电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计3.pdf

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1、电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计3胡伟1,2 温旭辉1 刘钧11.中国科学院电工研究所 2.中国科学院研究生院 摘要:能源危机促进了电动汽车的发展,作为其关键部件之一的电机驱动系统的可靠性直接影响着电动汽车的广泛应用。重点对电动汽车电机驱动系统可靠性进行分析。建立了电动汽车电机驱动系统可靠性串联模型。直流母线支撑电容、大功率电子器件、控制电路、轴承和绝缘的失效是电动汽车电机驱动系统的主要失效模式。基于已建立的可靠性模型,采用元器件应力分析法预计电动汽车电机驱动系统的可靠性。关键词:电动汽车 电机驱动系统 可靠度 可靠性模型 可靠性预计Reliability Model and Predic

2、tion of Motor Driving System in Electric VehiclesHu WeiWen XuhuiLiu JunAbstract:Energy crisis promotes the development of electric vehicles.As one of the key components of e2lectric vehicles,the reliability of motor driving system directly influences the extensive use of the electric vehi2cle.The re

3、liability of motor driving system in electric vehicles was analyzed.Reliability model in series of mo2tor driving system in vehicle was established.The failures of bus capacitor,power electronic device,controlcircuit,bearing and insulation are the most parts of motor driving system in vehicle failur

4、e patterns.Based onthe established reliability model,the reliability of motor driving system in electric vehicles was estimated by thecomponent stress analysis method.Keywords:electric vehiclemotor driving systemreliabilityreliability modelreliability prediction1 引言电机驱动系统是电动汽车的心脏,其可靠性直接影响着电动汽车的广泛应用。

5、目前有多种电机驱动系统,需要提出一种既经济又科学的考核电动汽车电机驱动系统可靠性的试验方法。分析电动汽车电机驱动系统的可靠性,不仅可以获得一些可靠性指标,而且可以为提出既经济又科学的考核电动汽车电机驱动系统可靠性的试验方法提供参考依据。电动汽车电机驱动系统由电机及其控制器组成,它的任务是在驾驶员的控制下,高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能,或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。为了建立电机驱动系统可靠性模型并进行可靠性预计,需要了解电机驱动系统的组成,如图1所示。图1 电机驱动系统组成图2 可靠性模型 可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性所建立的数学模型。建立可靠性模型的目的和用7 电动汽车电

6、机驱动系统可靠性模型及预计电气传动 2007年 第37卷 第12期 3863基金资助项目(2005AA501740)途在于定量分析、估算和评估可靠性。可靠性模型包括基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性模型是一个全串联模型,包括一个可靠性框图及有关的可靠性数学模型,它用以估计产品及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。任务可靠性模型是一种用来描述产品在执行任务过程中完成其规定功能能力的模型,包括一个可靠性框图及其有关的可靠性数学模型,它反映在执行任务期间完成任务的能力。本文的可靠性模型指的是任务可靠性模型。下面分别建立电机及控制器的可靠性模型。为建立电动汽车电机驱动系统可靠性模型,做如下假设

7、:1)电机驱动系统与部件都只有两种状态:故障状态和正常状态;2)各部件的故障是相互独立的。2.1 电机可靠性模型如文献1中所述,在中小型交流电机中,轴承故障与绝缘故障占总故障数的97%;在直流电机中,轴承故障与绝缘故障占总故障数的56%,电刷故障占总故障数的42%,所以可以认为电机的故障主要是轴承和绝缘,电机的薄弱环节为轴承系统和绝缘系统,轴承系统和绝缘系统中的任何一个出现故障,电机均不能正常工作,因此,可以把电机看成轴承系统和绝缘系统的可靠性串联系统。下面分别建立轴承系统和绝缘系统的可靠性模型。2.1.1电机轴承系统电机轴承系统由两个轴承组成,任何一个轴承出现故障,轴承系统均不能正常工作,所

