《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》编制说明 - 全国汽车标准化 ...
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《 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 系 统 可 靠 性 试 验 方 法 》 编 制 说 明1 任 务 来 源本 标 准 的 制 定 计 划 由 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 下 达 , 项 目 计 划 编 号 :20090044-T-339; 项 目 名 称 为 “ 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 系 统 可 靠 性 试 验 方 法 ”。2 制 定 背 景 和 意 义近 几 年 来 , 车 用 驱 动 电 机 系 统 作 为 节 能 与 新 能 源 汽 车 的 核 心 零 部 件 , 受 到 了社 会 的 关 注 和 人 们 的 欢 迎 , 许 多 企 业 纷 纷 投 入 到 车 用 驱 动 电 机 系 统 的 研 发 和 生 产中 。 随 着 车 用 驱 动 电 机 系 统 产 品 研 发 和 生 产 的 不 断 深 入 , 需 要 有 相 应 的 标 准 来 进行 规 范 和 引 导 。3 制 定 原 则以 我 国 车 用 驱 动 电 机 系 统 生 产 和 应 用 情 况 为 依 据 , 以 适 应 我 国 电 动 汽 车 的 需求 为 目 标 , 通 过 制 定 和 实 施 本 标 准 , 规 范 和 引 导 企 业 的 生 产 行 为 , 促 进 经 济 效 益和 社 会 效 益 的 统 一 。标 准 的 制 订 要 进 行 认 真 的 成 本 效 益 分 析 , 使 标 准 限 值 的 确 定 与 经 济 、 技 术 发展 水 平 和 相 关 方 的 承 受 能 力 相 适 应 , 具 有 先 进 性 和 可 操 作 性 , 促 进 科 学 技 术 进 步 。4 标 准 起 草 过 程为 了 使 标 准 制 订 和 修 订 更 科 学 、 全 面 , 吸 收 行 业 内 有 代 表 性 的 相 关 企 业 和 研究 机 构 ( 包 括 检 测 机 构 , 电 动 汽 车 企 业 、 电 机 企 业 ), 全 国 汽 车 标 准 化 技 术 委 员会 电 动 车 辆 分 技 术 委 员 会 于 2009 年 组 织 成 立 了 “ 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 系 统 标 准研 究 工 作 组 ”, 系 统 开 展 驱 动 电 机 系 统 标 准 制 修 订 工 作 。 工 作 组 最 初 由 5 家 单 位组 成 , 后 来 根 据 工 作 需 要 , 同 时 应 国 内 相 关 的 整 车 和 电 机 企 业 要 求 , 将 工 作 组 范围 扩 大 到 20 余 家 。2009 年 8 月 19 日 在 天 津 召 开 了 工 作 组 第 一 次 会 议 。 会 议 对 驱 动 电 机 标 准 的现 状 和 存 在 的 问 题 进 行 了 讨 论 , 提 出 了 包 括 驱 动 电 机 可 靠 性 试 验 方 法 在 内 的 5项 标 准 的 制 修 订 工 作 。 会 议 同 时 确 定 由 北 京 理 工 大 学 牵 头 , 联 合 其 他 相 关 单 位 共同 研 究 制 定 驱 动 电 机 系 统 可 靠 性 试 验 方 法 。 会 后 由 北 京 理 工 大 学 起 草 了 标 准 草稿 。1
