1、电动汽车驱动系统电动汽车驱动系统可靠性研究可靠性研究研 究 生：景诗毅背景和意义 n1835-1836年的运河投资热n1922-1929年的铁路n1985-2000年的计算机网络热n2004-2008年的太阳能而由于能源危机和环境污染问题，电动汽车即将成为新的一代科技明星。通用汽车百年庆典，雪佛兰VOLT电动车量产版全球首发在现代工业发展过程中，人类科技迄今共经历了4次科技热潮：背景和意义n电动汽车清洁无污染、能量效率高、低噪声的优点，使得电动汽车的产业化势不可挡。在电动汽车的产业化过程中，企业和客户都非常关注电动汽车的可靠性。n驱动系统是电动汽车的关键部件之一，其可靠性研究不但能够获得电动汽
2、车电机驱动系统的可靠性指标，为行业提供经济适用的可靠性考核方法和可靠性考核标准，能够大力促进我国电动汽车的产业化，加快我国电动汽车的快速发展。 背景和意义20世纪40年代。1943年电子管研究委员会成立，专门研究电子管的可靠性问题20世纪50年代 。1952年美国国防部成立了电子设备可靠性咨询组(AGREE)。于1957年发表了军用电子设备可靠性的研究报告，标志着可靠性已成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。n20世纪60年代。20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。70年代以后。1977年国际电子技术委员会(IEC)设立了可靠性与
3、可维修性技术委员会可靠性研究发展四阶段萌芽阶段兴起和发展时期全面发展阶段国际化发展阶段可靠性指标 n可靠度： n平均寿命：n失效率：( )()R tP Tt0( )MTTFR t dt( )( )rtNr tt背景和意义分析电动汽车驱动系统薄弱环节的可靠性影响因素，对可靠性几种建模方式进行了介绍，分析了驱动系统的可靠性模型，采用冗余设计来进行了可靠性设计分析电动汽车驱动系统单应力加速模型，建立多应力加速模型，利用二元一次插值法来估算多应力加速模型参数 对电动汽车回馈制动的基本原理和研究现状进行了介绍，并对回馈制动对整个驱动系统可靠性的影响进行了分析 分析电动汽车驱动系统的故障模式及其故障机理，
4、建立驱动系统故障树 开关磁阻电机驱动系统高密度、高效率低成本、宽调速直流电动直流电动驱动系统驱动系统感应电机感应电机驱动系统驱动系统永磁无刷永磁无刷电机系统电机系统新一代牵引新一代牵引电机系统电机系统结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高矢量控制调速技术比较成熟驱动电路复杂，成本高功率密度较高电机尺寸小、体积小转子结构简单，稳定性好结构简单优良的电磁转矩控制特性城市无轨电车上广泛应用重量和体积也较大电动汽车驱动系统的结构 电动汽车驱动系统结构图 驱动系统故障模式及故障机理分析电动汽车驱动系统主电路拓扑图驱动系统故障模式及故障机理分析 驱动系统的组
5、成 故障模式故障机理绝缘电阻下降受潮，积灰，绝缘材料有缺陷绝缘老化连续高温，频繁启动，过载，冷热循环绝缘击穿材料缺陷，尖峰电压，线圈移动（由于电磁力、冲击、振动）造成的绝缘损伤，积灰焊接点被助焊剂腐蚀变质腐蚀油，药污损，浸蚀，运行电压过高，冲击电压断线冲击和振动，焊接点接触不良而过热，热胀冷缩定子故障模式和故障机理定子故障模式和故障机理n定子绝缘故障: 主要是电压过高，绝缘局部击穿。n定子铁芯故障: 主要是由于铁芯松动 n定子绕组故障： (a) 过负载下定子损伤 (b) 机械疲劳造成定子开裂 转子故障模式和故障机理n转子绕组:和定子绕组相同n转子磁钢：主要包括磁钢脱落和退磁两个方面。其中：磁钢
6、脱落的主要故障机理是粘接工艺欠佳，粘接剂选择不当，结构不合理。退磁的主要故障机理是高温，振动，电枢反应，选用磁钢不当等n转子本身故障：一方面，转子中的高频电流引起集肤效应使转子电阻上升，使转子铜耗增大，造成磨损严重；另一方面，如果有缺陷，变形，外力冲击，设计和工艺不合理，会使转子发生断条。 (a) 振动造成绕组线圈损坏 (b) 转子断条电机故障模式和故障机理n轴故障模式及机理 故障模式故障机理磨损电磁力波频率与电动机的固有频率一致的时候，电动机会发生共振；轴承中有粗糙研磨物，研磨造成振动；有惯性力作用于保持架上，润滑不良；因过载、内圈膨胀或外圈收缩而使间隙不当，轴承不圆使内外圈变形，有压痕，装
7、配偏心或加载偏心，内外圈与轴肩、轴承孔的配合松动造成旋转爬行，转速过高 压痕轴承静止时振动，磨粒的存在 电蚀电流连续或间断通过轴承开裂与断裂配合太紧，装配面不匀称，轴承座变形，旋转爬行，过载，运行期间与轴承座、轴肩碰撞或摩擦，装配过程锤击，润滑不充分，转速过高或惯性过大静载过大，装配程序不当，锤击组装 腐蚀轴承内有湿气，水分和配液 IGBT故障模式和故障机理n静电放电及相关原因引起的失效占很大的比例n其他主要故障有短路，击穿和烧坏n故障机理主要是过热，过压，过流（长时间过流运行，短路超时，过高的di/dt）。 母线支撑电容故障模式及机理 故障模式故障机理防爆阀打开过电压，过电流，施加交流电，频
