电动汽车驱动系统_图文
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1_第五章电动汽车的电机驱动系统课件
12DW4
主编
第五章 电动汽车的电机驱动系统
第五章
电动汽车的电机驱动系统
第一节 电动汽车电机驱动系统综述
第二节 直流电机驱动系统的组成和工作原理 第三节 交流感应电机驱动系统的组成和工作原理 第四节 永磁电机驱动系统的组成和工作原理 第五节 开关磁阻电机传动系统的组成和工作原理 第六节 电动汽车的再生制动 第七节 电动汽车电驱动系统关键部件介绍
一、直流电机的结构
二、直流电机的工作原理 三、直流电机的调速控制
第二节
直流电机驱动系统的组成和工作原理
图5-2
直流电机驱动系统框图
一、直流电机的结构
1.电机的结构原理
2.直流电机的结构
1.电机的结构原理
图5-3
弗莱明左手定则
1.电机的结构原理
图5-4
电机原理图
2.直流电机的结构
1)主磁极：由主磁极铁心及套装在铁心上的励磁绕组构成，作
2)电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限 内工作。
3)为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的 过载倍数(2~4)；为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区 处有一定的功率输出。
4)驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。
5)良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长 时期运转，结构简单，适合批量生产。
用是建立主磁场。 2)换向极：由铁心和绕组构成，起改善换向、均匀气隙磁场等 作用。 3)机座：为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚 钢板或铸钢件构成。 4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路
的引出(或引入)装置，如图5-9所示。
1)电枢铁心：为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分， 由硅钢片叠压而成，如图5-10所示。
主编
第五章 电动汽车的电机驱动系统
第五章
电动汽车的电机驱动系统
第一节 电动汽车电机驱动系统综述
第二节 直流电机驱动系统的组成和工作原理 第三节 交流感应电机驱动系统的组成和工作原理 第四节 永磁电机驱动系统的组成和工作原理 第五节 开关磁阻电机传动系统的组成和工作原理 第六节 电动汽车的再生制动 第七节 电动汽车电驱动系统关键部件介绍
一、直流电机的结构
二、直流电机的工作原理 三、直流电机的调速控制
第二节
直流电机驱动系统的组成和工作原理
图5-2
直流电机驱动系统框图
一、直流电机的结构
1.电机的结构原理
2.直流电机的结构
1.电机的结构原理
图5-3
弗莱明左手定则
1.电机的结构原理
图5-4
电机原理图
2.直流电机的结构
1)主磁极：由主磁极铁心及套装在铁心上的励磁绕组构成，作
2)电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限 内工作。
3)为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的 过载倍数(2~4)；为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区 处有一定的功率输出。
4)驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。
5)良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长 时期运转，结构简单，适合批量生产。
用是建立主磁场。 2)换向极：由铁心和绕组构成，起改善换向、均匀气隙磁场等 作用。 3)机座：为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚 钢板或铸钢件构成。 4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路
的引出(或引入)装置，如图5-9所示。
1)电枢铁心：为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分， 由硅钢片叠压而成，如图5-10所示。
电动汽车驱动电机ppt课件
26
第三章
驱动电机系统控制策略简介
驱动电机系统下电流程
27
第三章
驱动电机系统控制策略简介
驱动电机系统驱动模式
整车控制器根据车辆运行的不同情况，包括车速、挡位、电池 SOC值来决定，电机输出扭矩/功率。
当电机控制器从整车控制器处得到扭矩输出命令时，将动力电池 提供的直流电，转化成三相正弦交流电,驱动电机输出扭矩，通过机械 传输来驱动车辆。
9
第二章
驱动电机系统关键部件简介
C33DB 驱动电机控制器结构
10
第二章
驱动电机系统关键部件简介
C33DB 驱动电机控制器结构
11
第二章
驱动电机系统关键部件简介
C33DB 驱动电机控制器主要零件
12
第二章
驱动电机系统关键部件简介
C33DB驱动电机系统工作原理
在驱动电机系统中，驱动电机的输出动作主要是靠控制单元给定命令执 行，即控制器输出命令。控制器主要是将输入的直流电逆变成电压、频 率可调的三相交流电，供给配套的三相交流永磁同步电机使用。
CAN总线接口
29 CAN_SHIELD
10
TH
9
TL
电机温度传感器接口
28
屏蔽层
8
485+
7
485-
RS485总线接口
15 HVIL1(+L1) 26 HVIL2(+L2)
高低压互锁接口
19
第二章
驱动电机系统关键部件简介
检修——驱动电机控制器低压插件
建议检修时先确认插件是否连接到位，是否有“退针”现象。
20
第二章
驱动电机系统关键部件简介
检修——确认高压动力线束连接
80页PPT 电动汽车电机驱动系统
制
i*
i
SMC 电 流控制
CCC APC
功率转换 器
电子换向器
SRM i
编码器
d dt
8
6
4
2
0
矫顽力 (kOe)
钕-铁-硼 (Nd-Fe-B) 永磁材料自从1983年被发现之后，由于它具有最高的剩磁 和矫顽力，以及相对低的价格，使得它在永磁电机中具有很好的应用前景。永 磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的增加而失去剩磁，如果永 磁体的温度超过居里温度，则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化，在一 定温度范围内，其变化是可逆的，且近似线性。因此，在设计永磁电机时，必 须考虑电机运行过程中温度的变化范围。
C1
Vs
D1
ILoad R0 L0
S3
Lr1 Dr1Sr1 C3
D3
Sr2 Dr2 Lr2
S2 C2
D2
S4 C4
D4
S1
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S1, S4
S2, S3
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Sr2
I Load
0
I Lr2 (I Lr1)
D轴
S
N
S
N
Q轴
N
S
非磁性槽楔
永磁体
N
S
气槽 非磁性轴
蓄电池 频率指令
三相逆变器
电压传感 器
直流电流传 感器
永磁同 步电动
机
效率优化
PWM 信号
f V K(f )
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SMC 电 流控制