8、以,电机轴承系统为可靠性串联系统,其可靠性框图如图2所示,图2中R1i(i=1,2)表示对应轴承的可靠度。图2 电机轴承系统可靠性框图 大量研究表明:轴承的寿命近似服从两参数的威布尔分布,即轴承的可靠度R1i为R1i(t)=exp-(t/)m(1)式中:为轴承的特征寿命;m为轴承失效分布的形状参数,对于球轴承m=10/9,圆柱滚子轴承m=3/2,圆锥滚子轴承m=4/3。与电机转速、负载和轴承质量等级有关,可通过轴承的寿命模型计算获得。文献2中给出了在一定可靠度下轴承寿命计算模型为LR=(106/60n)(C/fP)fRfLfGfSfYfHfTfE(2)式中:LR表示可靠度为R时的轴承寿命,h;

9、n为轴承的转速,r/min;C为滚动轴承额定动负荷,N;为寿命指数,球轴承为3,圆柱滚子轴承为10/3;fP为载荷系数;fR为可靠度的寿命修正系数;fT为温度的寿命修正系数;fL为引入润滑的寿命修正系数;fG为润滑过滤精度的寿命修正系数;fS为润滑油中含水的寿命修正系数;fY为非金属含量的寿命修正系数;fH为轴承材料表面硬度减低对寿命的影响系数;fE为轴向偏斜的修正系数。由式(2)计算可靠度为0.618的轴承寿命,可获得轴承的特征寿命,从而获得轴承的可靠度。由轴承系统的可靠性框图可得,其可靠度为R1(t)=R11(t)R12(t)=exp-(t/1)m1+(t/2)m2(3)式中:i为第i个轴

10、承的特征寿命(i=1,2);mi为第i个轴承的形状参数(i=1,2)。2.1.2电机绝缘系统电机绝缘系统包括匝间绝缘、槽间绝缘和相间绝缘,任何一种绝缘出现故障,绝缘系统都不能正常工作。因此,电机绝缘系统为可靠性串联系统,其可靠性框图如图3所示,图3中R21,R22,R23对应相应绝缘的可靠度。图3 电机绝缘系统可靠性框图 绕组绝缘近似服从威布尔分布,其分布参数与温度、绕组线径、绝缘等级、工艺、引线焊接材料等有关,需由现场使用数据或可靠性试验数据统计得出。在可靠性预计时,一般没有这些参数的数据,因此,在文献3中,为了简化预计,认为绕组绝缘近似服从指数分布,即R2(t)=exp(-2t)。绕组绝缘

11、工作失效率模型为2=bEQCK(4)式中:b为基本失效率;E为环境系数;Q为质量系数;C为结构系数;K为种类系数。这些参数可以从文献3中查到。b的模型为b=Aexp(THS+273)/NTG(5)式中:THS为热点温度;NT为温度常数;G为加速常数;A为失效调整系数。NT,G,A可查文献3得到,THS可由环境温度加温升得到。由前面电机绝缘系统的可靠性模型可8 电气传动 2007年 第37卷 第12期电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计 得电机绝缘系统的可靠度为R2(t)=3i=1R2i(t)=3i=1exp(-2it)(6)式中:2i(i=1,2,3)分别表示匝间绝缘、槽间绝缘和相间绝缘的失效

12、率。2.2控制器可靠性模型控制器主要的薄弱环节为直流母线支撑电容、控制电路和功率器件(目前大多使用IGBT,本文以IGBT为例),任何一个子系统出现故障,控制器均不能正常工作,因此,控制器为直流母线支撑电容、控制电路和IGBT的串联系统。下面分别建立各子系统可靠性模型。2.2.1直流母线支撑电容直流母线支撑电容使用的是大容量电容,其寿命近似服从指数分布,其可靠度为R3(t)=exp(-3t)(7)3=bEQCVSRK式中:CV为电容量系数;SR为串联电阻系数。基本失效率模型为 b=A(S/NS)H+1eB(T+273)/NTG(8)式中:B为形状参数;S为工作电压与额定电压之比;T为工作环境温