8、繁充放电，电压反向容量下降过电压，过电流，频繁充放电，施加交流电，电压反向，使用温度过高，长时间使用损耗上升过电压，过电流，电压反向，频繁充放电，施加交流电，使用温度过高，长时间使用短路附着金属微粒，铝箔引线毛刺，氧化膜劣化漏电流上升氧化膜缺陷，使用温度过高，长时间使用，电解液量不足开路冲击，振动，粘接剂涂层剂的使用，引线和铝箔接触不好电容故障表象图DSP控制电路故障模式及机理 故障模式故障机理电阻等无源元件短路、开路老化，过应力，装配不合理，电路板受到冲击和振动集成电路坏老化，过应力连接线断线，碰壳等焊接质量差，安装不当，冲击，振动焊接点接触不良工艺不良，助焊剂差，焊盘太小电连接器松动脱焊焊
9、接质量差，安装不当，冲击，振动驱动系统故障树建立 定转子绕组定转子绕组电机轴承电机轴承IGBT控制电路控制电路母线电容母线电容绝缘寿命与绝缘温度的关系 定转子绕组寿命失效率: PbEQkC a) 不同绝缘等级基本失效率曲线b) 不同环境温度下的基本失效率曲线 基本失效率: 273()GHSTTNpAe610()()60RRLGSYHTEPCLf f f f f f f fnf p滚动轴承的寿命: IGBT的功率循环次数： exp()fjmQNATR T直流母线电容：一般采用大容量的电解电容，主要影响 因素有母线电压，环境温度以及纹波电流。 控制电路可靠性影响因素：温度和电应力（电压，电流）可靠
10、性模型 串联模型 并联模型 混联模型 并-串联模型 串-并联模型 电动汽车驱动系统可靠性模型驱动系统的可靠性框图： 驱动控制电路可靠性框图 电机可靠性框图 电动汽车驱动系统可靠性设计驱动系统完全冗余设计 系统失效率为：1276.79 10S可靠度为：0.999StSRe驱动控制部分并联65.67310S系统失效率为：可靠度为：0.9887StSRe电机部分并联系统失效率为：可靠度为：63.09 10S0.9938StSRe薄弱环节冗余设计 系统失效率为：可靠度为：60.6 10S0.9988StSRe电动汽车驱动系统可靠性设计提高可靠性的办法EMC设计热设计冗余设计降额设计加速寿命试验 (a)
11、恒定应力试验 (b)步进应力试验 (c)序进应力试验阿伦尼斯(Arrhenius)模型：323330340350360370378024681012x 104寿 命 -温 度 应 力温 度 应 力 T寿命寿命特征： 38.859 1015.8TLe阿伦尼斯(Arrhenius)模型：加速系数(AF)： 3233303403503603703780102030405060加 速 系 数 -温 度 应 力温 度 应 力 T加速系数3118.8559 10()323TCAFe逆幂率(inverse power model)模型 寿命特征： 11.051.11.151.21.251.31.351.41
12、2345678910 x 104寿 命 -电 应 力 倍 率电 应 力 倍 率寿命451010)(inLVV逆幂率(inverse power model)模型加速系数(AF)： 5)(niVA FV3233303403503603703780102030405060加 速 系 数 -温 度 应 力温 度 应 力 T加速系数简单多应力复合模型 38.859 1015.85)(iTnLeVV寿命特征： 11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x 104电 应 力 倍 率温 度 应 力寿命简单多应力复合模型11.051.11.151.21.25
13、34035036037038001020304050电 应 力 倍 率 a温 度 应 力 T加速系数3118.859 10 ()5323()nTCiVAFeV加速系数(AF)： 温度应力下的加速系数曲线 二元一次函数插值法 双应力插值网络 多应力加速模型（考虑耦合作用）0.0320.1013.9847.78(,)TTLTe寿命特征： 11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x 104电 应 力 倍 率 a温 度 应 力 T估计寿命插值法拟合下的寿命曲线 多应力加速模型（考虑耦合作用）加速系数(AF)： 0.032(1 338) 0.10(3
14、38) 13.98(1)( )/i iiiTTijjiAF RLLe11.051.11.151.21.2534035036037038001020304050电 应 力 倍 率 a温 度 应 力 T估计加速系数插值法拟合下的加速系数曲线 回馈制动对驱动系统可靠性的影响 典型都市工况下驱动能与制动能比较 1回馈制动：在这种模式下，对车辆的减速度要求较低，并且要求动力电池SOC值低于其最大运行阈值；2紧急制动：车辆要求快速制动，制动力由机械制动和驱动电机同时提供3能耗制动：动力电池的SOC值达到可充电最大的阈值，为了保护电池，停止制动能量对动力电池充电和反馈。电动汽车制动方式 回馈制动对驱动系统可靠性的影响电动汽车主要省油技术项目比较 回馈制动对驱动系统可靠性的影响回馈制动系统结构图 回馈制动对驱动系统可靠性的影响驱动系统原理框图