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矫顽力 (kOe)
钕-铁-硼 (Nd-Fe-B) 永磁材料自从1983年被发现之后，由于它具有最高的剩磁 和矫顽力，以及相对低的价格，使得它在永磁电机中具有很好的应用前景。永 磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的增加而失去剩磁，如果永 磁体的温度超过居里温度，则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化，在一 定温度范围内，其变化是可逆的，且近似线性。因此，在设计永磁电机时，必 须考虑电机运行过程中温度的变化范围。
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蓄电池 频率指令
三相逆变器
电压传感 器
直流电流传 感器
永磁同 步电动
机
效率优化
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f V K(f )
电动汽车电机驱动技术ppt课件
30
6.2 电动汽车驱动电机
一、电流电枢绕组基本知识
作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感 应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将 产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的 转换。 特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换 向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接， 形成闭合回路。
行业PPT模板：/hangye/ PPT素材下载：/sucai/ PPT图表下载：/tubiao/ PPT教程： /powerpoint/ Excel教程：/excel/ PPT课件下载：/kejian/ 试卷下载：/shiti/ PPT论坛：
35
矢量控制
由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多 变量系统。上世纪60年代末由达姆斯塔特工业大学（TU Darmstadt） 的K.Hasse提出矢量控制。在70年代初由西门子工程师F.Blaschke在布 伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)发表的博士论文中提出三相电机磁 场定向控制方法，通过异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控 制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子 电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电 流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
Ia
Ea U
n
他励式发电机
I RL
28
6.2 电动汽车驱动电机
If Rf
Ia I
Ea
U
并励式电动机
并励： 励磁绕组与电枢绕组并联
I
R fC U
If
Ia n
Ea
串励式电动机
串励： 励磁绕组与电枢绕组串联
6.2 电动汽车驱动电机
一、电流电枢绕组基本知识
作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感 应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将 产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的 转换。 特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换 向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接， 形成闭合回路。
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矢量控制
由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多 变量系统。上世纪60年代末由达姆斯塔特工业大学（TU Darmstadt） 的K.Hasse提出矢量控制。在70年代初由西门子工程师F.Blaschke在布 伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)发表的博士论文中提出三相电机磁 场定向控制方法，通过异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控 制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子 电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电 流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
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他励式发电机
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6.2 电动汽车驱动电机
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并励式电动机
并励： 励磁绕组与电枢绕组并联
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串励式电动机
串励： 励磁绕组与电枢绕组串联
《任务二 纯电动汽车电机驱动系统》课件
2）控制电机的动力输出，同时对电机进行保护。
驱动控制器与电动机必须配套使用，目前对电 动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主 要取决于所选用的驱动电动机类型。
由于蓄电池以直流电方式供电，所以对直流电 动机主要是通过DC／DC转换器进行调压调速控 制的；而对于交流电动机需通过DC／AC转换器 进行调频调压矢量控制；对于磁阻电动机是通 过控制其脉冲频率来进行调速的。
如图3-17所示，转子形状作特殊的设计， 使得气隙磁场近似于正弦形。转子形状 的设计也必须满足所要求的极数。
定子总成 转子
图3-17 旋转变压器结构
电动机冷却系统四由、散热冷器却、系电动统水泵、电子风扇、
冷却水管等组成。比亚迪e6车型的冷却系统采用 闭式强制水冷循环系统，冷却介质为乙二醇型冷 却液。
3）通过CAN与其他控制模块通讯，接收并发 送相关的信号，间接地控制车上相关系统正 常运行。
4）制动能量回馈控制。 当汽车进行倒车行驶时，需通过驱动控制器
使电动机反转来驱动车轮反向行驶。当纯电 动汽车处于降速和下坡滑行时，驱动控制器 使电动机运行于发电状态，电动机利用其惯 性发电，将电能通过驱动控制器回馈给蓄电 池。控制器通常需要风冷或者水冷。
三、电动机
（1）电动机的功用 电动机利用电池的电力产生驱动力，用于驱动车轮
正常行驶；在减速时产生制动力，让汽车减速或停 车；在制动及滑行时，电动机转变为发电机，对电 力进行再生并将其输送到电池。 电动机与驱动控制器所组成的驱动系统是纯电动汽 车中最为关键的部件，纯电动汽车的运行性能主要 取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着车辆 的各项性能指标，如车辆在各工况下的行驶速度、 加速与爬坡性能以及能源转换效率。
