電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法研究

蘇秀雁　黎麗　韓彥　黃建忠　羅媚　胡慧婧

【摘? 要】隨著2022年國家新三包法的出臺，對汽車的可靠性要求越來越高，驅(qū)動電機系統(tǒng)是電動汽車的核心動力組成部分，它的可靠性研究就顯得尤為重要。本文研究的驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性測試方法覆蓋了在不同電壓條件下轉(zhuǎn)速性能及轉(zhuǎn)矩負荷的驟變，測試條件比國家標準要求更苛刻，不僅能提高零部件的可靠性，還可以提高效率，縮短驅(qū)動電機的開發(fā)周期。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動電機；試驗方法；可靠性；效率

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）08-0008-03

Research on Reliability Test Method of Driving Motor System for Electric Vehicle

SU Xiu-yan，LI Li，HAN Yan，HUANG Jian-zhong，LUO Mei，HU Hui-jing

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Laboratory of New Energy Automobile，

Guangxi Key Laboratory of Automobile Four New Features，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】With the stepping down of the national new Three Guarantees Law in 2022，the reliability requirements of automobiles are increasingly high. The driving motor system is the core power component of electric vehicles，and its reliability research is particularly important. The reliability test method of driving motor system studied in this paper covers the sudden change of speed and torque under different voltage conditions，and the test conditions are more demanding，which can not only improve the reliability of parts，but also shorten the development cycle of driving motor.

【Key words】driving motor；test method；reliability；efficiency

1? 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，新能源汽車的核心三電技術(shù)不斷突破，加上政府購置稅減免政策的加持，民眾對新能源汽車的接受程度普遍提高。2021年國務(wù)院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案，進一步推動了新能源汽車市場的發(fā)展。驅(qū)動電機系統(tǒng)作為新能源汽車動力系統(tǒng)的核心，其性能參數(shù)、控制精度和可靠性直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性[1]。

本文以某車型平臺的驅(qū)動電機系統(tǒng)為測試對象，搭載電機系統(tǒng)試驗臺架輸入負載，通過模擬實際行車過程中驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速性能、轉(zhuǎn)矩負荷的多次循環(huán)驟變，展開其加速壽命的可靠性試驗研究。

2? 國家標準測試方法簡介

隨著車用驅(qū)動電機系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)不斷投入，需要有相應(yīng)的標準進行引導(dǎo)，規(guī)范企業(yè)的生產(chǎn)行為，促進經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一，以下為國家2012年發(fā)布的推薦性標準GB/T 29307—2012《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法》中的測試方法簡介。

2.1? 測試條件

驅(qū)動電機系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機以及電機控制器兩部分構(gòu)成，被測驅(qū)動電機與電機控制器之間通過三相交流電相連[2]。驅(qū)動電機系統(tǒng)在試驗臺架安裝完成后，按以下4個方案依次對其進行循環(huán)測試。

1）被測驅(qū)動電機系統(tǒng)通入額定工作電壓，將試驗轉(zhuǎn)速設(shè)為ns，保持為1.1倍的額定轉(zhuǎn)速nN，即ns=1.lnN，此負荷下循環(huán)320h。

2）被測驅(qū)動電機系統(tǒng)通入最高工作電壓，將試驗轉(zhuǎn)速設(shè)為ns=1.1nN，此負荷下循環(huán)40h。

3）被測驅(qū)動電機系統(tǒng)通入最低工作電壓[3]，試驗轉(zhuǎn)速設(shè)為ns=×nN，此負荷下循環(huán)40h。

4）被測驅(qū)動電機系統(tǒng)工作于額定工作電壓、最高工作轉(zhuǎn)速和額定功率狀態(tài)，持續(xù)運行2h。

在單個循環(huán)中，當轉(zhuǎn)速設(shè)為ns時，驅(qū)動電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置如圖1所示，需經(jīng)歷從額定轉(zhuǎn)矩→峰值轉(zhuǎn)矩→額定回饋轉(zhuǎn)矩→額定轉(zhuǎn)矩的變化，每個階段運行時間見表1。

TN為持續(xù)轉(zhuǎn)矩，單位N·m（N續(xù)轉(zhuǎn)）。TPP為峰值轉(zhuǎn)矩，當被測驅(qū)動電機系統(tǒng)處于額定工作電壓或者最高工作電壓運行狀態(tài)時，TPP=；被測驅(qū)動電機系統(tǒng)處于最低工作電壓運行狀態(tài)時，TPP=。