2009 年 12 月 7 日 至 8 日 , 在 北 京 召 开 了 工 作 组 第 二 次 会 议 。 会 议 对 该 标 准草 稿 进 行 了 讨 论 , 对 可 靠 性 考 核 试 验 的 工 况 及 等 效 方 法 进 行 了 重 点 讨 论 。2010 年 1 月 19 日 至 20 日 , 在 长 沙 召 开 了 工 作 组 第 三 次 会 议 。 会 议 再 次 对该 标 准 进 行 了 讨 论 , 会 议 要 求 工 作 组 成 员 单 位 会 后 分 别 提 供 乘 用 车 和 商 用 车 驱 动电 机 运 行 工 况 的 数 据 , 另 外 关 于 标 准 的 名 称 、 各 标 准 之 间 的 协 调 问 题 进 行 了 讨 论 。2010 年 4 月 14 日 , 在 天 津 召 开 了 工 作 组 第 四 次 会 议 。 会 议 对 该 标 准 中 不 同电 压 下 的 试 验 时 间 分 配 进 行 了 讨 论 , 要 求 起 草 单 位 在 编 制 说 明 中 给 出 理 论 或 统 计依 据 , 需 要 进 一 步 明 确 可 靠 性 考 核 过 程 中 , 检 查 的 时 间 间 隔 和 检 查 项 目 。2010 年 7 月 5 日 -6 日 , 在 北 京 召 开 了 工 作 组 第 五 次 会 议 , 这 也 是 工 作 组 扩大 后 的 第 一 次 会 议 , 驱 动 电 机 及 整 车 相 关 的 27 家 单 位 42 人 参 加 了 会 议 。 会 议 对可 靠 性 考 核 工 况 及 时 间 分 配 进 行 了 重 点 讨 论 。 会 后 起 草 单 位 针 对 标 准 存 在 的 争 议制 订 了 调 查 问 卷 , 在 工 作 组 范 围 内 进 一 步 征 集 了 意 见 。 根 据 这 些 意 见 , 起 草 单 位对 标 准 进 一 步 进 行 了 修 改 完 善 , 形 成 了 征 求 意 见 稿 。5 标 准 编 制 基 础本 标 准 的 起 草 主 要 参 照 了 以 下 标 准 或 文 件GB/T 18488.1-2006《 电 动 汽 车 用 电 机 及 其 控 制 器 技 术 条 件 》GB/T 18488.2-2006《 电 动 汽 车 用 电 机 及 其 控 制 器 试 验 方 法 》GB/T 19055-2003《 汽 车 发 动 机 可 靠 性 试 验 方 法 》GB/T 12678-90《 汽 车 可 靠 性 行 驶 试 验 方 法 》GB/T 19750-2005《 混 合 动 力 电 动 汽 车 定 型 试 验 规 程 》GB/T 3187-94《 可 靠 性 、 维 修 性 术 语 》GJB 899B-1990《 可 靠 性 鉴 定 和 验 收 试 验 》GJB 1391-92《 故 障 模 式 、 影 响 及 危 害 性 分 析 程 序 》GB/T 21975-2008《 起 重 及 冶 金 用 三 相 异 步 电 动 机 可 靠 性 试 验 方 法 》JB/T 50136.2-1999《 隔 爆 型 三 相 异 步 电 动 机 隔 爆 组 件 可 靠 性 指 标 评 定 方 法( 实 验 室 法 )》2
6 主 要 内 容 及 依 据6.1 试 验 条 件6.1.1 车 用 驱 动 电 机 系 统 的 套 数考 虑 到 可 靠 性 试 验 的 试 验 周 期 长 , 占 用 设 备 和 人 员 多 , 成 本 高 , 一 般 只 用 1套 。6.1.2 试 验 电 源可 靠 性 试 验 时 间 长 , 只 用 电 池 难 以 满 足 长 期 和 负 荷 循 环 工 作 的 电 压 电 流 持 续性 要 求 , 必 须 采 用 大 功 率 动 力 直 流 电 源 , 或 者 由 动 力 直 流 电 源 和 其 它 储 能 ( 耗 能 )设 备 联 合 提 供 。 