三合一电驱系统可靠性试验研究与应用

随着汽车电气化的不断发展，零部件的集成化设计趋势亦不断推进，三合一驱动总成方案成为各厂家竞争的热土。相对早期电驱方案，三合一电驱系统具备以下优势：结构紧凑、体积变小，利于布置；质量轻，低行驶能耗；三相直连，可靠又经济；重心下降，利于整车操控；高速传动，带来较高扭矩容量和总成效率提升；可扩展的模块化设计，大大缩短产品开发周期，降低开发成本效益。

1 三合一电驱系统概述

文中以图1所示的三合一电驱系统为研究对象，主要由控制器、减速器和电机三部分组成，此结构摆脱了电机、减速器和控制器单独设计再组装的思路，直接将三者进行一体化设计。此结构具有高扭矩容量、可携带更高转速电机的优点，但对于齿轮和轴承的耐久性、壳体强度、油封密封性都提出了更高的要求，尤其是电机控制器，需要和电机作为一个主体运行，与传统结构相比，其运行环境发生了变化，可靠性要求更为苛刻，因此对三合一电驱系统结构可靠性验证具有重要意义。三合一电驱系统是由机械部件和电子部件组成的复杂综合体，其可靠性取决于模块自身的可靠性及模块间组合方式和相互匹配，由于时间和篇幅限制，文中着重对三合一电驱动系统机械机构的可靠性进行验证。

图1 三合一电驱系统结构

2 三合一电驱系统可靠性研究的依据

汽车产品可靠性是指在一定时间内、一定条件下，无故障地执行指定功能的能力或可能性。对于机械结构，其失效约90%来源于疲劳。可靠性可定义为：如果结构发生了不可修复性故障，其可靠性可等同于耐久性；若故障可修复，其可靠性就是产品大修期、报废期或者退役期对应的耐久性。

文中研究的三合一电驱系统是电动汽车的心脏，其无故障运行时间是影响客户满意度的重要因素。机械结构可靠性常采用加速寿命试验来替代常规试验，以达到短周期、低耗费、合理预估系统寿命的目的。

电机、控制器和减速器作为单体部件设计时，国内厂家考核沿用相关标准分别是GB/T 18488.1-2015《电动汽车用驱动电机系统 第1部分：技术条件》、GB/T 29307-2012 《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》和QC/T 1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》。

3 三合一电驱系统对可靠性试验技术要求的选择与应用

3.1 电子/电气元件机械负荷可靠性试验方法选择

在三合一电驱总成系统中对电子/电气元件机械负荷可靠性考核将使用ISO 19453-3-2018标准，主要有以下几点原因：

(1)是专门针对新能源车辆的机械负荷；

(2)对电子/电气件布置位置有更详细的分类；

(3)标准中负荷要求对应里程数也做了清晰说明，如果里程发生变化，可依据标准给定方法制定适配的技术要求；

(4)相对ISO 16750，ISO 19453-3对粗糙路况的定义发生较大变化，更贴近基础设施改善；

(5)保持了应力循环为107数量级；

(6)正弦振动考核时间要覆盖一个温度循环周期以上。

三合一电驱系统的电子/电气部件机械负荷可靠性技术要求：

(1)随机振动(10～100 Hz)：最大均方根加速度21.4 m/s2，每个方向10 h；

(2)正弦随机振动-正弦(100～440 Hz)：最大加速度50 m/s2,考核频率范围10～100 Hz，每个方向33 h；

(3)正弦随机振动-随机(500～2 000 Hz)：最大均方根加速度68.7 m/s2,每个方向33 h；

(4)全部振动试验需要在高/低温度循环工况下完成。

3.2 电机、减速器机械可靠性试验方法的应用

3.2.1 电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法介绍与分析

借鉴汽车发动机可靠性测试规范，采用定转速、变化转矩的工作模式且选用3个不同电压平台，对新能源驱动电机的可靠性进行考核，同时试验对于不同车型的电机测试时间有所不同。图2所示的是单个循环的试验工况，其中nN为被试电机额定转速，ns为试验过程中被试电机转速设定值(r/min)，当电压为额定电压或者最高电压时，ns=1.1×nN；而电压为最低电压时，ns=最低电压/最高电压×nN；Tpp为被试驱动电机系统在峰值功率的额定扭矩(N·m)，当电压为最高电压时,Tpp=峰值功率/ns；当电压为最低电压时，Tpp=峰值功率/nN；TN为被试驱动电机系统的额定扭矩(N·m)；t为时间。