2.2? 測試要求

先根據(jù)表1驅(qū)動電機系統(tǒng)所應(yīng)用的車輛類型選擇單個循環(huán)的測試時間，再根據(jù)上述規(guī)定的4種工況及圖1輸入不同的工作電壓及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩參數(shù)進行循環(huán)測試，單臺總計運行時間為402h。為避免偶然性并進一步提升數(shù)據(jù)的有效性，一般驅(qū)動電機的可靠性試驗使用2臺電機按2.1章節(jié)進行完整測試，則臺架測試的總時長為804h。

該測試方法規(guī)定了對驅(qū)動電機系統(tǒng)最基礎(chǔ)的可靠性要求，但缺少對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速性能的考核，且單個測試循環(huán)時間長達30min，與驅(qū)動電機系統(tǒng)實際的運行場景不符，并且從測試結(jié)果來看往往不能有效地測出驅(qū)動電機系統(tǒng)的可靠性。

3? 驅(qū)動電機系統(tǒng)的可靠性測試方法研究

用戶在實際行車過程中，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速性能及轉(zhuǎn)矩負荷時刻都在變化，故上述的測試方法具有一定的局限性，與用戶的實際使用場景相差甚遠。以下研究的驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性測試方法中，包括轉(zhuǎn)速升降循環(huán)和轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)2個部分，其中轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)測試4種不同的工作電壓，并且每一個循環(huán)周期由30min改為約30s，對驅(qū)動電機系統(tǒng)的考核更加苛刻，有助于提升產(chǎn)品的可靠性。

3.1? 轉(zhuǎn)速升降循環(huán)介紹

轉(zhuǎn)速升降循環(huán)測試的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及運行時間參數(shù)設(shè)定按照圖2和表2進行，輸入電壓設(shè)定為額定工作電壓，在一個循環(huán)周期內(nèi)，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速將從0升至峰值轉(zhuǎn)速，持續(xù)約1s后，再從峰值轉(zhuǎn)速降至0。單個循環(huán)的運行時間因電機差異會有所不同，一般在30s左右，試驗總循環(huán)次數(shù)根據(jù)設(shè)計壽命按照表3進行。試驗時，允許轉(zhuǎn)速變化引起的試驗轉(zhuǎn)矩波動。

3.2? 轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)介紹

轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)測試的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及運行時間設(shè)定應(yīng)按照圖3和表4進行，在一個循環(huán)周期內(nèi)：第一階段時，轉(zhuǎn)速先從0升至額定轉(zhuǎn)速，在此期間轉(zhuǎn)矩從0升至峰值轉(zhuǎn)矩，持續(xù)1s后降至持續(xù)轉(zhuǎn)矩；第二階段時，轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩在持續(xù)轉(zhuǎn)矩維持一段時間后降至0；第三階段時，電機的轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速降至0，轉(zhuǎn)矩由0降至饋電狀態(tài)下的持續(xù)轉(zhuǎn)矩，持續(xù)3s后升至0。整個循環(huán)運行的時間為30s，并且轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)需要在額定電壓、滿功率最低工作電壓及滿功率最高工作電壓下進行臺架測試，試驗總循環(huán)次數(shù)及其所包含的各電壓下的試驗循環(huán)次數(shù)根據(jù)設(shè)計壽命按照表5進行。

當被測驅(qū)動電機系統(tǒng)工作于最低工作電壓時，允許Tp降至此條件下可輸出的最大轉(zhuǎn)矩；當被測驅(qū)動電機系統(tǒng)工作于最低工作電壓時，允許TN降至此條件下可輸出的持續(xù)轉(zhuǎn)矩，TF同理。

4? 驅(qū)動電機系統(tǒng)的實際測試

基于本文章節(jié)3的可靠性測試方法研究，本次試驗采用對拖電機系統(tǒng)試驗臺架，以某整車項目的水冷式驅(qū)動電機系統(tǒng)為被測試對象及陪測對象[4]進行測試，測試電壓設(shè)定為額定電壓350V、最低工作電壓320V及最高工作電壓420V，其循環(huán)次數(shù)按照等級C（30萬公里）執(zhí)行。

