立在一定的失效物理理论、进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型，对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到产品在正常应力水平下可靠性特征的数值估计。一般可借助于热、电、机械等外界或内部应力使之加速，在相对较短的时间内通过加速使用环境确定产品可靠性。

国内外各大汽车工业巨头均十分重视加速寿命试验方法，取得了许多成果，产品的研发水平和技术水平都得到全面发展。20世纪70年代初，加速寿命试验技术进入我国，引起相关领域的广泛兴趣，处于边研究边应用的状态，目前主要应用于武器装备、航空航天、机械电子领域。

申请号为201010129921.X的中国专利申请中公开了一种汽车变速箱的加速寿命试验方法，其中公开了在常用转速下对汽车变速箱进行加速寿命试验的方法；申请号为201010238799.X的中国专利申请中公开了一种元器件的长寿命评测方法，其中公开了通过试验方法确定元器件的最佳加速模型以对元器件的长寿命进行评测的方法；申请号为201110170973.6的中国专利申请中公开了一种电子产品的加速寿命试验方法，其中公开了基于“寿命-应力”加速模型来对电子产品的寿命进行评测的技术内容；申请号为201010187824.6的中国专利申请中公开了一种混合动力发动机的可靠性试验系统，其通过dspace软件进行自动模拟控制，来进行混合动力发动机的可靠性试验；专利号为ZL200710094621.0的中国专利中公开了一种发电机的耐久性试验台，其中通过自动控制实现发电机的耐久性试验；申请号为201010623747.4的中国发明专利申请中公开了一种吊篮电机的动态寿命试验台架，其中也通过自动控制实现吊篮电机的动态寿命试验；尽管上述发明专利申请文件或专利文件或多或少地涉及到了加速寿命的试验，但均是针对单一的机械元件或电子元件进行的试验方法或步骤；而并未涉及包括机械部件和电子部件的组合试验；据申请人了解，对于由机械部件和电子部件组合而成的车用电机系统加速寿命试验，国内外研究较少，目前还没有比较完善的车用电机系统加速寿命试验方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于估计电动汽车用电机驱动系统可靠性的耐久寿命估计方法。首先分析车用电机系统的故障模式和失效机理，得到系统失效判据和外界应力与系统可靠性的关系，然后根据电动汽车用电机系统的实际运行环境和运行工况、试验设备承受能力和加速寿命试验要求，确定试验所施加的加速应力，计算相应的加速因子，再依据系统设计寿命确定台架加速寿命试验规范，利用系统在加速应力水平下的失效数据，外推得到系统在正常应力水平下的寿命数据，从而统计得到车用电机系统的可靠性指标，进而确定车用电机系统的使用预期寿命值并进而将由之确定出的车用电机系统的更换或维护时间外显给用户。

具体地说，一种车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，包括通过驱动系统的加速寿命的台架试验来估计驱动系统的耐久寿命，其中试验台架包括：恒温恒湿试验箱、电池模拟设备、被试电机和电机控制器、测功机和测功机控制器、转矩仪、电源柜、计算机控制系统及冷却系统；其中所述恒温恒湿试验箱提供试验所需的外界环境应力，电池模拟设备为电机控制器输入恒压直流电，测功机与被试电机同轴连接，为被试电机提供可控的负载，计算机控制系统实时监测被试电机系统的转速、转矩、功率及控制器电压和电流，根据设定工况控制测功机和被试电机的转速转矩，冷却系统为电机控制器及电机本体提供冷却液；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

a.分析作为车用电机的薄弱环节的多个关键零部件的故障模式和失效机理，得到系统失效判据和外界应力与系统可靠性的关系，根据寿命要求和正常应力条件下的运行情况，确定应力量级以及加速寿命试验规范；

b.通过恒温恒湿试验箱将应力施加到被试电机上以分别在正常应力和加速应力条件下对被试电机进行短时试验，以获得系统稳定运行状态中的运行状态参数，以用于计算加速寿命因子；

c.通过调节恒温恒湿试验箱将在a步骤中确定的应力量级施加到车用电机上，通过计算机控制系统，保证被试电机在上述确定的应力量级下，按照试验规范中制定的试验负荷循环进行恒定应力且定时截尾的加速寿命试验，在该恒定应力加速寿命试验中，以被试电机的关键零部件为研究对象，考虑加速应力对各关键零部件可靠性的影响，通过关键零部件的失效率与加速应力的关系式，计算加速应力条件下与正常应力条件下的失效率之比，以得到在所述确定的应力量级下的上述关键零部件的加速寿命因子，与此同时通过加速寿命试验获得被试电机中各关键零部件的平均寿命；