13、度;H为加速常数;NS为应力常数。2.2.2 控制电路 控制电路通常由一些集成电路、功率管、电阻、电容、熔断器、延时器等元件组成。假定设计中没有冗余,且这些元件之间可靠性关系为串联,即某一元件出现故障,则整个驱动电路不能正常工作,则控制电路的可靠性框图见图4,图4中R41R4n对应各元器件的可靠度。若控制电路中元器件之间的可靠性关系不是简单的串联,也可以根据系统中元器件之间的可靠性关系画出可靠性框图。图4 控制电路可靠性框图 大多数电子设备和电子元件的寿命服从指数分布。文献3中给出了各种元器件的工作失效率P的计算模型。这里仅以金属膜电阻与碳膜电阻以及晶体管、二极管、光电子器件为例。金属膜电阻与

14、碳膜电阻失效率模型为P=bEQR晶体管、二极管、光电子器件的失效率模型为P=bKQAS2RC式中:R为额定功率、电流或阻值系数;A为应用系数;S2为电压应力系数。各参数可以根据工作状态查阅文献3获得。计算出各元器件的失效率后,由于各元器件寿命服从指数分布,各元器件失效率相加可得到控制电路的失效率4=1+2+n,i(i=1,2,n)为元器件的失效率,从而可以得到控制电路的可靠度为R4(t)=exp(-4t)(9)2.2.3IGBTIGBT是一种大功率电子器件,其寿命近似服从指数分布,其可靠度为R5(t)=exp(-5t)(10)IGBT的失效率2目前还没有统一的计算方法,可以查阅相关的文献获得。

15、2.3 电机驱动系统可靠性模型电机和控制器中的任何一个出现故障,电机驱动系统均不能正常工作,所以电机驱动系统为可靠性串联模型。若不考虑电机驱动系统中的冗余设计,其可靠性框图如图5所示,图5中R1R5对应各单元的可靠度。图5 电动汽车电机驱动系统可靠性框图 因此,根据图5可得,电动汽车电机驱动系统的可靠度R为R=5i=1Ri(11)当所有单元的可靠度为时间t的函数时,则R(t)=5i=1Ri(t)(12)电动汽车电机驱动系统是一个可修复系统,则系统的平均无故障工作时间为M TB F=0R(t)dt(13)3 系统可靠性预计 利用已建立的电动汽车电机驱动系统可靠性模型,就可以对其进行可靠性预计,获

16、得一些可靠性指标。可靠性预计是指根据组成系统的元件、部件和子系统的可靠性,基于系统的可靠性模型来推测系统的可靠性。基于上述建立的电动汽车电机驱动系统的可靠性模型,采用应力分析法,以某一100/160 kW电动汽车电机驱动系统为例,预计其可靠性。该9 电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计电气传动 2007年 第37卷 第12期 电机驱动系统由三相交流异步电机及其控制器组成,控制器采用SVPWM调制方法,采用IGBT大功率电子器件。下面预计该控制器工作环境温度为40 时的可靠性,以下计算失效率单位均为10-6/h,时间t单位为106h。1)电机轴承系统的可靠度R1(t)。电动汽车电机驱动系统采用的

17、是SKF品牌的轴承,根据轴承参数和轴承寿命模型,计算可得轴承的可靠度为R1i(t)=exp-(t/1.746)10/9式中:R1i(i=1,2)为单个轴承的可靠度。则轴承 系 统 的 可 靠 度 为R1(t)=exp -(t/1.749)20/9。2)电机绝缘系统的可靠度R2(t)。电机采用H级绝缘,经温升计算的热点温度为90,查文献3中相应表得b=0.18,E=5,Q=5,K,C为1。则绝缘的工作失效率为21=22=23=4.5,绝缘系统的可靠度为R2(t)=exp(-13.5t)。3)母线支撑电容可靠度R3(t)。母线支撑电容采用英国BHC公司铝电解电容,查文献3中相应表可得:b=0.19