4.1? 轉(zhuǎn)速升降循環(huán)測試

將某整車項目的驅(qū)動電機系統(tǒng)按要求接入測試臺架，試驗前先對驅(qū)動電機進行安全功能檢查及性能初測，性能指標合格后進行轉(zhuǎn)速升降循環(huán)測試。將試驗轉(zhuǎn)矩設(shè)置為TS=25N·m項目，試驗轉(zhuǎn)速由0過渡到最高工作轉(zhuǎn)速12000r/min，再次運行1s，然后由最高工作轉(zhuǎn)速12000r/min降至0，再次運行1s，即一個循環(huán)結(jié)束。

循環(huán)次數(shù)按等級 C（30 萬公里等級）進行測試，總循環(huán)次數(shù)為30000次，試驗運行過程數(shù)據(jù)如圖4所示。

在試驗過程中，驅(qū)動電機系統(tǒng)無任何故障。按照等級 C（30 萬公里等級）進行3萬次循環(huán)測試后，驅(qū)動電機系統(tǒng)能在額定電壓320V、持續(xù)轉(zhuǎn)矩100N·m、額定轉(zhuǎn)速4800r/min的工況正常運行15min，實際功率值與理論功率值最大偏差值為1.83%，反電動勢最大衰減為0.59%，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線幾乎無變化，9000r/min以上性能對比試驗前略有下降，如圖5所示。將驅(qū)動電機進行拆解后，其軸承、油封、螺栓、密封圈等零件無異常老化或損壞現(xiàn)象。

4.2? 轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)測試

將試驗樣件按要求接入測試臺架，試驗前先對其進行安全功能檢查及轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線、功率、反電動勢等性能測試。試驗方法根據(jù)章節(jié)3.2進行，其中驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速設(shè)置為4800r/min，峰值轉(zhuǎn)矩為240N·m，額定轉(zhuǎn)矩為100N·m，饋電狀態(tài)下的持續(xù)轉(zhuǎn)矩為-100N·m。轉(zhuǎn)矩負荷運行過程如圖6所示。

在試驗過程中，驅(qū)動電機系統(tǒng)無任何故障。按照等級 C（30 萬公里等級）額定電壓循環(huán)次數(shù)40000次、滿功率最高工作電壓及滿功率最低電壓循環(huán)次數(shù)各為5000次測試后，驅(qū)動電機系統(tǒng)能在額定電壓320V、持續(xù)轉(zhuǎn)矩100N·m、額定轉(zhuǎn)速4800r/min的工況下穩(wěn)定運行15min，實際功率值與理論功率值最大偏差值為2.8%，反電動勢最大衰減為0.39%，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線幾乎無變化，如圖7所示。將驅(qū)動電機進行拆解后，其軸承、油封、螺栓、密封圈等零件無異常老化或損壞現(xiàn)象。

5? 結(jié)論

汽車行業(yè)作為萬億級別的市場，無論在過去或是將來都是重要的經(jīng)濟支柱，新能源汽車已逐漸替代傳統(tǒng)的燃油車市場，整個汽車行業(yè)大步跨入新能源汽車時代已是不可阻擋的趨勢。文中提出的驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性測試方法提高了適用性，與用戶的實際使用場景相比更貼近，甚至更為苛刻。

首先，從測試時間來看，同樣2臺驅(qū)動電機系統(tǒng)的測試時間由804h縮短為710h，測試效率提高11.7%，縮短了零部件及整車的開發(fā)驗證時間，有益于新車型提前上市搶占市場。其次，從測試效果來看，驅(qū)動電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的單個循環(huán)時間為30s，相比原測試方法的單個循環(huán)速度提高60倍，該工況會比大部分用戶的實際使用場景更加惡劣，這對驅(qū)動電機系統(tǒng)的設(shè)計要求進一步提高，有利于其市場的良性發(fā)展。最后，從本次測試結(jié)果來看，驅(qū)動電機系統(tǒng)的效率衰減在1.2%～3%，反電動勢的衰減為0.3%～0.6%，從轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線來看，轉(zhuǎn)速升降循環(huán)試驗后期轉(zhuǎn)速性能在高速運行階段略有下降，轉(zhuǎn)矩負荷循環(huán)試驗前后基本無變化，所以文中研究的試驗方法實現(xiàn)了對驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性考核的目的，并且起到了加速試驗的效果。

參考文獻：

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[3] GB/T 18488.1—2015，電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)第1部分：技術(shù)條件[S].

[4] 胥良，宋立偉，李子健，等. 節(jié)能型能量回饋式電動車用電機對拖試驗系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)時報，2007，22（8）：161-165.

（編輯? 楊凱麟）

作者簡介

蘇秀雁（1996—），男，初級工程師，研究方向為新能源汽車。