二、驱动电机控制器
纯电动汽车的驱动电机系统
纯电动汽车的驱动电机系统驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。
本文将以北汽新能源EV200车型所采用的驱动电机系统为例来介绍相关技术。
一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。
图1 驱动电机系统结构图2 永磁同步电机结构图3 电机传感器表1 驱动电机技术参数表2 驱动电机控制器技术参数整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。
电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。
驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。
类型永磁同步基速2 812r/min 转速范围0~9000r/min 额定功率30kW 峰值功率53kW 额定扭矩102N.m峰值扭矩180N.m(相当于2.0排量的汽油机)重量45kg技术指标技术参数直流输入电压336V工作电压范围265~410V 控制电源12V控制电源电压范围9~16V(所有控制器具有低压电路控制)标称容量85kVA 重量9kg1.驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。
它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。
旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。
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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
电动汽车驱动系统分类
直流电动 驱动系统
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
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
开关磁阻电机驱动系统 高密度、高效率 低成本、宽调速
驱动系统的组成
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：
故障模式 绝缘电阻下降
绝缘老化
故障机理 受潮，积灰，绝缘材料有缺陷 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
背景和意义
驱动系统可靠性研究现状
电容
功率器件
电机
轴承
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
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
全面发 展阶段
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。
国际化 发展阶段
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
可靠性指标
可靠度： 平均寿命： 失效率：
寿命特征：
逆幂率(inverse power model)模型
加速系数(AF)：
简单多应力复合模型
寿命特征：
简单多应力复合模型
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
双应力插值网络
多应力加速模型（考虑耦合作用）
寿命特征：
插值法拟合下的寿命曲线
多应力加速模型（考虑耦合作用）
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
3
能耗制动：动力电 池的SOC值达到可 充电最大的阈值， 为了保护电池，停 止制动能量对动力 电池充电和反馈。
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
电动汽车主要省油技术项目比较
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
回馈制动系统结构图
串-并联模型 并-串联模型
电动汽车驱动系统可靠性模型
驱动系统的可靠性框图：
驱动控制电路可计
系统失效率为：
可靠度为：
驱动系统完全冗余设计
系统失效率为：
驱动控制部分并联
可靠度为：
电动汽车驱动系统可靠性设计
系统失效率为：
电机部分并联
可靠度为： 系统失效率为：
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、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
电动汽车驱动系统的结构
电动汽车驱动系统结构图
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
背景和意义
兴起和 发展时期
萌芽 阶段
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。
故障机理
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
轴承静止时振动，磨粒的存在
电流连续或间断通过轴承
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
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
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。
电动汽车驱动系统_图文.ppt
背景和意义
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：
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
通用汽车百年庆典，雪佛兰VOLT 电动车量产版全球首发
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。
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 磨损 压痕 电蚀
开裂与断裂 腐蚀
加速系数(AF)：
插值法拟合下的加速系数曲线
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
典型都市工况下驱动能与制动能比较
电动汽车制动方式
1
回馈制动：在这种 模式下，对车辆的 减速度要求较低， 并且要求动力电池 SOC值低于其最大 运行阈值；
2
紧急制动：车辆要 求快速制动，制动 力由机械制动和驱 动电机同时提供
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
失效率:
基本失效率:
滚动轴承的寿命:
IGBT的功率循环次数： 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
并联模型
串联模型 混联模型
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
电机轴承
B
定转子绕组 A
电动汽车驱动系统 薄弱环节
C IGBT
控制电路 E
D 母线电容
定转子绕组寿命