参 考 国 内 外 已 有 功 率 电 源 的 输 出 特 性 规 定 了 稳 压 精 度 的 要 求 , 因为 电 压 的 稳 定 性 会 影 响 车 用 驱 动 电 机 系 统 的 损 耗 和 效 率 特 性 。6.1.3 冷 却 ,电 机 的 冷 却 方 式 对 不 同 的 车 用 驱 动 电 机 系 统 有 不 同 的 形 式 , 原 则 是 尽 量 模拟 , 方 便 实 现 。6.2 试 验 程 序6.2.1 故 障 的 处 理 时 间考 虑 到 温 升 对 车 用 驱 动 电 机 系 统 的 寿 命 有 很 大 影 响 , 停 机 时 会 导 致 车 用 驱动 电 机 系 统 内 的 温 度 下 降 , 为 了 对 考 核 时 间 进 行 补 偿 , 停 机 时 和 恢 复 工 作 后 的 若干 循 环 不 计 入 实 际 工 作 时 间 。6.3 可 靠 性 试 验 规 范6.3.1 可 靠 性 试 验 运 行 持 续 时 间 的 确 定电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 系 统 缺 乏 可 靠 性 长 期 运 行 的 大 量 试 验 数 据 , 通 过 “ 十 一五 ” 期 间 “863” 课 题 “ 车 用 驱 动 电 机 系 统 检 测 技 术 和 快 速 评 价 方 法 研 究 ” 和 其 它合 作 单 位 的 协 作 研 究 , 通 过 原 理 分 析 和 仿 真 及 部 分 试 验 , 在 参 考 发 动 机 的 可 靠 性试 验 规 范 和 其 它 电 机 可 靠 性 试 验 方 法 的 基 础 上 , 确 定 400 工 作 小 时 是 比 较 合 理 的试 验 考 核 时 间 。附 录 A1 为 从 可 靠 性 分 析 的 角 度 近 似 确 定 400h 试 验 时 间 的 方 法 。6.3.2 母 线 电 压考 虑 到 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 系 统 电 源 有 发 电 机 和 电 池 , 其 电 压 不 稳 定 , 而 直流 母 线 电 压 对 控 制 器 元 器 件 的 应 力 有 较 大 影 响 , 一 方 面 体 现 在 电 压 本 身 对 器 件 的3
影 响 , 另 一 方 面 , 电 压 变 化 时 控 制 器 为 了 达 到 同 样 的 负 载 会 调 节 电 流 , 从 而 使 得电 机 和 控 制 器 中 的 损 耗 发 生 变 化 , 影 响 被 试 件 的 温 升 和 老 化 程 度 , 所 以 采 用 了 电压 变 化 的 考 核 模 式 。最 高 工 作 电 压 和 最 低 工 作 电 压 的 持 续 时 间 考 虑 了 车 载 动 力 电 池 的 充 放 电 特性 ( 参 考 附 录 A2)、 循 环 工 况 和 电 动 汽 车 的 能 量 分 布 形 式 。6.3.3 负 荷 规 范1. 负 荷 规 范 的 复 杂 性 。 在 第 二 次 会 议 中 , 与 会 专 家 提 出 , 讨 论 稿 中 的 负 荷规 范 过 于 复 杂 , 实 施 困 难 , 因 此 对 负 荷 规 范 的 复 杂 性 做 了 大 幅 简 化 , 首先 将 负 荷 循 环 中 的 转 速 保 持 不 变 , 降 低 了 对 负 载 的 要 求 , 并 且 可 以 避 免负 载 和 车 用 驱 动 电 机 系 统 转 速 转 矩 变 化 的 协 调 问 题 ; 因 为 是 固 定 转 速 ,为 了 考 核 对 机 械 的 加 速 , 选 择 的 转 速 为 略 高 于 额 定 转 速 (1.1 倍 ); 再 就是 对 工 况 的 数 量 和 特 性 参 数 进 行 了 简 化 , 工 况 主 要 通 过 功 率 区 分 , 分 额定 功 率 、 峰 值 功 率 和 额 定 功 率 回 馈 三 种 状 态 , 这 些 工 况 相 对 来 说 比 较 容易 实 现 。2. 