18、2,CV=1.92,E=1,Q=5;则直流母线支撑电容工作失效率P=1.84;得直流母线支撑电容的可靠度为:R3(t)=exp(-9.2t)。4)控制电路的可靠度R4(t)。控制电路由电源板、控制板和驱动保护板组成。电源板共有119个元件,采用4层的电路板,共有250个焊孔;控制板共有270个元件,采用4层电路板,共有500个焊孔;驱动保护板共有85个元件,采用4层电路板,共有150个焊孔。若其中一个控制板出现故障,控制电路均不能正常工作,因此,控制电路可靠性模型为3个电路板串联模型。根据文献3可计算控制电路的失效率 P=251,其可靠度为R4(t)=exp(-251t)。5)IG BT可靠度

19、R5(t)。IG BT采用德国Eupec公司生产的IG BT模块,根据文献4可知,20世纪90年代某公司的IG BT,在环境温度为50,结温升高45,功率循环周期为40 s的情况下,6000000循环周期不会出现故障。由于电子产品技术、生产工艺和包装技术的提高,IG BT的可靠性在不断提高,所以可以初步估计IG BT模块的平均无故障工作时间为6666h,从而可以获得其失效率为150,其可靠度为R5(t)=exp(-150t)。由以上可靠性模型计算可得,该电机驱动系统的可靠度为R(t)=exp(-9.2t)exp(-150t)exp(-251t)exp(t/1.749)20/9exp(-13.5

20、t)=exp(-423.7t)exp(t/1.749)20/9所以,系统的平均无故障工作时间为=0e-423.7te(t/1.749)20/9dt2000 h若取t=1 000,可得平均无故障工作时间为1 000h的可靠度为R(0.001)=0.66。4 结束语基于已建立的可靠性模型,通过可靠性预计可以获得平均无故障工作时间以及指定时间下的可靠度等指标,若已知系统的寿命分布还可以获得系统的寿命参数,从而了解系统的可靠性。这种仅考虑系统中薄弱环节,而忽略一些非薄弱环节,建立系统可靠性模型,并进行系统可靠性预计的方法,并不是很科学,其预计结果也不是很准确,但可以在一定程度上反映系统的可靠性,能够为

21、可靠性考核提供一定依据。下一步工作将全面考虑系统各组成部分,并结合实际的故障数据,完善电动汽车电机驱动系统的可靠性模型,并修正可靠性预计结果。参考文献1Emanuel Brancato.Life Expenctancy of Motors.IEEEElectrical Insulation Magazine,1991,7(6):14-222 成大先.机械设计手册Z.化学工业出版社,20043G JB/Z99A-91电子设备可靠性预计手册.中华人民共和国国家军用标准,19914Sankaran VA,Chen C,Avant C Set al.Power Cyc2ling Reliability

22、 of IGBT Power Modules.IEEE Indus2try Applications Society Annual Meeting New Orle2ans,Louisiana,IEEE,1997:1222-12275 温小云,师宇杰,牛忠霞.系统可靠性模型综述.电子产品可靠性与环境试验,2005,3(7):57-626MIL-HDBK-217F电子设备可靠性预计手册.美国军用标准,19927 黄洪剑.航天电机可靠性和加速寿命试验研究.北京万方数据库,20018Akira Morozumi,Katsumi Yamada,Tadashi Miyasa2kaet al.Reliability of Power Cycling for IGBT PowerSemiconductor Modules.IEEE Transactions on Indus2try Applications,2003,39(3):665-6719 周长林,常青美,左秀彦等.电子设备可靠性预测与设计.继电器,2005,33(14):92-95收稿日期:2006 09 04修改稿日期:2007 06 0601 电气传动 2007年 第37卷 第12期电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计