电动汽车 电机系统原理与测试技术,车用电机系统台架试验,2019/4/10,目录,试验台架结构 关键参数的台架试验方法 基于整车行驶工况的的测试技术 可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,车用电机系统性能的试验台架结构,试验台架结构,试验台架结构,电传动系统性能的试验台架结构示例,2019/4/10,BIT北京理工大学,2019/4/10,驱动电机及控制器效率的测量 电机控制器效率的测量 电机控制器效率的测量需要根据输入功率和输出功率的比值计算。 式中： 电机控制器效率； 电机控制器输出功率（kW）； 电机控制器输入功率（kW）。,关键参数的台架试验方法,关键参数的台架试验方法,电机效率的测量 电机效率应根据其输入功率和输出功率的比值计算： 式中： 电机效率； 电机输出功率（KW）； 电机输入功率（KW）。,2019/4/10,BIT北京理工大学,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,BIT北京理工大学,2019/4/10,转速-转矩工作测试点的选取 台架试验过程中，为了更加全面地掌握被测试电机系统在全部工作范围内的转速转矩特性，需要在尽可能多的工作点处进行测试和分析，但是为了减少测试工作量，又不宜选择过多的工作点。 转速点个数不少于10个，在满足最低和最高及相邻转速点选取规则前提下，应尽量包含必要的特征点； 每个转速点上的转矩点不少于10个，对于高转速点上的转矩点个数可以适当减少，但不少于5个，所选取的测试点应尽量包含必要的特征点,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,测量参数的选择 台架试验过程关键部件的参数包含： 电机控制器母线的电压和电流 电机的电压、电流、频率、转矩、转速和功率 电机、控制器和整个电机系统的效率 电枢绕组的电阻和温度 冷却介质的流量、压力和温度 电机关键部件的振动 通讯协议的执行情况、关键参数的标定、电感和电阻的非线性变化等,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,四. 测量过程中的注意事项 试验时，根据测量精度要求的大小，选用的测量仪器应具有足够的准确度 测量时被试电机应处于热平衡工作状态，电机控制器的电压、电流根据试验条件选取合适的值 试验时电机控制器的功率可通过电压、电流计算获得，也可通过功率分析仪测得 试验用的线缆如对试验结果产生影响则需调整 转矩和转速传感器同轴端应为刚性连接，对于精密测量结果应考虑对整个系统的结果进行适当的修正,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,关键参数的台架试验和验证 1.持续转矩和持续功率 试验时电机控制器直流母线电压设定为额定电压，在电机系统的规定条件下电机应能在规定的持续转矩和转速条件下长时间正常工作，并且不超过电机的绝缘等级和温升限值。 利用转速转矩数值，可以得到电机在相应点的持续功率： 式中： 电机轴端的持续功率（kW）。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,2. 电峰值转矩和峰值功率 峰值转矩试验的试验条件是电机系统处于实际冷态下，控制器母线电压设定为额定值 试验时，电机系统工作于固定的峰值转矩、转速条件下，并持续一段时间，电机系统能够正常工作，并且不超过电机的绝缘等级和温升限制（不同持续时间峰值功率不同） 如需多次从事峰值转矩的测量，宜将电机回复到实际冷态在进行第二次测量 获取峰值转矩和相应的工作转速后利用电机的峰值功率计算公式计算相应工作点的峰值功率,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,3. 堵转转矩 堵转转矩的试验条件是电机系统处于实际冷态下，控制器母线电压设定为额定值，试验时，应将电机转子堵住，通过电机控制器施加所需的堵转转矩，记录转矩和时间； 改变电机定子和转子的相对位置，沿圆周等分5个堵转点，重复上述实验，每次重复前宜将电机回复到实际冷状态，堵转时间应相同，取5次测量的转矩最小值作为实验结果。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,4.最高工作转速 试验过程中，电机控制器直流母线电压设定为额定电压，电机系统宜处于热工作状态。 试验时，应匀速调节试验台架，使电机的转速至最高工作转速，并施加一定的负载，工作稳定后, 在此状态下的持续工作时间应不少于3min。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,5.效率MAP和高效工作区 试验时电机系统应达到热工作状态，控制器母线电压为额定值，由于要测量的点比较多可以省略某些点改用插值的方法将这些点进行填充，如表所示绘制等效曲线得到MAP图如右图所示。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,6.控制精度 转速控制精度 电机系统处于空载状态，在10%90%最高工作转速范围内，均匀取10个不同的转速点作为目标值。 转矩控制精度 电机系统处于负载状态，在设定转速条件下的10% 90%峰值转矩范围内，均匀取10个不同的转矩点作为目标值。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,7.响应时间 转速响应时间 试验需要记录电机控制器从接受到转速期望指令信息开始至第一次达到规定容差范围的期望值所经过的时间，实验取5次测量结果的最大值作为转速响应时间。 转矩响应时间 试验需要记录电机控制器从接受到转矩期望指令信息开始至第一次达到规定容差范围的期望值所经过的时间，实验取5次测量结果的最大值作为转矩响应时间。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,六. 电机系统的馈电性能测试 试验时，被试电机系统由原动机（测功机）拖动，处于馈电状态，根据试验目的和测量参数的不同，电机控制器工作于设定的直流母线电压条件下，电机在相应的工作转速和转矩负载下进行馈电试验。 记录馈电状态时电机控制器的直流母线电压、直流母线电流、电机各相的交流电压、交流电流，以及电机轴端的转速和转矩等参数，同时计算并获得功率、馈电效率等数值，绘制相关曲线。必要时，应对试验结果进行修正。,关键参数的台架试验方法,2019/4/10,三种循环工况 1.UDDS 2.HWFET 3.混合动力汽车的10-15工况,基于整车行驶工况的试验技术,2019/4/10,针对不同的车型选用不同的工况循环作为电机驱动系统在试验台上的动态仿真环境。 