最 初 制 定 的 负 荷 规 范 充 分 考 虑 了 不 同 能 量 分 布 车 型 的 驱 动 电 机 系 统 的 负荷 分 布 特 性 , 负 荷 循 环 过 程 较 为 复 杂 , 但 负 荷 循 环 中 过 于 复 杂 的 工 况 过程 将 给 标 准 的 实 施 增 加 了 成 本 和 工 作 量 的 负 担 , 同 时 导 致 技 术 实 施 的 复杂 性 , 因 此 负 荷 循 环 最 后 采 用 了 简 化 形 式 。3. 从 提 高 能 量 利 用 率 的 角 度 考 虑 , 驱 动 电 机 系 统 必 须 具 备 能 量 回 馈 功 能 ,因 此 在 负 荷 循 环 中 具 有 负 转 矩 发 电 时 段 。 负 荷 循 环 中 以 额 定 工 况 为 主 ,兼 顾 电 动 和 发 电 。4. 电 动 汽 车 驱 动 电 机 系 统 在 路 况 的 条 件 下 其 负 荷 小 于 额 定 功 率 , 因 此 试 验中 的 负 荷 能 在 额 定 功 率 附 近 就 能 起 到 加 速 试 验 的 作 用 , 考 虑 到 电 机 系 统在 不 同 类 型 电 动 汽 车 配 置 中 具 有 不 同 的 功 能 侧 重 点 , 负 荷 规 范 主 要 针 对三 种 比 较 常 用 的 车 辆 电 传 动 系 统 做 了 分 别 处 理 , 主 要 体 现 在 发 电 、 电 动以 及 额 定 功 率 和 峰 值 功 率 的 时 间 分 配 上 。6.4 检 查 及 维 护6.4.1 数 据 监 测 和 记 录考 虑 到 成 本 和 数 据 积 累 , 可 靠 性 考 核 中 应 监 测 和 记 录 的 数 据 很 多 , 如 振 动 、4
噪 声 , 但 在 标 准 中 不 做 硬 性 规 定 。6.4.2 维 护为 了 保 证 试 验 的 顺 利 进 行 , 试 验 台 架 必 须 进 行 预 防 性 维 护 。7 附 录7.1 附 录 A1 试 验 考 核 的 时 间 确 定驱 动 电 机 系 统 可 靠 性 考 核 的 目 的 是 验 证 系 统 的 可 靠 性 是 不 是 满 足 电 动 汽 车的 需 要 , 即 判 断 电 机 系 统 产 品 是 否 满 足 可 靠 度 要 求 , 满 足 则 接 受 这 批 产 品 。为 了 方 便 安 排 试 验 , 因 此 采 用 定 时 截 尾 试 验 方 法 。为 了 尽 快 判 定 是 否 满 足 要 求 , 因 此 采 用 加 速 寿 命 试 验 , 关 键 是 加 速 应 力 和 加速 系 数 的 确 定 。考 虑 到 试 验 条 件 的 限 制 , 加 速 应 力 选 用 负 载 转 速 和 功 率 。经 过 前 期 的 研 究 表 明 , 电 机 系 统 中 几 乎 所 有 的 零 部 件 的 寿 命 的 加 速 系 数 最 后都 归 结 为 温 度 的 特 性 方 程 , 因 此 如 果 能 提 高 系 统 各 部 件 的 温 度 , 就 能 提 高 加 速 系数 , 而 功 率 ( 最 后 归 结 为 损 耗 ) 将 是 影 响 温 度 的 有 效 方 法 。假 定 :(1). 驱 动 电 机 系 统 的 效 率 近 似 不 变升 与 损 耗 成 正 比 ;(2) 路 况 条 件 下 的 平 均 功 率 为 额 定 功 率 的 60%;(3) 零 部 件 的 温 升 只 与 损 耗 和 热 阻 有 关 , 而 热 阻 不 变 , 即 零 部 件 的 温(4) 环 境 温 度 20 度 ;假 定 额 定 工 况 下 电 机 驱 动 系 统 的 寿 命 为 tp =3000 小 时 , 可 靠 度 =0.9, 置 信度 为 90%, 则 失 效 率 为 :1 1 ln( ) 3.5e-05(1/h)(1)t p由 于 只 有 一 个 样 本 , 因 此 允 许 失 效 数 为 0; 则 样 品 试 验 小 时 数 和 试 验 截 止 时间 都 为 T=65563 小 时 。即 正 常 试 验 必 须 做 将 近 7 年 ; 因 此 必 须 从 事 可 靠 性 加 速 试 验 。以 电 机 绕 组 绝 缘 ( 绝 缘 等 级 F 级 ) 为 例 , 文 献 中 其 加 速 系 数 与 温 度 的 关 系 如 下 :Awind1 1B( ) T 1 T 2 e(2)5
