電動(dòng)汽車用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性分析

李 強(qiáng)， 王永全， 付瑤琴

(1. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214400； 2. 西安交通大學(xué) 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

能源危機(jī)和環(huán)境污染促進(jìn)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，其可靠性直接影響電動(dòng)汽車的安全性。電動(dòng)汽車屬于耐用型消費(fèi)品，根據(jù)“浴盆曲線”理論，車輛使用后將從早期故障期向損耗期過渡，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)的可靠性將逐漸下降，零件磨損、陳舊引起設(shè)備故障率升高，維修活動(dòng)和保障費(fèi)用也會(huì)不斷增加[1]。研究分析電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性，以提高電動(dòng)汽車的可靠性和安全性，從而減少了使用費(fèi)和維修費(fèi)，同時(shí)還減少了產(chǎn)品壽命周期的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 控制系統(tǒng)故障分析

常用于電動(dòng)汽車的電機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類[2]。異步電機(jī)具有可靠性高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、費(fèi)用低和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。本文主要對(duì)電動(dòng)汽車用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析研究。其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控制電路板、驅(qū)動(dòng)逆變電路、蓄電池、傳感器等元器件組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要部件如圖2所示。

圖1 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要部件

1.1 電機(jī)故障模式分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4],在中小型異步電機(jī)中,軸承與絕緣故障占電機(jī)總故障數(shù)的97%，因此電機(jī)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為軸承系統(tǒng)和絕緣系統(tǒng)。

1.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)故障模式分析

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，主要由直流母線電容、大功率逆變器(IGBT)、驅(qū)動(dòng)控制電路等組成。

1.2.1 直流母線電容

直流母線電容除了用于濾除整流器交流成分和穩(wěn)定逆變器的供電電壓之外，實(shí)際上更傾向于吸收逆變器產(chǎn)生的紋波電流，以降低直流母線阻抗，并抑制逆變器開關(guān)管開通、關(guān)斷過程中產(chǎn)生的過沖電壓。

紋波電流會(huì)帶來電流或電壓幅值的變化,由于是交流成分,會(huì)在電容上發(fā)生耗散。如果電流的紋波成分過大,超過了電容的最大容許紋波電流,會(huì)導(dǎo)致電容燒毀。因此，在驅(qū)動(dòng)控制電路中，直流母線電容是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

1.2.2 大功率逆變器(IGBT)

大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逆變器一般選擇IGBT。IGBT是一種混合型電力電子器件，在高壓、大電流、高速3方面是其他功率器件不能比擬的,因而在變流裝置中被廣泛應(yīng)用。但是，過流、過壓、過熱都會(huì)損壞IGBT。在驅(qū)動(dòng)控制電路中，IGBT是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

1.2.3 其他元器件

驅(qū)動(dòng)控制電路主要由一些集成電路、功率管、電阻、電容等元件組成。在工作過程中，這些電子元器件因?yàn)檫^流、過壓、過熱等原因也經(jīng)常發(fā)生故障。

2 可靠性模型

可靠性模型是指為預(yù)計(jì)或估算產(chǎn)品的可靠性所建立的數(shù)學(xué)模型。建立可靠性模型的目的和用途在于定量分配、估算和評(píng)估可靠性。經(jīng)常用可靠度R(t)來描述產(chǎn)品的可靠性，指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

為了方便研究，在可靠性分析中考慮主要失效形式，忽略次要故障，主要對(duì)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的可靠性進(jìn)行分析。在分析過程中假設(shè)： (1) 電機(jī)與部件都只有兩種狀態(tài)，即故障狀態(tài)和正常狀態(tài)；(2) 各部件的故障相互獨(dú)立。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)其中任一個(gè)單元發(fā)生故障，系統(tǒng)均不能正常工作。因此，可把電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)看成可靠性串聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性模型框圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性模型框圖

2.1 軸承系統(tǒng)

電機(jī)軸承系統(tǒng)由兩個(gè)軸承組成，只要其中一個(gè)軸承發(fā)生故障系統(tǒng)均不能正常工作。因此，軸承系統(tǒng)中兩個(gè)軸承組成可靠性串聯(lián)系統(tǒng)?？煽啃钥驁D如圖4所示。圖4中，R11、R12分別表示兩個(gè)軸承的可靠度。

圖4 軸承系統(tǒng)可靠性框圖

研究表明，軸承的壽命服從威布爾分布，其概率密度函數(shù)f(t)和可靠度R1i(t)為

f(t)=αβ(t-γ)β-1e-α(t-γ)β

(1)

R1i(t)=e-α(t-γ)β

(2)

式中：α——尺度參數(shù)，α>0;

