电动汽车驱动系统PPT页

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
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
其他主要故障有短路，击穿和烧坏
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
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： R(t) P(T t)
平均寿命：
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
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
4
x 10 10
寿 命 -电 应 力 倍 率
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
电应力倍率
寿命
逆幂率(inverse power model)模型
加速系数(AF)：
AF
(Vn Vi
) 5
加 速 系 数 -温 度 应 力
60
50
40
加速系数
30
20
10
0
323
8.8559103 ( 1 1 )
加速系数(AF)： AFC e
323 T
加 速 系 数 -温 度 应 力 60
50
40
加速系数
30
20
10
0
323
330
340
350
360
温度应力T
370
378
逆幂率(inverse power model)模型
寿命特征：L 10 104 (Vi )5
Vn
断裂
+
缺外 设 变 陷力 计 形
冲工 击艺
不 合 理
7轴承故障
+
磨损
压痕
电蚀
腐蚀
开裂
+
+
轴承内有 电流连续
+
湿气，水 或间断通
分和配液 过轴承
转速 间隙 振 润滑 过高 不当 动 不良
轴承
+
磨粒 静止 存在 时振
动
过载
内圈 膨胀
外圈 收缩
装配程序 不当
静 载
摩
润 滑
过擦不
大
充
惯 性 过
大
转
装装
速过配 配
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。
良
受 材料 潮 缺陷
积 过冷频高 灰 载热繁温
循启
腐蚀 环 动
变质
+
油药 污损
浸 局部 蚀 放电
4转子磁钢
+
磁钢 脱落
退磁
+
+
工
艺粘
不贴
佳
剂 不
当
振电 动枢
反
选 用 材
高 温
应料
不
当
5转子本身 故障
+
磨损
断条
+
+
集转 肤子 效定 应子
磨
擦
缺外 设 变 陷力 计 形
冲工 击艺
不 合
理
6转轴故障
+
轴弯曲
过载面 程
高
不序
分
均不
称当
8母线电容故障
+
爆浆
起鼓
+
损耗 上升
容量 下降
漏电流 上升
+
+
短路
+
开路
+
等效
电阻
过大
+
+
过 电过
电电 流 压 压
解解
反
液液
向
失蒸
效发
频施 繁加 充交 放流
电电
+
使 用长 温时 度间 过使 高用
氧 化 膜 缺
陷
电 解 液 量 不
足
附 着 金 属 颗
粒
铝 箔 和 引 线 毛
电动汽车驱动系统 可靠性研究
研 究 生：景诗毅
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。
电机 驱动控制
电机
电机部分并联
系统失效率为：
S 3.09 106
可靠度为：
RS eSt 0.9938
驱动控制 驱动控制
磁钢 铁芯 转轴
S1
S2
薄弱环节冗余设计
轴承 定转子绕组 轴承 定转子绕组
S3
系统失效率为：
S 0.6 106
可靠度为：
RS eSt 0.9988
提高可靠性的办法
降额设计
MTTF
R(t )dt
0
失效率： (t) r
[N r(t)]t
产品浴盆曲线
λ(t) 失 效 率
早期失效期
规定 的失 效率
偶然失效期 使用寿命
耗损失效期
因为修而下 降的失效率
t0
t1
工作时间t
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
转轴 故障
轴承 母线支撑 控制 故障 电容故障 电路
功率管 （IGBT）故障
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1定子铁芯 故障
+
过机 铁 负械 芯 载疲 松
劳动
2,3定,转子绕组 故障
+
绝缘击穿
断线
绝缘电阻 下降
绝缘 老化
+
+
+
+
积灰
尖峰 电压
绝缘 材料 损伤 缺陷
+
振电冲 动磁击
力
冲 振焊 击 动点
接 触 不
电动汽车驱动系统的结构
+
逆变器
（IGBT)
-
驱动信号 保护信号
母线电压 采样
光电耦合
两相电流 采样
稳压电源
DSP控制 电路
电机
电动汽车
PC
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
T1
T3
T5
Udc
C
M
T6
T4
T2
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
永磁同步电机 电机驱动系统
刺
氧冲粘 化击贴 膜振剂 劣动和
化
涂
层
剂
的
引 线 和 铝 箔 接 触 不
使
好
用
9 功率管（IGBT）故障
+
10 DSP控制电路
+
短路 烧坏，击穿
静电放电
+
驱动电路 故障
+
过压 过热 过流
光耦器 故障
电源故障
焊
集
接
成
点
电 路
故
故
障
障
+
无
电
连接线
源
连
故障
元
接
件
器
故
松
+
障
动
脱
断线 碰壳
焊
+
+
+
栅 极 过
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: P b E Q k C
( 273THS )G
基本失效率: p Ae NT
滚动轴承的寿命:
LR
106 ( )(
60n
C ) fP p
fR
fL
fG
fS
fY
fH
fT
fE
IGBT的功率循环次数： N f
A
T
j
exp( Q ) R Tm
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： 8.859103 15.8
Le T
x 104 12
寿 命 -温 度 应 力
10
8
寿命
6
4
2
0 323
330
340
350 温度应力T
360
370
378
阿伦尼斯(Arrhenius)模型：
轴承静止时wk.baidu.com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
(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
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
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
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
集成电路坏
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
驱动电机系统 故障
+
电机本体故障
驱动器故障
+
+
定子故障
+
转子故障
+
轴故障
+
定子铁 芯故障
定子绕 组故障
转子绕 磁钢 转子本 组故障 故障 身故障
压
集 射 极 过
杂长 擎 散时 住 电间 效 感过 应
短 路
压 过流
压
+
+
+
装
短路 断路
工助焊 艺焊盘 不剂太 良差小
过老 应化 力
配 不 合
理
冲安焊 击装接 振不质
动当量
差
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
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
R1 R2 Ri Rn
并联模型
R1
R2
Ri
Rn
串联模型
R1
R2
R3
R4
R15
R26
混联模型
1
R1 R2 Ri Rn
R1 R1 R1 R1
2
j
R1
R1
R2
R2
Ri
Ri
Rn
Rn
串-并联模型
R2 1 Ri
R2 2 Ri
R2
j
Ri
R2 m Ri
并-串联模型
m
R1 R2 Ri Rn
Rn Rn Rn Rn
电动汽车驱动系统可靠性模型
驱动控制
电机
驱动系统的可靠性框图：
直流母线 电容
IGBT
半导体 电阻 功率管 电容
元件n
控制电路
驱动控制电路可靠性框图
轴承 转轴 磁钢 铁芯 定转子绕组
驱动器
定子 转子 轴承 主电路
控制器
定子绕组 定子铁芯 转子绕组 转子磁钢 转子转轴 功率器件
散热器 母线电容
控制电路 驱动，保护电路
集成电路
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
电机可靠性框图
电动汽车驱动系统可靠性设计
驱动控制 驱动控制
电机 电机
系统失效率为： S 76.79 1012
可靠度为：
驱动系统完全冗余设计
RS eSt 0.999
驱动控制 电机
驱动控制
驱动控制部分并联
系统失效率为：
S 5.673106
可靠度为： RS eSt 0.9887
电动汽车驱动系统可靠性设计
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
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
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。
330
340
350
360
温度应力T
370
378
简单多应力复合模型
寿命特征： V 8.859103 15.8
( L e T
i )5
Vn
寿命
x 104
3.5 3
(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
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。