1、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究可靠性研究研 究 生：景詩毅背景和意義 n1835-1836年的運(yùn)河投資熱n1922-1929年的鐵路n1985-2000年的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)熱n2004-2008年的太陽能而由于能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車即將成為新的一代科技明星。通用汽車百年慶典，雪佛蘭VOLT電動(dòng)車量產(chǎn)版全球首發(fā)在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中，人類科技迄今共經(jīng)歷了4次科技熱潮：背景和意義n電動(dòng)汽車清潔無污染、能量效率高、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，使得電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化勢(shì)不可擋。在電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化過程中，企業(yè)和客戶都非常關(guān)注電動(dòng)汽車的可靠性。n驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，其可靠性研究不但能夠獲得電動(dòng)汽

2、車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，為行業(yè)提供經(jīng)濟(jì)適用的可靠性考核方法和可靠性考核標(biāo)準(zhǔn)，能夠大力促進(jìn)我國電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化，加快我國電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。 背景和意義20世紀(jì)40年代。1943年電子管研究委員會(huì)成立，專門研究電子管的可靠性問題20世紀(jì)50年代 。1952年美國國防部成立了電子設(shè)備可靠性咨詢組(AGREE)。于1957年發(fā)表了軍用電子設(shè)備可靠性的研究報(bào)告，標(biāo)志著可靠性已成為一門獨(dú)立的學(xué)科，是可靠性工程發(fā)展的重要里程碑。n20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)60年代是可靠性工程全面發(fā)展的階段，也是美國武器系統(tǒng)研制全面貫徹可靠性大綱的年代。70年代以后。1977年國際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)設(shè)立了可靠性與

3、可維修性技術(shù)委員會(huì)可靠性研究發(fā)展四階段萌芽階段興起和發(fā)展時(shí)期全面發(fā)展階段國際化發(fā)展階段可靠性指標(biāo) n可靠度： n平均壽命：n失效率：( )()R tP Tt0( )MTTFR t dt( )( )rtNr tt背景和意義分析電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的可靠性影響因素，對(duì)可靠性幾種建模方式進(jìn)行了介紹，分析了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性模型，采用冗余設(shè)計(jì)來進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)分析電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單應(yīng)力加速模型，建立多應(yīng)力加速模型，利用二元一次插值法來估算多應(yīng)力加速模型參數(shù) 對(duì)電動(dòng)汽車回饋制動(dòng)的基本原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)回饋制動(dòng)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的影響進(jìn)行了分析 分析電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障模式及其故障機(jī)理，

4、建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高密度、高效率低成本、寬調(diào)速直流電動(dòng)直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁無刷永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)新一代牽引新一代牽引電機(jī)系統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低噪聲、不需要位置傳感器、轉(zhuǎn)速極限高矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高功率密度較高電機(jī)尺寸小、體積小轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性城市無軌電車上廣泛應(yīng)用重量和體積也較大電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障模式及故障機(jī)理分析電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障模式及故障機(jī)理分析 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組

5、成 故障模式故障機(jī)理絕緣電阻下降受潮，積灰，絕緣材料有缺陷絕緣老化連續(xù)高溫，頻繁啟動(dòng)，過載，冷熱循環(huán)絕緣擊穿材料缺陷，尖峰電壓，線圈移動(dòng)（由于電磁力、沖擊、振動(dòng)）造成的絕緣損傷，積灰焊接點(diǎn)被助焊劑腐蝕變質(zhì)腐蝕油，藥污損，浸蝕，運(yùn)行電壓過高，沖擊電壓斷線沖擊和振動(dòng)，焊接點(diǎn)接觸不良而過熱，熱脹冷縮定子故障模式和故障機(jī)理定子故障模式和故障機(jī)理n定子絕緣故障: 主要是電壓過高，絕緣局部擊穿。n定子鐵芯故障: 主要是由于鐵芯松動(dòng) n定子繞組故障： (a) 過負(fù)載下定子損傷 (b) 機(jī)械疲勞造成定子開裂 轉(zhuǎn)子故障模式和故障機(jī)理n轉(zhuǎn)子繞組:和定子繞組相同n轉(zhuǎn)子磁鋼：主要包括磁鋼脫落和退磁兩個(gè)方面。其中：磁鋼

