电动汽车驱动系统

电动汽车驱动系统可靠性研究研究生：景诗毅背景和意义1835-1836年的运河投资热1922-1929年的铁路1985-2000年的计算机网络热2004-2008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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。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。20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可靠度：平均寿命：失效率：()()RtPTt0()MTTFRtdt()[()]rtNrtt产品浴盆曲线偶然失效期工作时间t早期失效期使用寿命耗损失效期因为修而下降的失效率λ(t)失效率规定的失效率t1t0驱动系统可靠性研究现状电容功率器件电机轴承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主要研究内容分析电动汽车驱动系统的故障模式及其故障机理，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、宽调速直流电动驱动系统感应电机驱动系统永磁无刷电机系统新一代牵引电机系统电动汽车驱动系统分类结构简单、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逆变器（IGBT)电机光电耦合母线电压采样两相电流采样DSP控制电路稳压电源PC电动汽车+-驱动信号保护信号电动汽车驱动系统结构图MUdcCT1T3T5T6T4T2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电机驱动系统永磁同步电机驱动器定子转子轴承定子绕组定子铁芯转子绕组转子磁钢主电路控制器功率器件散热器母线电容集成电路控制电路驱动，保护电路转子转轴驱动系统的组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定子绝缘故障:主要是电压过高，绝缘局部击穿。定子铁芯故障:主要是由于铁芯松动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转子绕组:和定子绕组相同转子磁钢：主要包括磁钢脱落和退磁两个方面。其中：磁钢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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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静电放电及相关原因引起的失效占很大的比例其他主要故障有短路，击穿和烧坏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接质量差，安装不当，冲击，振动驱动系统故障树建立驱动电机系统故障+电机本体故障驱动器故障定子故障定子铁芯故障转子故障轴故障转子本身故障定子绕组故障控制电路+++++轴承故障转轴故障功率管（IGBT）故障母线支撑电容故障187654329转子绕组故障磁钢故障101定子铁芯故障+过负载机械疲劳铁芯松动+2,3定,转子绕组故障绝缘老化断线绝缘电阻下降绝缘击穿冲击振动过载高温冷热循环频繁启动受潮积灰材料缺陷冲击电磁力振动材料缺陷绝缘损伤尖峰电压积灰+++++焊点接触不良腐蚀变质+局部放电浸蚀油药污损4转子磁钢+磁钢脱落退磁振动高温电枢反应选用材料不当工艺不佳粘贴剂不当++5转子本身故障+磨损断条缺陷变形外力冲击设计工艺不合理集肤效应转子定子磨擦++6转轴故障+轴弯曲断裂缺陷变形外力冲击设计工艺不合理+电蚀压痕开裂磨损腐蚀轴承内有湿气，水分和配液电流连续或间断通过轴承磨粒存在间隙不当润滑不良振动转速过高外圈收缩内圈膨胀过载转速过高惯性过大润滑不充分摩擦装配面不均称过载装配程序不当静载过大+7轴承故障++++轴承静止时振动装配程序不当过压过流8母线电容故障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氧化膜缺陷电解液量不足附着金属颗粒铝箔和引线毛刺氧化膜劣化冲击振动粘贴剂和涂层剂的使用引线和铝箔接触不好漏电流上升电解液蒸发电解液失效+等效电阻过大起鼓爆浆+容量下降损耗上升++++短路+开路++烧坏，击穿短路过热++9功率管（IGBT）故障驱动电路故障光耦器故障电源故障断路短路+静电放电过压过流++集射极过压栅极过压长时间过流擎住效应杂散电感过压短路+焊接点故障连接线故障无源元件故障集成电路故障+电连接器松动脱焊冲击振动过应力装配不合理+老化+碰壳断线安装不当焊接质量差++工艺不良助焊剂差焊盘太小10DSP控制电路电动汽车驱动系统薄弱环节BECDA定转子绕组电机轴承IGBT控制电路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()GHSTTNpAe610()()60RRLGSYHTEPCLffffffffnfp滚动轴承的寿命:IGBT的功率循环次数：exp()fjmQNATRT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）可靠性模型R1R2RiRn串联模型R1R2RiRn并联模型R1R2R1R2R4R3R1R2R5R6混联模型R1R2RiRnR1R2RiRnR1R2RiRnR1R2RiRnR1R2RiRn12jm并-串联模型R1R2RiRnR1R2RiRnR1R2RiRnR1R2RiRn12jm串-并联模型电动汽车驱动系统可靠性模型驱动控制电机驱动系统的可靠性框图：半导体电阻功率管电容元件n直流母线电容IGBT控制电路驱动控制电路可靠性框图定转子绕组轴承转轴磁钢铁芯电机可靠性框图电动汽车驱动系统可靠性设计驱动控制电机驱动控制电机驱动系统完全冗余设计系统失效率为：1276.7910S可靠度为：0.999StSRe驱动控制驱动控制电机驱动控制部分并联65.67310S系统失效率为：可靠度为：0.9887StSRe电机电机驱动控制电机部分并联系统失效率为：可靠度为：63.0910S0.9938StSRe定转子绕组轴承S1磁钢铁芯驱动控制驱动控制定转子绕组轴承转轴S2S3薄弱环节冗余设计系统失效率为：可靠度为：60.610S0.9988StSRe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)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：323330340350360370378024681012x104寿命-温度应力温度应力T寿命寿命特征：38.8591015.8TLe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3118.855910()323TCAFe逆幂率(inversepowermodel)模型寿命特征：11.051.11.151.21.251.31.351.412345678910x104寿命-电应力倍率电应力倍率寿命451010)(inLVV逆幂率(inversepowermodel)模型加速系数(AF)：5)(niVAFV3233303403503603703780102030405060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38.8591015.85)(iTnLeVV寿命特征：11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x104电应力倍率温度应力寿命简单多应力复合模型11.051.11.151.21.2534035036037038001020304050电应力倍率a温度应力T加速系数3118.85910()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378K338KVi/Vn11.25T(K)A4(x1,y2)A3(x2,y2)A1(x1,y1)A2(x2,y1)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：11.051.11.151.21.2532034036038000.511.522.533.5x104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(