三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性試驗研究與應(yīng)用

隨著汽車電氣化的不斷發(fā)展，零部件的集成化設(shè)計趨勢亦不斷推進，三合一驅(qū)動總成方案成為各廠家競爭的熱土。相對早期電驅(qū)方案，三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、體積變小，利于布置；質(zhì)量輕，低行駛能耗；三相直連，可靠又經(jīng)濟；重心下降，利于整車操控；高速傳動，帶來較高扭矩容量和總成效率提升；可擴展的模塊化設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本效益。

1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)概述

文中以圖1所示的三合一電驅(qū)系統(tǒng)為研究對象，主要由控制器、減速器和電機三部分組成，此結(jié)構(gòu)擺脫了電機、減速器和控制器單獨設(shè)計再組裝的思路，直接將三者進行一體化設(shè)計。此結(jié)構(gòu)具有高扭矩容量、可攜帶更高轉(zhuǎn)速電機的優(yōu)點，但對于齒輪和軸承的耐久性、殼體強度、油封密封性都提出了更高的要求，尤其是電機控制器，需要和電機作為一個主體運行，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其運行環(huán)境發(fā)生了變化，可靠性要求更為苛刻，因此對三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性驗證具有重要意義。三合一電驅(qū)系統(tǒng)是由機械部件和電子部件組成的復(fù)雜綜合體，其可靠性取決于模塊自身的可靠性及模塊間組合方式和相互匹配，由于時間和篇幅限制，文中著重對三合一電驅(qū)動系統(tǒng)機械機構(gòu)的可靠性進行驗證。

圖1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性研究的依據(jù)

汽車產(chǎn)品可靠性是指在一定時間內(nèi)、一定條件下，無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。對于機械結(jié)構(gòu)，其失效約90%來源于疲勞。可靠性可定義為：如果結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可修復(fù)性故障，其可靠性可等同于耐久性；若故障可修復(fù)，其可靠性就是產(chǎn)品大修期、報廢期或者退役期對應(yīng)的耐久性。

文中研究的三合一電驅(qū)系統(tǒng)是電動汽車的心臟，其無故障運行時間是影響客戶滿意度的重要因素。機械結(jié)構(gòu)可靠性常采用加速壽命試驗來替代常規(guī)試驗，以達到短周期、低耗費、合理預(yù)估系統(tǒng)壽命的目的。

電機、控制器和減速器作為單體部件設(shè)計時，國內(nèi)廠家考核沿用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別是GB/T 18488.1-2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》、GB/T 29307-2012 《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法》和QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術(shù)條件》。

3 三合一電驅(qū)系統(tǒng)對可靠性試驗技術(shù)要求的選擇與應(yīng)用

3.1 電子/電氣元件機械負荷可靠性試驗方法選擇

在三合一電驅(qū)總成系統(tǒng)中對電子/電氣元件機械負荷可靠性考核將使用ISO 19453-3-2018標(biāo)準(zhǔn)，主要有以下幾點原因：

(1)是專門針對新能源車輛的機械負荷；

(2)對電子/電氣件布置位置有更詳細的分類；

(3)標(biāo)準(zhǔn)中負荷要求對應(yīng)里程數(shù)也做了清晰說明，如果里程發(fā)生變化，可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定方法制定適配的技術(shù)要求；

(4)相對ISO 16750，ISO 19453-3對粗糙路況的定義發(fā)生較大變化，更貼近基礎(chǔ)設(shè)施改善；

(5)保持了應(yīng)力循環(huán)為107數(shù)量級；

(6)正弦振動考核時間要覆蓋一個溫度循環(huán)周期以上。

三合一電驅(qū)系統(tǒng)的電子/電氣部件機械負荷可靠性技術(shù)要求：

(1)隨機振動(10～100 Hz)：最大均方根加速度21.4 m/s2，每個方向10 h；

(2)正弦隨機振動-正弦(100～440 Hz)：最大加速度50 m/s2,考核頻率范圍10～100 Hz，每個方向33 h；

(3)正弦隨機振動-隨機(500～2 000 Hz)：最大均方根加速度68.7 m/s2,每個方向33 h；

(4)全部振動試驗需要在高/低溫度循環(huán)工況下完成。

3.2 電機、減速器機械可靠性試驗方法的應(yīng)用

3.2.1 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法介紹與分析

借鑒汽車發(fā)動機可靠性測試規(guī)范，采用定轉(zhuǎn)速、變化轉(zhuǎn)矩的工作模式且選用3個不同電壓平臺，對新能源驅(qū)動電機的可靠性進行考核，同時試驗對于不同車型的電機測試時間有所不同。圖2所示的是單個循環(huán)的試驗工況，其中nN為被試電機額定轉(zhuǎn)速，ns為試驗過程中被試電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值(r/min)，當(dāng)電壓為額定電壓或者最高電壓時，ns=1.1×nN；而電壓為最低電壓時，ns=最低電壓/最高電壓×nN；Tpp為被試驅(qū)動電機系統(tǒng)在峰值功率的額定扭矩(N·m)，當(dāng)電壓為最高電壓時,Tpp=峰值功率/ns；當(dāng)電壓為最低電壓時，Tpp=峰值功率/nN；TN為被試驅(qū)動電機系統(tǒng)的額定扭矩(N·m)；t為時間。