6、脫落的主要故障機(jī)理是粘接工藝欠佳，粘接劑選擇不當(dāng)，結(jié)構(gòu)不合理。退磁的主要故障機(jī)理是高溫，振動(dòng)，電樞反應(yīng)，選用磁鋼不當(dāng)?shù)萵轉(zhuǎn)子本身故障：一方面，轉(zhuǎn)子中的高頻電流引起集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻上升，使轉(zhuǎn)子銅耗增大，造成磨損嚴(yán)重；另一方面，如果有缺陷，變形，外力沖擊，設(shè)計(jì)和工藝不合理，會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條。 (a) 振動(dòng)造成繞組線圈損壞 (b) 轉(zhuǎn)子斷條電機(jī)故障模式和故障機(jī)理n軸故障模式及機(jī)理 故障模式故障機(jī)理磨損電磁力波頻率與電動(dòng)機(jī)的固有頻率一致的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生共振；軸承中有粗糙研磨物，研磨造成振動(dòng)；有慣性力作用于保持架上，潤(rùn)滑不良；因過載、內(nèi)圈膨脹或外圈收縮而使間隙不當(dāng)，軸承不圓使內(nèi)外圈變形，有壓痕，裝

7、配偏心或加載偏心，內(nèi)外圈與軸肩、軸承孔的配合松動(dòng)造成旋轉(zhuǎn)爬行，轉(zhuǎn)速過高 壓痕軸承靜止時(shí)振動(dòng)，磨粒的存在 電蝕電流連續(xù)或間斷通過軸承開裂與斷裂配合太緊，裝配面不勻稱，軸承座變形，旋轉(zhuǎn)爬行，過載，運(yùn)行期間與軸承座、軸肩碰撞或摩擦，裝配過程錘擊，潤(rùn)滑不充分，轉(zhuǎn)速過高或慣性過大靜載過大，裝配程序不當(dāng)，錘擊組裝 腐蝕軸承內(nèi)有濕氣，水分和配液 IGBT故障模式和故障機(jī)理n靜電放電及相關(guān)原因引起的失效占很大的比例n其他主要故障有短路，擊穿和燒壞n故障機(jī)理主要是過熱，過壓，過流（長(zhǎng)時(shí)間過流運(yùn)行，短路超時(shí)，過高的di/dt）。 母線支撐電容故障模式及機(jī)理 故障模式故障機(jī)理防爆閥打開過電壓，過電流，施加交流電，頻

8、繁充放電，電壓反向容量下降過電壓，過電流，頻繁充放電，施加交流電，電壓反向，使用溫度過高，長(zhǎng)時(shí)間使用損耗上升過電壓，過電流，電壓反向，頻繁充放電，施加交流電，使用溫度過高，長(zhǎng)時(shí)間使用短路附著金屬微粒，鋁箔引線毛刺，氧化膜劣化漏電流上升氧化膜缺陷，使用溫度過高，長(zhǎng)時(shí)間使用，電解液量不足開路沖擊，振動(dòng)，粘接劑涂層劑的使用，引線和鋁箔接觸不好電容故障表象圖DSP控制電路故障模式及機(jī)理 故障模式故障機(jī)理電阻等無源元件短路、開路老化，過應(yīng)力，裝配不合理，電路板受到?jīng)_擊和振動(dòng)集成電路壞老化，過應(yīng)力連接線斷線，碰殼等焊接質(zhì)量差，安裝不當(dāng)，沖擊，振動(dòng)焊接點(diǎn)接觸不良工藝不良，助焊劑差，焊盤太小電連接器松動(dòng)脫焊焊

