驱动电机系统可靠性测试方法研究和影响因素分析

来源：汽车电器作者：佚名 2015-07-23 11:01:03

摘要：介绍电机系统的失效故障模式和当前的可靠性测试标准，选取某混合动力电机系统进行测试验证，对结果和可靠性测试影响因素进行分析，初步研究驱动电机系统实际工况，指出当前标准的不足和后续完善的方向。

能源和环保的压力，以及政策的鼓励，推动纯电动汽车和混合动力车进一步推广。车辆使用过程中的可靠性直接影响行车安全和用户体验。驱动电机系统作为电动汽车的动力输出单元，相当于传统汽车的发动机，其可靠性至关重要。通过台架测试对驱动电机系统可靠性进行测试评价，可以大幅降低整车的故障率。本文以某混合动力车的电机系统为研究对象，对驱动电机系统的故障失效模式和可靠性测试评价方法进行分析研究。

    1 驱动电机可靠性测试研究现状
    从20世纪60年代起，美国开始进行工业电机可靠性研究，主要针对军用的微特电机方面，形成了一些军方标准。之后各国开始重视电机可靠性，开展了相关研究，并以ISO， IEC等组织牵头，制订了一些可靠性标准。国内从1982年开始开展相关研究，并发布了冶金及起重用三相异步电动机的测试标准。通过研究，后续又制订了《小型电机可靠性评定规范》、《起重及冶金用三相异步电动机可靠性试验方法》等标准川。对传统工业电机可靠性的研究通常从绝缘性能研究电机失效模式及机理、结构和工艺可靠性、可靠性试验方法、可靠性设计等。
    当前电动汽车使用的电机以永磁同步电机和三相异步电机为主，和传统工业电机相比，使用环境更恶劣，电机工况和系统控制方式更复杂，因此电机的失效模式也有所差异。针对电动汽车驱动电机系统的可靠性测试，国内北理工等高校和研究机构也进行了研究，并推出了2个可靠性相关标准QC/T893-2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断》和GB/T29307-2012《电动汽车驱动电机系统可靠性试验方法》。其中规定了驱动电机系统的故障分类和可靠性台架试验方法，满足了部分电机可靠性设计和测试的需求。

    2 故障失效模式和可靠性试验方法
    驱动电机系统的工作过程满足失效率盆型曲线（图1），按照失效率的变化，可以分为早期失效、偶然失效和损耗失效。早期失效率通过出厂检验、初步老化等试验可过滤掉大部分不合格产品。进入偶然失效期的产品处于稳定工作阶段，此阶段失效率低，通常由于非严重的偶然因素导致，通过日常维护保养有改善。损耗失效是系统的部件过度磨损或老化引起的损坏，产品达到了正常的使用寿命。对于驱动电机系统可靠性的测试研究主要针对损耗失效情况。

    根据可能引发的后果，电动汽车用驱动电机系统的故障模式分为4级：致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障，见表1.

    从失效模式中可以看出，致命故障和严重故障主要是由于温度和机械应力的影响导致驱动电机系统失效。
    GB/T29307-2012《电动汽车驱动电机系统可靠性试验方法》提出基于绕组绝缘加速老化模型，适用于纯电动和混合动力车的驱动电机系统。电机的绝缘老化是交流电机的主要故障，目前公认的绝缘热老化模型为

    式中：L----平均绝缘寿命，h; T----绝缘材料的温度，K; k----波尔兹曼常数；Ea，G----与绝缘材料有关的系数。
    此标准假定电机驱动系统的寿命为3 000 h，制定时参考了发动机可靠性试验方法，采用了400 h的截尾试验。针对可能出现的高转速运行，专门设计了2h的最高转速额定功率试验。虽然标准设计时考虑到电机绕组理论温升至120 K，并且理论温度加速系数采用163，但是考虑到实际试验中的不可预知应力，实际试验强度比理论试验强度略低.

    3 可靠性试验设计和验证
    为了对驱动电机系统可靠性测试进行进一步研究，选取了某混合动力车的电机系统进行402 h的耐久测试。
    1）测试驱动电机系统介绍此混合动力电机系统和变速器高度集成，在整车上实际通过风冷和内部循环溅油进行冷却。试验时采用了风扇模拟散热条件。具体参数为：星型连接，额定功率9.5 kW，额定转矩30 Nm ，额定转速3 130 r/min，自然风冷，峰值功率17.0 kW，最大转矩105 Nm，最高转速6 200 r/min。
    2）测试方案采用电力测功机进行试验。将被测电机安装在台架上，电机的输出轴和测功机输出轴通过法兰连接。当被测电机处于电动驱动模式时，测功机作为负载工作在发电状态；被测电机处于馈电模式时，测功机处于电动状态，拖动被测电机工作，如图2所示。

    通过电压电流传感器、扭矩传感器，对电机系统的扭矩、转速、电压、电流进行实时监控并记录。
    3）测试工况依据GB/T 29307-2012的循环工况进行可靠性试验。试验顺序及试验条件如表3及图3所示，其中试验子循环的试验顺序及条件如表4所示。试验中，每1h记录一次数据，每24h停机检修一次。

    测试分成4个阶段进行，分别是额定工作电压试验、最高工作电压试验、最低工作电压试验和最高工作转速试验，一共进行402 h循环。

    4）测试结果的评价电机失效的主要因素是绝缘老化，试验前后绝缘性能的变化成为重要的评价指标。绝缘性能降低会导致绝缘电阻减小、电机系统输出能力变化、温升特性变化以及系统的效率降低。因此，设计以下指标作为可靠性老化评价的参考：绝缘电阻、峰值转矩、峰值功率、堵转转矩、温升、系统效率。可靠性试验前后结果对比见表5。

    从图4可以看出，可靠性试验前后电机转矩一转速特性曲线无明显变化。驱动电机系统外特性无明显变化，系统输出和馈电的能力无明显降低。如图5所示，对可靠性试验前后驱动电机系统电动状态的效率进行了比较，最高效率的变化也很小。从本次测试结果看，此混合动力驱动电机系统在可靠性试验前后性能变化很小，绝缘性能没有劣化。