图为某一车用电机系统按照UDDS工况换算得到的转速和转矩工作点分布图。,基于整车行驶工况的试验技术,2019/4/10,一. 可靠性数量特征 1.可靠度 可靠度是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率，记作 ，产品寿命 是随机变量，因此，可靠度可表示为： 式中 t 规定的时间。,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,2.失效率 失效率 是工作到t时刻尚未失效的产品，在时刻t后的单位时间内发生失效的概率，失效率 与可靠度 的关系可表示为：,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,3.平均寿命 平均寿命是标志产品平均工作时间的特征量，是寿命的数学期望，它与失效概率密度和可靠度的关系可由下式表示： 可修复和不可修复产品的平均寿命含义不同。 产品失效和使用时间的关系如图所示：,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,二. 常见的寿命分布类型 1.威布尔分布 两参数威布尔分布的概率密度函数为 可靠度函数 失效率函数 平均寿命函数 其中 -尺度参数，越大，分布的分散程度越大； m-形状参数，m0 ，m 取不同值时，概率密度函数曲线的形状不同，使得威布尔分布拟合能力较强， m1时，故障率为常数，即指数分布情况，相当于产品的偶然失效期。 -伽玛函数。,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,2.指数分布 设随机变量T服从指数分布，则失效概率密度函数为 可靠度、失效率和平均寿命分别为,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,三. 电机系统的失效模式 永磁同步电机驱动系统的薄弱环节包含绕组绝缘、轴承、永磁体、母线电容和控制电路等。 右图为过高温造成的绕组外层被烧毁的情况,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,不同绝缘等级下绕组绝缘寿命和失效率随温度的变化关系,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,永磁体失磁后电机输出状态和过电流导致的IGBT 烧毁情况,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,四. 电机系统的可靠性串联模型 通过对电动汽车永磁同步电机系统薄弱环节的失效机理及其对电机性能的影响分析，可以看出，电机和控制器的任一环节出现故障，都将导致电机输出性能的恶化，只有各环节都正常工作，电机系统才能正常运行。则系统的可靠性框图如下所示,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,五. 电机系统的可靠性影响因素 直流母线电压对控制器元器件的可靠性有较大影响，一方面体现在电应力本身对器件的影响，另一方面体现在电机和控制器的损耗发生了变化。 过载造成轴承机械负荷过重，电流增大，电机损耗增加，对驱动控制线路中功率器件的寿命产生直接影响，并通过温升对绕组绝缘寿命产生间接影响。 过温导致定子绕组绝缘老化、烧毁，永磁体退磁等致命故障或严重故障，使电机和控制器丧失正常功能。 环境温湿度、电机负载和母线电压等因素直接或间接通过温升影响电机温度，影响系统可靠运行。,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,加速寿命试验基本理论 1. 加速寿命原理 恒应力、步进应力和序进应力条件下加速寿命试验原理,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,2. 加速应力 加速寿命试验中的应力是广义的应力概念，包含热应力、机械应力电应力、湿应力、化学应力、辐射等等。 加速寿命试验在选择加速应力时主要考虑应力对失效机理的加速作用，要求加速应力便于试验控制，并且存在合适的加速模型。 产品失效的快慢与受到的外加应力条件密切相关，不同类型的应力将会促使不同失效机理的发展。,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,加速模型 1） 产品寿命分布与所受应力的关系 加速寿命试验的基本思想是利用高应力水平下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征，其关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系，即所谓的S-t曲线，如图所示,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,2）常用的加速模型 1. 阿伦尼斯（Arrhenius）模型 其中： -产品寿命特征；A-常数，与产品和试验方法相关；E-退化机理的激活能，其值随退化机理的不同而有所不同；K-Boltzman常数；T-绝对温度。 两边取对数得： 其中,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,2. 幂律（Power Law，PL）模型 A、 常数，与产品和试验方法等相关， S应力水平。 两边取对数得： 其中：,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,3. 艾林（Eyring）模型 当T变化较窄时 式中：A、E、 、B待定常数；KBoltzman常数； T绝对温度；S温度以外的其他应力。 两边取对数得： 其中,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,4. 多应力加速模型 式中， N ，n为幂律模型中的参数，b为材料系数，T0为室温，T为绝对温度；B阿伦尼斯模型中的参数；E施加的电应力水平； E0产品进行加速试验的最小电应力（在这个电应力水平和室温的条件之下，产品的寿命可认为是无限的）。 L0当E E0且在室温T0下产品的基本寿命。,可靠性耐久性试验简介,2019/4/10,3）系统级产品加速寿命试验研究方法 转化法：根据木桶原理，任何一种产品的寿命都取决于该产品中易失效件的寿命，找出薄弱环节后，整机产品的加速寿命试验就转化为零部件或元器件的加速寿命试验。 性能退化法：当产品受到环境应力作用时，材料的性能或状态会随之产生复杂的物理-化学变化，产品发生故障的可能性与其性能参数逼近极限状态的过程密切相关。 可靠性增长理论法：对于参试产品来说，加速寿命试验是一个可靠性随着试验时间的增加、试