基于動(dòng)態(tài)溫度的電動(dòng)汽車電機(jī)的預(yù)期壽命計(jì)算

摘 要：在許多情況下，電機(jī)的溫度和電機(jī)絕緣體的預(yù)期壽命是電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的重要因素。特別是對(duì)于電動(dòng)汽車電機(jī)，電機(jī)溫度是可以變化的，并且依賴于車輛的實(shí)際使用情況。根據(jù)周期性變化的電機(jī)溫度，提供一種計(jì)算電機(jī)的預(yù)期壽命的方法，可以討論短時(shí)的超額溫度對(duì)電機(jī)預(yù)期壽命的影響。

關(guān)鍵詞：預(yù)期壽命；電機(jī)；電動(dòng)汽車

引言

在今天的汽車產(chǎn)業(yè)中，電動(dòng)汽車（EV）的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)呈上升趨勢(shì)。對(duì)于少量測(cè)試車研發(fā)，高度優(yōu)化的設(shè)計(jì)和高效率的電力驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)于汽車生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)壓力不太明顯。但是，考慮大批量生產(chǎn)時(shí)，材料的節(jié)省、擁有簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的電機(jī)和冷卻設(shè)計(jì)的電力驅(qū)動(dòng)裝置可以顯著減少成本、重量和產(chǎn)品的復(fù)雜性。為了滿足壽命要求，并進(jìn)一步減少成本和重量的設(shè)計(jì)要求，必須要估計(jì)電機(jī)的預(yù)期壽命。由于機(jī)械磨損和疲勞是主要的老化因素，目前傳統(tǒng)汽車的壽命或使用時(shí)間都用公里或英里表示。例如，一輛常規(guī)中型汽車的壽命特性用車輛的運(yùn)行時(shí)間方式計(jì)算為6000小時(shí)至8000小時(shí)，用行駛距離方式計(jì)算為大約160000公里。因此，如果電機(jī)的使用壽命顯著超過(guò)車輛的其它關(guān)鍵部分，可能導(dǎo)致資源和能源的不必要消耗，增加額外成本。

影響電機(jī)壽命的因素可以分為機(jī)械、電氣、環(huán)境和散熱四個(gè)方面。例如，軸承的機(jī)械磨損和疲勞是電機(jī)故障的主要原因。機(jī)械應(yīng)力也會(huì)使感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條。現(xiàn)代變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)面臨更多的電氣老化的因素，如電機(jī)線圈內(nèi)的電壓峰值對(duì)電機(jī)絕緣體的影響。電機(jī)工作環(huán)境的濕度和電機(jī)的外部振動(dòng)等是導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)的老化和降解的環(huán)境因素。因此，許多汽車的牽引電機(jī)使用樹(shù)脂澆鑄技術(shù)來(lái)構(gòu)造，這有助于保護(hù)轉(zhuǎn)子和定子不受環(huán)境因素影響，并有更好的機(jī)械穩(wěn)定性。

通常汽車上電力驅(qū)動(dòng)裝置的可用空間是很有限的，因此，我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)高功率、緊湊的電動(dòng)機(jī)。絕緣部件的熱老化是極為顯著的特性。無(wú)論車輛處于運(yùn)動(dòng)還是靜止?fàn)顟B(tài)，熱老化與溫度相關(guān)，因此電動(dòng)汽車的電機(jī)壽命依賴于電機(jī)的實(shí)際溫度和使用循環(huán)。由于冷卻系統(tǒng)的使用，存在短期過(guò)高溫度，這一溫度導(dǎo)致的老化是不能用一個(gè)恒定的電機(jī)溫度模型來(lái)表達(dá)的。文章基于假設(shè)的驅(qū)動(dòng)和溫度循環(huán)討論了絕緣系統(tǒng)的熱老化。

1 電機(jī)預(yù)期壽命計(jì)算

電機(jī)絕緣部件的熱老化效果對(duì)于電機(jī)壽命的研究是一個(gè)重要的參數(shù)。我們用阿倫尼烏斯定律描述熱老化速度

L=B·e■ （1）

其中B是一個(gè)常數(shù)，稱為指前因子；ψ為活化能，其單位為eV；T為熱力學(xué)溫度，單位為K；k是玻爾茲曼常數(shù)。為了便于定量計(jì)算，我們采用公式（2），可由公式（1）得出