图2 电动汽车驱动电机系统可靠性测试循环示意图

试验加载循环过程如表1所示，总测试时间为402 h，结合电动汽车自身供电单元特性，电机及控制系统电压采用浮动电压，先在额定电压下运行320 h，在最大电压和最低电压下各运行40 h，最后在额定工作电压、额定功率下运行2 h。

表1电动汽车驱动电机系统可靠性测试循环参数表

该测试方法是国内电机厂商的主流试验方法，但应用于电驱系统时却具有一定的局限性：

(1)未明确代表里程数：402 h是否能覆盖目标对象的里程数；

(2)未考核倒车工况；

(3)未明确运行温度、电机运行温度与极限温度差值；

(4)缺乏性能衰减评价标准定义；

(5)仅有一个固定转速工况(约为30%峰值转速)：借鉴了汽车发动机可靠性测试规范，但忽略了发动机作为动力源的驱动系统包含多个挡位，即使发动机维持在最大功率，也可以考核多个输出转速的工况。

3.2.2 三合一电驱系统可靠性试验方法应用

基于第3.2.1节中对可靠性试验方法的分析，该部分主要针对上述局限性展开，制定三合一电驱总成试验规范。

(1)电机可靠性循环周期确认

依据整车202 km小循环路谱，借助cruise仿真软件，输出三合一电驱系统的时间-车速-扭矩(含正能量回收)，其计算流程如图3所示，主要包括制定整车工况、制定控制策略、进行实车采集及仿真，将转速扭矩等效折算与平衡从而得到加强的载荷谱，可使用公式

计算单个循环的损伤，依据6.6万里程数锁定电驱系统输出端累积损伤，并以目标整车参数为蓝本，车重按照50%最大载荷，40%中等载荷，10%空载，平均车速45 km/h连续行驶32万千米，做计算累积损伤对标。

图3 电驱系统总成累计损伤折算方法获得载荷谱流程图

(2)温度在可靠性工况制定

温度是影响产品可靠性的重要因素，可以使电气元件和橡胶件加速老化、衰减、退磁、泄漏等，也可以使齿轮、轴承等零件加速胶合、点蚀、漏脂，因此在试验过程中需要依据电机的散热能力，确保试验循环中零件的最高温度点低于磁钢许可温度上限，增加循环水温考核，使覆盖整个可靠性循环工况。

(3)性能衰减评价标准定义

性能衰减评价标准定义：5%-10%。

(4)转速

三合一电驱系统配备了高转速电机，齿面相对滑动需要减小；较高转速下，动态响应增大，增加了齿轮箱的载荷，需要在可靠性试验中验证；轴承和油封尺寸一样，线速度增大，发热量增大，失效风险增大，需要在持续高速工况下考核，高转速下，齿轮发生胶合的风险增大，需要在可靠性试验中验证。

3.2.3 衍生可靠性循环工况

基于前文折算输出端累积损伤度、转速占比后，借用多挡变速器输出端损伤经验，在一个小循环内50 km以下损伤占比40%～50%，100 km以上部分损伤占比20%～25%。基于原可靠性循环工况衍生出如图4所示的一个适于三合一电驱系统的可靠性循环工况。

图4 基于原可靠性循环工况衍生的循环工况

4 结论

(1)针对电子/电气元件机械负荷，比较标准时效性和标准使用对象，选定了适用于三合一系统的考核指标；

(2)针对电机、减速器机械可靠性试验，分析了现行标准的局限性，就此展开研究。定义了试验温度要求和性能衰减评判指标，结合项目应用状况，衍生出适应于该项目的可靠性循环工况，使三合一电驱系统的验证更为合理和完善。