绝缘寿命与绝缘温度的关系
变质腐蚀 断线
油，药污损，浸蚀，运行电压过高，冲击电压 冲击和振动，焊接点接触不良而过热，热胀冷缩
(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
薄弱环节冗余设计
可靠度为：
提高可靠性的办法
降额设计
冗余设计
热设计
EMC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：
寿命特征：
阿伦尼斯(Arrhenius)模型：
加速系数(AF)：
逆幂率(inverse power model)模型
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 防爆阀打开
容量下降
损耗上升 短路
故障机理
过电压，过电流，施加交流电，频繁充 放电，电压反向 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 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
主要研究内容
电动汽车驱动系统分类
直流电动 驱动系统
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
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
开关磁阻电机驱动系统 高密度、高效率 低成本、宽调速
驱动系统的组成
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：
故障模式 绝缘电阻下降
绝缘老化
故障机理 受潮，积灰，绝缘材料有缺陷 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
背景和意义
驱动系统可靠性研究现状
电容
功率器件
电机
轴承
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
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
全面发 展阶段
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。
国际化 发展阶段
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
可靠性指标
可靠度： 平均寿命： 失效率：
寿命特征：
逆幂率(inverse power model)模型
加速系数(AF)：
简单多应力复合模型
寿命特征：
简单多应力复合模型
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
双应力插值网络
多应力加速模型（考虑耦合作用）
寿命特征：
插值法拟合下的寿命曲线
多应力加速模型（考虑耦合作用）
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
3
能耗制动：动力电 池的SOC值达到可 充电最大的阈值， 为了保护电池，停 止制动能量对动力 电池充电和反馈。
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
电动汽车主要省油技术项目比较
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
回馈制动系统结构图
串-并联模型 并-串联模型
电动汽车驱动系统可靠性模型
驱动系统的可靠性框图：
驱动控制电路可计
系统失效率为：
可靠度为：
驱动系统完全冗余设计
系统失效率为：
驱动控制部分并联
可靠度为：
电动汽车驱动系统可靠性设计
系统失效率为：
电机部分并联
可靠度为： 系统失效率为：
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、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
电动汽车驱动系统的结构
电动汽车驱动系统结构图
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
背景和意义
兴起和 发展时期
萌芽 阶段
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。
故障机理
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
轴承静止时振动，磨粒的存在
电流连续或间断通过轴承
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
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
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。
电动汽车驱动系统_图文.ppt
背景和意义
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：
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
通用汽车百年庆典，雪佛兰VOLT 电动车量产版全球首发
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。
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 磨损 压痕 电蚀
开裂与断裂 腐蚀
加速系数(AF)：
插值法拟合下的加速系数曲线
回馈制动对驱动系统可靠性的影响
典型都市工况下驱动能与制动能比较
电动汽车制动方式
1
回馈制动：在这种 模式下，对车辆的 减速度要求较低， 并且要求动力电池 SOC值低于其最大 运行阈值；
2
紧急制动：车辆要 求快速制动，制动 力由机械制动和驱 动电机同时提供
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
失效率:
基本失效率:
滚动轴承的寿命:
IGBT的功率循环次数： 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
并联模型
串联模型 混联模型
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
电机轴承
B
定转子绕组 A
电动汽车驱动系统 薄弱环节
C IGBT
控制电路 E
D 母线电容
定转子绕组寿命
绝缘寿命与绝缘温度的关系
变质腐蚀 断线
油，药污损，浸蚀，运行电压过高，冲击电压 冲击和振动，焊接点接触不良而过热，热胀冷缩
(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
薄弱环节冗余设计
可靠度为：
提高可靠性的办法
降额设计
冗余设计
热设计
EMC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：
寿命特征：
阿伦尼斯(Arrhenius)模型：
加速系数(AF)：
逆幂率(inverse power model)模型
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 防爆阀打开
容量下降
损耗上升 短路
故障机理
过电压，过电流，施加交流电，频繁充 放电，电压反向 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 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