d.通过在c步骤中所获取的各关键零部件的加速寿命因子以及对应的平均寿命，建立各关键零部件的寿命加速曲线，并通过该曲线外推得到各关键零部件在正常应力条件下的失效数据；

e.通过数理统计的方法得出作为系统薄弱环节的各个关键零部件和车用电机系统在正常使用条件下的可靠性指标，进而根据上述关键零部件和车用电机系统正常使用条件下的可靠性指标计算得出车用电机驱动系统的使用寿命预期值并进而将由之确定出的车用电机系统的更换或维护时间外显给用户。

其中作为车用电机的薄弱环节的多个关键零部件包括以下零部件组中的至少一个，其中所述零部件组包括：电机绝缘件、电机轴承、母线支撑电容、IGBT、电机控制电路以及电机磁钢。

其中所述a步骤中的失效判据包括以下判据参数组中的至少一个，其中所述判据参数组包括：电机控制器输出电压、电机控制器输出电流、电机转速、电机转矩以及电机功率因数。

其中对所述a步骤中的多个关键零部件的故障模式和失效机理分析通过故障树分析法来进行。

其中所述b步骤中的运行状态参数包括以下参数组中的至少一个，其中所述参数组包括：轴承温度、绕组温升、驱动功率管压降、电机电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：本发明所述试验方法考虑到车用电机系统实际运行环境和工况，具体分析各关键零部件不同的失效机理和影响因素，计算得到加速寿命因子；试验台架均采用可靠性较高的设备，结构简单、运行可靠，可以提供高于系统正常工作应力水平的加速应力，环境应力控制灵活准确，易于高效地对电机系统进行加速寿命试验，有效减少试验时间，降低试验成本、缩短产品研发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例中的技术方案，下面将对下列具体实施方式部分中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1为车用电机系统故障模式和失效机理简表

图2为本发明所述方法的流程图

图3为试验台架总体布局图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案的附图，进行清楚、完整地描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明车用电机系统加速寿命试验方法流程图如图1所示，其具体实施方式如下：

确定车用电机系统的可靠性指标，本发明采用系统平均故障前工作时间MTTF和平均故障间隔时间MTBF来衡量系统的可靠性。

分析系统薄弱环节（电机绝缘、轴承、母线支撑电容、IGBT、控制电路、磁钢）故障模式和失效机理，选择控制器输出电压和电流值、电机转速和转矩、电机功率因数作为系统失效判据，并辅助观察控制器过流和过温保护指示灯。

根据系统可靠性影响因素、实际运行环境和工况及试验要求，保持系统电源电压恒定，选择温度、湿度、电机负载作为试验加速应力，并确定应力量级。

加速寿命试验前，需分别在正常应力和加速应力条件下先对电机进行短时试验，待系统运行状态稳定后，测得部分运行状态参量，如轴承温度、绕组温升、驱动功率管压降、电流等，便于计算加速寿命因子。

车用电机系统既包含电子元器件，又有轴承、机架等机械部件，同一个试验条件对系统不同部分可靠性的影响不同，甚至相差比较大，即电机系统进行加速寿命试验时，存在不同的失效机理，因此，若对整个系统直接套用已知的加速模型，得到的最终结果会存在一定偏差。本发明中，在计算加速寿命因子时，选取零部件为研究对象，考虑加速应力对各关键零部件可靠性的影响，根据手册或经验公式中零部件失效率与加速应力的关系式，计算加速应力条件下与正常应力条件下的失效率之比，得到所选加速应力对关键零部件的加速寿命因子。

根据失效判据、加速寿命因子、置信度及电机系统在正常应力条件下的运行情况和寿命要求，设计加速寿命试验规范，确定试验样本数、试验时间、测试循环负荷规范、故障检测等内容。考虑到车用电机系统批量较少、成本和试验费用较高，一般采用1～2台电机系统作为试验样本。试验时间要根据系统设计寿命、加速因子、可靠度及置信度来确定。考虑到要通过试验预测电机系统寿命，系统可靠性试验采取恒定应力加速寿命试验，采用定时截尾试验方法。系统运行在额定功率条件下，分别在额定电压、最高电压、最低电压下运行一定时间，结合加速寿命因子和累积损伤理论对实验数据进行外推。故障检测：采用故障诊断器、仪表和计算机实时监测电机转速转矩、功率及控制器电压电流。