圖2 電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性測試循環(huán)示意圖

試驗加載循環(huán)過程如表1所示，總測試時間為402 h，結(jié)合電動汽車自身供電單元特性，電機及控制系統(tǒng)電壓采用浮動電壓，先在額定電壓下運行320 h，在最大電壓和最低電壓下各運行40 h，最后在額定工作電壓、額定功率下運行2 h。

表1電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性測試循環(huán)參數(shù)表

該測試方法是國內(nèi)電機廠商的主流試驗方法，但應(yīng)用于電驅(qū)系統(tǒng)時卻具有一定的局限性：

(1)未明確代表里程數(shù)：402 h是否能覆蓋目標(biāo)對象的里程數(shù)；

(2)未考核倒車工況；

(3)未明確運行溫度、電機運行溫度與極限溫度差值；

(4)缺乏性能衰減評價標(biāo)準(zhǔn)定義；

(5)僅有一個固定轉(zhuǎn)速工況(約為30%峰值轉(zhuǎn)速)：借鑒了汽車發(fā)動機可靠性測試規(guī)范，但忽略了發(fā)動機作為動力源的驅(qū)動系統(tǒng)包含多個擋位，即使發(fā)動機維持在最大功率，也可以考核多個輸出轉(zhuǎn)速的工況。

3.2.2 三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性試驗方法應(yīng)用

基于第3.2.1節(jié)中對可靠性試驗方法的分析，該部分主要針對上述局限性展開，制定三合一電驅(qū)總成試驗規(guī)范。

(1)電機可靠性循環(huán)周期確認

依據(jù)整車202 km小循環(huán)路譜，借助cruise仿真軟件，輸出三合一電驅(qū)系統(tǒng)的時間-車速-扭矩(含正能量回收)，其計算流程如圖3所示，主要包括制定整車工況、制定控制策略、進行實車采集及仿真，將轉(zhuǎn)速扭矩等效折算與平衡從而得到加強的載荷譜，可使用公式

計算單個循環(huán)的損傷，依據(jù)6.6萬里程數(shù)鎖定電驅(qū)系統(tǒng)輸出端累積損傷，并以目標(biāo)整車參數(shù)為藍本，車重按照50%最大載荷，40%中等載荷，10%空載，平均車速45 km/h連續(xù)行駛32萬千米，做計算累積損傷對標(biāo)。

圖3 電驅(qū)系統(tǒng)總成累計損傷折算方法獲得載荷譜流程圖

(2)溫度在可靠性工況制定

溫度是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素，可以使電氣元件和橡膠件加速老化、衰減、退磁、泄漏等，也可以使齒輪、軸承等零件加速膠合、點蝕、漏脂，因此在試驗過程中需要依據(jù)電機的散熱能力，確保試驗循環(huán)中零件的最高溫度點低于磁鋼許可溫度上限，增加循環(huán)水溫考核，使覆蓋整個可靠性循環(huán)工況。

(3)性能衰減評價標(biāo)準(zhǔn)定義

性能衰減評價標(biāo)準(zhǔn)定義：5%-10%。

(4)轉(zhuǎn)速

三合一電驅(qū)系統(tǒng)配備了高轉(zhuǎn)速電機，齒面相對滑動需要減小；較高轉(zhuǎn)速下，動態(tài)響應(yīng)增大，增加了齒輪箱的載荷，需要在可靠性試驗中驗證；軸承和油封尺寸一樣，線速度增大，發(fā)熱量增大，失效風(fēng)險增大，需要在持續(xù)高速工況下考核，高轉(zhuǎn)速下，齒輪發(fā)生膠合的風(fēng)險增大，需要在可靠性試驗中驗證。

3.2.3 衍生可靠性循環(huán)工況

基于前文折算輸出端累積損傷度、轉(zhuǎn)速占比后，借用多擋變速器輸出端損傷經(jīng)驗，在一個小循環(huán)內(nèi)50 km以下?lián)p傷占比40%～50%，100 km以上部分損傷占比20%～25%?；谠煽啃匝h(huán)工況衍生出如圖4所示的一個適于三合一電驅(qū)系統(tǒng)的可靠性循環(huán)工況。

圖4 基于原可靠性循環(huán)工況衍生的循環(huán)工況

4 結(jié)論

(1)針對電子/電氣元件機械負荷，比較標(biāo)準(zhǔn)時效性和標(biāo)準(zhǔn)使用對象，選定了適用于三合一系統(tǒng)的考核指標(biāo)；

(2)針對電機、減速器機械可靠性試驗，分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的局限性，就此展開研究。定義了試驗溫度要求和性能衰減評判指標(biāo)，結(jié)合項目應(yīng)用狀況，衍生出適應(yīng)于該項目的可靠性循環(huán)工況，使三合一電驅(qū)系統(tǒng)的驗證更為合理和完善。