式 中 T1为 额 定 工 况 下 的 绕 组 温 度 , T 2 为 加 速 情 况 下 的 绕 组 温 度 ,B 为 常 数 。假 定 该 电 机 在 额 定 功 率 情 况 下 的 温 升 为 略 低 于 F 级 绝 缘 的 允 许 温 升 , 为100K, 因 此 其 额 定 工 况 下 的 温 升 为 60K, 如 果 在 额 定 功 率 下 加 速 试 验 , 则 加 速系 数 为 :即 加 速 条 件 下 的 试 验 截 止 时 间 为 :t01Acoil1 33.6(3)T 1951h (4)Acoil1即 试 验 1951 小 时 不 出 现 故 障 即 可 接 受 。若 希 望 试 验 截 止 时 间 为 400 小 时 , 则 要 求 加 速 系 数 为 :绕 组 温 升 121K, 功 率 为 额 定 功 率 的 1.2 倍 。TAcoil2 163(5)400当 然 , 单 纯 的 功 率 增 加 对 电 机 和 控 制 器 各 部 分 的 加 速 系 数 是 不 同 的 , 特 别 是散 热 方 式 的 不 同 和 对 机 械 损 耗 的 影 响 , 因 此 该 加 速 能 力 的 估 算 是 粗 略 的 , 仅 作 参考 。7.2 附 录 A2 最 高 电 压 最 低 电 压 时 间 的 确 定附 图 1、2、3 为 一 种 镍 氢 电 池 、 一 种 锂 离 子 电 池 和 一 种 锂 铁 电 池 的 放 电 特 性 ,可 以 看 出 , 镍 氢 电 池 的 电 压 平 台 区 域 较 小 , 而 锂 电 池 的 平 台 区 域 要 大 很 多 。 在 纯电 动 汽 车 的 应 用 中 , 直 流 母 线 的 电 压 变 化 基 本 和 电 池 放 电 的 特 性 一 致 , 不 过 由 于电 池 配 置 的 不 同 , 放 电 倍 率 不 同 , 最 高 电 压 和 最 低 电 压 出 现 的 时 间 也 不 同 。 然 而 ,由 于 电 动 汽 车 中 不 可 避 免 的 会 出 现 短 时 峰 值 功 率 和 能 量 回 馈 , 即 短 时 的 高 倍 率 放电 和 充 电 , 高 倍 率 放 电 增 加 了 低 电 压 出 现 的 时 间 , 回 馈 则 增 加 了 高 电 压 条 件 下 工作 的 时 间 。关 。在 混 合 动 力 汽 车 中 , 高 电 压 和 低 电 压 的 出 现 则 与 能 量 配 合 和 能 量 管 理 策 略 有因 此 , 虽 然 实 际 电 池 的 放 电 特 性 中 高 电 压 和 低 电 压 出 现 的 时 间 相 对 较 短 , 但为 了 实 现 可 靠 性 考 核 的 目 的 , 保 证 产 品 被 接 受 的 置 信 度 , 采 用 适 当 延 长 最 高 工 作电 压 和 最 低 工 作 电 压 的 施 加 时 间 , 可 以 起 到 加 速 试 验 的 效 果 , 一 方 面 可 以 考 核 对6
功 率 电 路 的 高 电 压 应 力 , 另 一 方 面 通 过 施 加 较 低 电 压 提 高 电 机 的 温 升 实 现 更 进 一步 的 加 速 考 核 。附 图 1 镍 氢 电 池 在 不 同 放 电 速 率 下 的 放 电 特 性附 图 2 一 种 锂 离 子 电 池 不 同 温 度 C/3 放 电 电 压 容 量 曲 线附 图 3 锂 铁 电 池 STL18650 的 放 电 特 性7