L（θc）=L0·2■ （2）

θc是電機(jī)溫度，單位為°C； TI是參考溫度，單位為°C； L0表示參考?jí)勖瑔挝粸樾r(shí)。通常設(shè)置L0=20000小時(shí)，HIC是減半指數(shù)，它相當(dāng)于蒙特申格爾（Montsinger）法則中的8℃至10℃。 TI和HIC是絕緣系統(tǒng)的特定性能，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)性長(zhǎng)期老化和過(guò)載試驗(yàn)確定，例如文獻(xiàn)[5]中的方法。熱點(diǎn)溫度通常被假設(shè)為絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障的臨界溫度，熱點(diǎn)溫度不能直接測(cè)量，可以用文獻(xiàn)[6]中的方法估計(jì)。公式（2）適用于恒溫情況，但由于電機(jī)所在的環(huán)境不是恒溫的，需要討論非恒溫條件下電機(jī)的預(yù)期壽命。

短期的過(guò)載和過(guò)高的溫度可以造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和變壓器的熱損傷。假設(shè)溫度變化造成的化學(xué)劣變的損害是可疊加的，并且與時(shí)間無(wú)關(guān)，我們采用文獻(xiàn)[7]定義的剩余壽命系數(shù)

p（t1，t2）=■■dt=■■2■dt （3）

因此，過(guò)高溫度時(shí)間間隔（t1，t2）內(nèi)的壽命損失可以通過(guò)下式計(jì)算

l1，2=p（t1，t2）·L（θc） （4）

其中l(wèi)1，2的單位為小時(shí)（h），它可以定量描述降低絕緣壽命需要多少過(guò)量的熱應(yīng)力，并可以用來(lái)計(jì)算電機(jī)絕緣部件的剩余壽命。對(duì)于變化的電機(jī)溫度，要將壽命作為一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，我們必須要引入新的方法。考慮到電機(jī)的周期性工作和溫度循環(huán)，用Lp表示電機(jī)的使用壽命。在使用壽命Lp時(shí)間內(nèi)，共有n≈LP/T個(gè)周期，周期T包含恒定的負(fù)載工作時(shí)間和過(guò)量溫度的時(shí)間間隔，如圖1所示。過(guò)量溫度的總時(shí)間為n（t1，t2），相應(yīng)的壽命損失為n·l1，2。因此電機(jī)壽命為

Lp=L（θc）+n（t2-t1）-n·l1，2 （5）

如果過(guò)量溫度（t1，t2）是發(fā)生在整個(gè)周期T內(nèi)，則電機(jī)的使用壽命為

Lp=■. （6）

公式（6）的優(yōu)點(diǎn)在于可以考慮一個(gè)周期T內(nèi)任意的電機(jī)溫度，而不必局限于指數(shù)形式的溫度函數(shù)。除了駕駛時(shí)間，壽命周期Lp還包含汽車不使用的時(shí)間段。顯然，Lp是由絕緣參數(shù)、驅(qū)動(dòng)器性能和實(shí)際使用方式確定的。

圖1 周期T內(nèi)熱點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

2 仿真研究結(jié)果

基于一個(gè)30kW的感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)車模型，我們根據(jù)汽車系統(tǒng)仿真工具ADVISOR2012和MATLAB做仿真討論。假設(shè)道路循環(huán)是三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的EPA公路道路循環(huán)的組合，如圖2所示。當(dāng)然，采用其它的道路循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)和測(cè)量值都可以作為輸入量。在仿真的過(guò)程中，主動(dòng)冷卻系統(tǒng)是被忽略的。ADVISOR 2012中的熱電機(jī)模型是基于單個(gè)熱容量，比較簡(jiǎn)單，但是它能提供內(nèi)部繞組和熱點(diǎn)溫度的計(jì)算。因此不采用更復(fù)雜的熱電機(jī)模型用于仿真。在仿真中，將HIC=10°C和TI=145°C作為輸入值。

圖2和圖3是仿真結(jié)果。它們顯示了整個(gè)駕駛期間最后的43分鐘和隨后的持續(xù)約3.5小時(shí)的冷卻階段的溫度周期。首先，由于電機(jī)損耗，模擬的溫度上升，直至最后的道路循環(huán)結(jié)束時(shí)。在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍，根據(jù)熱學(xué)模型，模擬溫度以指數(shù)形式下降。