确定试验台布置方案，如图2所示，该试验台由恒温恒湿试验箱、电池模拟设备、被试电机和电机控制器、测功机和测功机控制器、转矩仪、电源柜、计算机控制系统及冷却系统等几部分组成。试验箱提供试验所需的外界环境应力，电池模拟设备为电机控制器输入恒压直流电，测功机与被试电机同轴连接，提供被测电机的负载并且可控，计算机控制系统实时监测被试电机系统的转速、转矩、功率及控制器电压和电流，根据设定工况控制测功机和被试电机的转速转矩，冷却系统为电机控制器及电机本体提供冷却液。进行可靠性试验时，试验台能提供高于实际工况的环境应力，实现可靠性加速试验。

试验数据处理：根据前面得到的加速寿命因子，将各零部件失效时间乘以相应的加速寿命因子，外推得到正常应力条件下的失效数据，然后用数理统计的方法估计出各薄弱环节和系统在正常使用条件下的可靠性指标。进而根据上述关键零部件和车用电机系统正常使用条件下的可靠性指标计算得出车用电机驱动系统的使用寿命预期值并进而将由之确定出的车用电机系统的更换或维护时间外显给用户。

计算机控制系统：向其输入零部件的工作环境和加速环境参数，便可得到所选加速应力对各零部件的加速寿命因子，由实验数据直接外推得到正常应力条件下的可靠性数据。均通过软件完成。

冷却方式：不同的车用驱动电机系统有不同的形式，尽量模拟，方便实现。

故障的处理时间：故障停机时和停机后的若干循环不计入运行时间。

应力选取：温度、湿度、电压（额定电压、最高电压、最低电压）、额定功率。

软件、控制部分：一旦出现故障，自动停机检查。

负荷循环：转速不变转矩：额定工况为主兼顾电动和发电能量回馈，负载转矩发电。

加速寿命因子计算：

结合电机实际运行情况和可靠性影响因素，选择加速应力，制定试验负荷循环，计算加速寿命因子，电机并非一直工作在额定状况，加速应力也就非恒定应力，对在恒定应力下计算的加速寿命因子进行修正。结合累积损伤理论进行非恒定应力下加速系数的计算：额定、最高、最低电源电压。

软件：自动记录电压、电流、转速、转矩、启动次数、运行时间及故障现象，由试验数据得出系统、自动记录中断状态。

Claims

1.一种车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，包括通过驱动系统的加速寿命的台架试验来估计驱动系统的耐久寿命，其中试验台架包括：恒温恒湿试验箱、电池模拟设备、被试电机和电机控制器、测功机和测功机控制器、转矩仪、电源柜、计算机控制系统及冷却系统；其中所述恒温恒湿试验箱提供试验所需的外界环境应力，电池模拟设备为电机控制器输入恒压直流电，测功机与被试电机同轴连接，为被试电机提供可控的负载，计算机控制系统实时监测被试电机系统的转速、转矩、功率及控制器电压和电流，根据设定工况控制测功机和被试电机的转速转矩，冷却系统为电机控制器及电机本体提供冷却液；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，其特征在于：其中作为车用电机的薄弱环节的多个关键零部件包括以下零部件组中的至少一个，其中所述零部件组包括：电机绝缘件、电机轴承、母线支撑电容、IGBT、电机控制电路以及电机磁钢。

3.如权利要求1或2所述的车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，其特征在于其中所述a步骤中的失效判据包括以下判据参数组中的至少一个，其中所述判据参数组包括：电机控制器输出电压、电机控制器输出电流、电机转速、电机转矩以及电机功率因数。

4.如权利要求1或2所述的车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，其特征在于对所述a步骤中的多个关键零部件的故障模式和失效机理分析通过故障树分析法来进行。

5.如权利要求1或2所述的车用电机驱动系统耐久寿命的估计方法，其特征在于所述b步骤中的运行状态参数包括以下参数组中的至少一个，其中所述参数组包括：轴承温度、绕组温升、驱动功率管压降、电机电流。