9、接質(zhì)量差，安裝不當(dāng)，沖擊，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹建立 定轉(zhuǎn)子繞組定轉(zhuǎn)子繞組電機(jī)軸承電機(jī)軸承IGBT控制電路控制電路母線電容母線電容絕緣壽命與絕緣溫度的關(guān)系 定轉(zhuǎn)子繞組壽命失效率: PbEQkC a) 不同絕緣等級(jí)基本失效率曲線b) 不同環(huán)境溫度下的基本失效率曲線 基本失效率: 273()GHSTTNpAe610()()60RRLGSYHTEPCLf f f f f f f fnf p滾動(dòng)軸承的壽命: IGBT的功率循環(huán)次數(shù)： exp()fjmQNATR T直流母線電容：一般采用大容量的電解電容，主要影響 因素有母線電壓，環(huán)境溫度以及紋波電流。 控制電路可靠性影響因素：溫度和電應(yīng)力（電壓，電流）可靠

10、性模型 串聯(lián)模型 并聯(lián)模型 混聯(lián)模型 并-串聯(lián)模型 串-并聯(lián)模型 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性框圖： 驅(qū)動(dòng)控制電路可靠性框圖 電機(jī)可靠性框圖 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全冗余設(shè)計(jì) 系統(tǒng)失效率為：1276.79 10S可靠度為：0.999StSRe驅(qū)動(dòng)控制部分并聯(lián)65.67310S系統(tǒng)失效率為：可靠度為：0.9887StSRe電機(jī)部分并聯(lián)系統(tǒng)失效率為：可靠度為：63.09 10S0.9938StSRe薄弱環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì) 系統(tǒng)失效率為：可靠度為：60.6 10S0.9988StSRe電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)提高可靠性的辦法EMC設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)降額設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn) (a)

11、恒定應(yīng)力試驗(yàn) (b)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn) (c)序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)阿倫尼斯(Arrhenius)模型：323330340350360370378024681012x 104壽 命 -溫 度 應(yīng) 力溫 度 應(yīng) 力 T壽命壽命特征： 38.859 1015.8TLe阿倫尼斯(Arrhenius)模型：加速系數(shù)(AF)： 3233303403503603703780102030405060加 速 系 數(shù) -溫 度 應(yīng) 力溫 度 應(yīng) 力 T加速系數(shù)3118.8559 10()323TCAFe逆冪率(inverse power model)模型 壽命特征： 11.051.11.151.21.251.31.351.41

12、2345678910 x 104壽 命 -電 應(yīng) 力 倍 率電 應(yīng) 力 倍 率壽命451010)(inLVV逆冪率(inverse power model)模型加速系數(shù)(AF)： 5)(niVA FV3233303403503603703780102030405060加 速 系 數(shù) -溫 度 應(yīng) 力溫 度 應(yīng) 力 T加速系數(shù)簡(jiǎn)單多應(yīng)力復(fù)合模型 38.859 1015.85)(iTnLeVV壽命特征： 11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x 104電 應(yīng) 力 倍 率溫 度 應(yīng) 力壽命簡(jiǎn)單多應(yīng)力復(fù)合模型11.051.11.151.21.25

13、34035036037038001020304050電 應(yīng) 力 倍 率 a溫 度 應(yīng) 力 T加速系數(shù)3118.859 10 ()5323()nTCiVAFeV加速系數(shù)(AF)： 溫度應(yīng)力下的加速系數(shù)曲線 二元一次函數(shù)插值法 雙應(yīng)力插值網(wǎng)絡(luò) 多應(yīng)力加速模型（考慮耦合作用）0.0320.1013.9847.78(,)TTLTe壽命特征： 11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x 104電 應(yīng) 力 倍 率 a溫 度 應(yīng) 力 T估計(jì)壽命插值法擬合下的壽命曲線 多應(yīng)力加速模型（考慮耦合作用）加速系數(shù)(AF)： 0.032(1 338) 0.10(338) 13.98(1)( )/i iiiTTijjiAF RLLe11.051.11.151.21.2534035036037038001020304050電 應(yīng) 力 倍 率 a溫 度 應(yīng) 力 T估計(jì)加速系數(shù)插值法擬合下的加速系數(shù)曲線 回饋制動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的影響 典型都市工況下驅(qū)動(dòng)能與制動(dòng)能比較 1回饋