在下面的仿真結(jié)果中，我們假設(shè)電動(dòng)汽車每天以完全相同的方式使用，即T=24小時(shí)。在43分鐘內(nèi)行駛49.5公里的距離，過(guò)量的溫度的持續(xù)時(shí)間為3.5小時(shí)，即t2-t1=3.5h，剩下的20.5小時(shí)溫度等于環(huán)境溫度，它被設(shè)置為θC=20℃。表1顯示三種情況下的預(yù)期壽命、老化因子PT和使用壽命Lp的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)行駛距離dL和電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)間TL可以計(jì)算出電機(jī)的絕緣系統(tǒng)的壽命。

圖4中顯示兩個(gè)粗略溫度的估計(jì)，以矩形描述電機(jī)的溫度曲線。這種假設(shè)比較簡(jiǎn)單，可以用于保守的預(yù)期壽命的估計(jì)。圖2所示的仿真結(jié)果顯示了電動(dòng)汽車的電機(jī)溫度在緩慢上升。圖3中降溫方式以指數(shù)形式下降，采用最壞情形下的最大溫度θ= 145℃。圖4顯示，（a）中的總溫度循環(huán)持續(xù)約3.5小時(shí)，而在（b）中只有駕駛階段，即實(shí)際車輛運(yùn)行時(shí)的43分鐘，隨后的冷卻階段是被忽略的。（c）是根據(jù)變化的溫度情況的實(shí)際仿真。

表1中計(jì)算的壽命數(shù)值可以與預(yù)期壽命數(shù)值相比擬，方案（a）中的數(shù)值估計(jì)最接近于這些值。實(shí)際上，方案（a）的運(yùn)行時(shí)間TL低于目標(biāo)值，其原因在于高速公路上的高速行駛以及城市內(nèi)部道路的相對(duì)低速行駛。方案（b）只考慮駕駛時(shí)間，其壽命估計(jì)結(jié)果偏高。仿真結(jié)果（c）描述電機(jī)發(fā)熱的實(shí)際情況。相比方案（a）和（b）的壽命數(shù)值，仿真結(jié)果（c）要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些數(shù)值之間的巨大差異主要?dú)w結(jié)于公式（2）中的指數(shù)形式，這是因?yàn)樵诜抡嫜芯恐幸灾笖?shù)形式建立的電機(jī)模型過(guò)于簡(jiǎn)化。

如圖3顯示，主要的壽命損失是在峰值溫度期間產(chǎn)生的。根據(jù)蒙特申格爾（Montsinger）法則，當(dāng)電機(jī)溫度等于環(huán)境溫度或顯著低于峰值溫度時(shí)，熱老化過(guò)程沒(méi)有太明顯的差異。當(dāng)環(huán)境溫度θ= 0℃時(shí)，從表2可以得出相同的結(jié)論。表1、2中可以看出，方案（a）和（b）的差異可以忽略不計(jì)。仿真結(jié)果（c）有很大不同，因?yàn)樽畲蠓逯禍囟缺３至艘恍《螘r(shí)間，可知絕緣壽命不會(huì)被環(huán)境溫度的水平?jīng)Q定。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)電機(jī)的工作溫度出現(xiàn)明顯波動(dòng)時(shí)，假設(shè)電動(dòng)汽車的電機(jī)處于恒定工作溫度是不太合理的，它可能導(dǎo)致估計(jì)誤差和不合適的電機(jī)設(shè)計(jì)。我們考慮了電機(jī)在一個(gè)溫度可變并且存在短時(shí)過(guò)高溫情況下的電機(jī)預(yù)期壽命的計(jì)算方法，可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于電機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。因?yàn)闊崂匣脑颍A(yù)期壽命取決于機(jī)器的性能和使用方法。因此，為了建立一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，我們可用客戶數(shù)據(jù)作為實(shí)際輸入值來(lái)討論。

影響熱壽命損失和預(yù)期壽命的主要因素是使用過(guò)程中高峰值溫度的作用。因此，電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的壽命討論應(yīng)該主要關(guān)注高峰值溫度的數(shù)量、高度和持續(xù)時(shí)間，這關(guān)系到車輛控制和短期過(guò)載。智能電機(jī)的壽命管理應(yīng)可以有效限制過(guò)載，避免進(jìn)一步的絕緣劣化，提高電機(jī)的使用時(shí)間。對(duì)于計(jì)算剩余的預(yù)期壽命，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于良好的工作狀況，未來(lái)的使用情況的預(yù)測(cè)是至關(guān)重要的。

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