β——形狀參數(shù),β>0；

γ——位置參數(shù),γ≤t。

為了簡(jiǎn)化研究，不考慮位置參數(shù)γ，則軸承的可靠度為

R1i(t)=e-α·tβ

(3)

對(duì)于球軸承β=10/9，圓柱滾子軸承β=3/2，圓錐滾子軸承β=4/3。α一般取軸承的特征壽命LRh，其與電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載及電機(jī)質(zhì)量等級(jí)有關(guān)。下面介紹α的計(jì)算方法。

在一定可靠度下，軸承壽命計(jì)算式[5]為

(4)

式中：LRh——軸承可靠度為R時(shí)的壽命，h；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

C——滾動(dòng)軸承額定負(fù)荷，N；

P——滾動(dòng)軸承承受的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，N；

ε——壽命指數(shù)，球軸承為3，圓柱滾子軸承為10/3；

a1——可靠度的壽命修正系數(shù)；

a2——材料修正系數(shù),包括材料、設(shè)計(jì)和制造等影響因素；

a3——工作條件修正系數(shù),包括潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑劑清潔度、逆向溫度和裝配條件等影響因素。

由上式可計(jì)算出對(duì)應(yīng)一可靠度R(t0)時(shí)的軸承壽命t0,將R(t0)、t0帶入軸承可靠度計(jì)算式(3)，即可計(jì)算出α，從而可以獲得軸承的可靠度數(shù)學(xué)模型。

兩個(gè)軸承可靠度是串聯(lián)模型，則軸承系統(tǒng)的可靠度為

R1(t)=R11(t)·R12(t)=e-(α1·tβ1+α2·tβ2)

(5)

2.2 絕緣系統(tǒng)

電機(jī)絕緣系統(tǒng)主要由匝間絕緣、相間絕緣、槽間絕緣組成，當(dāng)其中之一發(fā)生故障電機(jī)均不能正常工作，因此組成串聯(lián)可靠性模型。其可靠性框圖如圖5所示。圖5中，R2i(i=1、2、3)分別為匝間絕緣、相間絕緣、槽間絕緣可靠度。

圖5 電機(jī)絕緣系統(tǒng)可靠性框圖

研究表明匝間絕緣、相間絕緣、槽間絕緣都近似服從指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)f(t)和可靠度R2i(t)為

(6)

R2i(t)=e-λ2it(i=1、2、3)

(7)

λ2i與電機(jī)運(yùn)行溫度、繞組線徑、絕緣等級(jí)、工藝和引線焊接材料等有關(guān)。文獻(xiàn)[6]給出了λ2i的計(jì)算模型：

λ2i=λbπEπQπKπC

(8)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πK——種類系數(shù)；

πC——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

基本失效率λb的計(jì)算式為

(9)

式中：THS——熱點(diǎn)溫度；

NT——溫度常數(shù)；

G——加速常數(shù)；

A——失調(diào)率調(diào)整系數(shù)。

上述參數(shù)可根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)查文獻(xiàn)[6]獲得。

絕緣系統(tǒng)的可靠度為

(10)

式中，λ2i(i=1、2、3)分別代表匝間絕緣、相間絕緣、槽間絕緣的失效率。

2.3 直流母線電容系統(tǒng)

直流母線電容系統(tǒng)由3個(gè)大電容構(gòu)成，當(dāng)其中任何一個(gè)電容發(fā)生故障，系統(tǒng)均不能正常工作。因此，直流母線電容組成可靠性串聯(lián)模型。其可靠性框圖如圖6所示。圖6中，R3i(i=1、2、3)分別表示3個(gè)電容的可靠度。

圖6 直流母線電容系統(tǒng)可靠性框圖

大量研究表明，大電容器的壽命近似服從指數(shù)分布，其可靠度為

R3i(t)=e-λ3it(i=1，2，3)

(11)

λ3i(i=1，2，3)為母線電容工作失效率，文獻(xiàn)[6]給出了λ3i的計(jì)算模型為

λ3i=λbπEπQπCV

(12)

式中：λb——基本失效率，10-6/h；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πCV——電容量系數(shù)。

電容器基本失效率λb的模型為

(13)

式中：A——失效率水平調(diào)整系數(shù)；

S——工作電壓與額定電壓之比；

Ns——應(yīng)力常數(shù)；

T——工作環(huán)境溫度；

NT——溫度常數(shù)；

B——形狀參數(shù)；

G——加速常數(shù)。

上述參數(shù)可以根據(jù)電容器的參數(shù)及工況在文獻(xiàn)[6]中查表獲得。

直流母線電容系統(tǒng)的可靠度為

(14)

2.4 大功率逆變電路(IGBT)

IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種電子器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的工作特性和高可靠性，被廣泛應(yīng)用與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制逆變電路。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中要用到3個(gè)大功率逆變?cè)骷?，一般選擇3個(gè)IGBT。當(dāng)其中任何一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)均不能正常工作，因此組成可靠性串聯(lián)模型。其可靠性框圖如圖7所示。圖7中，R4i(i=1、2、3)分別是3個(gè)IGBT的可靠度。

圖7 IGBT系統(tǒng)可靠性框圖

大量研究表明，IGBT壽命近似服從指數(shù)分布，其可靠度為

R4i(t)=e-λ4it

(15)

λ4i為IGBT工作失效率，目前還沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法。本文根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作方式，在文獻(xiàn)[6]基礎(chǔ)上提出了λ4i的計(jì)算模型。

λ4i=πQC1πTπV+(C2+C3)πEπL

(16)

式中：λ4i——工作失效率，10-6/h；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πT——溫度應(yīng)力系數(shù)；

πV——電壓應(yīng)力系數(shù)；

πE——環(huán)境應(yīng)力系數(shù)；

πL——成熟系數(shù)；

C1、C2——電路復(fù)雜度失效率；

C3——封裝復(fù)雜度失效率。

上述的參數(shù)可查文獻(xiàn)[6]獲得。

大功率逆變系統(tǒng)的可靠度為

(17)

2.5 驅(qū)動(dòng)控制電路

驅(qū)動(dòng)控制電路由大量集成電路芯片、電阻、電容、電子管、電位器、繼電器、感性元件等組成。大量研究表明，電子元器件的壽命均服從指數(shù)分布?？煽慷葹?/p>

R5i(t)=e-λ5it(i=1，2…，n)

(18)

n為驅(qū)動(dòng)控制電路所有電子元件數(shù)、印制板孔數(shù)以及焊接點(diǎn)數(shù)之和。

驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)可靠度為

(19)

λ5i是各電子元件的工作是效率，文獻(xiàn)[3]給出了各種電子元器件的工作失效率λ5i的計(jì)算模型，具體如下。

(1) 集成電路芯片。

集成電路芯片的工作失效率模型為

λ=λbπEπQπLπTπF

(20)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πL——成熟系數(shù)；

πT——溫度應(yīng)力系數(shù)；

πF——電路功能系數(shù)。

基本失效率λb模型為

λb=ASλC+λRTNRT+∑λDCNDC+λSE

(21)

式中：AS——襯底面積；

λC——網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度失效率；

NRT——膜電阻數(shù)；

λRT——膜電阻失效率；

NDC——外貼元件數(shù)；

λDC——外貼元件失效率；

λSE——為工藝封裝失效率。

(2) 半導(dǎo)體分立器件。

半導(dǎo)體分立器件包括晶體管、二極管、光電子器件，其工作失效率為

λ=λbπEπQπAπS2πτπC

(22)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πA——應(yīng)用系數(shù)；

πS2——電壓應(yīng)力系數(shù)；

πτ——額定功率因數(shù)；

πC——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

基本失效率λb模型為

(23)

式中：A——失效率水平調(diào)整系數(shù)；

NT、P——形狀參數(shù)；

TM——最高允許結(jié)溫，K；

T——工作環(huán)境溫度,℃；

ΔT——TM與滿額時(shí)最高允許溫度(TS)的差值，℃；

S——工作電應(yīng)力與額定電應(yīng)力之比。

(3) 電阻器。

電阻器的一般失效率模型為

λ=λbπEπQπR

(24)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πR——阻值系數(shù)。

基本失效率λb模型為

(25)

式中：A——失效率水平調(diào)整參數(shù)；

B——形狀參數(shù)；

T——工作環(huán)境溫度；

NT——溫度常數(shù)；

G、J、H——加速常數(shù)；

NS——應(yīng)力常數(shù)；

S——工作功率與額定功率之比。

(4) 電容器件。

電容器件的可靠度計(jì)算方式參考直流母線電容可靠性模型。

(5) 印制板。

印刷版的一般失效率模型為

λ=λbNπEπQ

(26)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

N——印制板孔數(shù)。

(6) 焊點(diǎn)。

焊點(diǎn)的一般失效率模型為

λ=λbπE

(27)

式中：λb——基本失效率；

πE——環(huán)境系數(shù)。

3 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)

基于建立的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型，采用應(yīng)力分析法對(duì)15kW電動(dòng)汽車用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。工作環(huán)境溫度為30℃，以下計(jì)算工作失效率單位均是10-6/h，時(shí)間t的單位為106h。

3.1 電機(jī)軸承系統(tǒng)可靠度

所選電機(jī)采用的軸承為100型深溝球軸承，轉(zhuǎn)速n=5600r/min,額定動(dòng)載荷C=4270N，軸承動(dòng)負(fù)荷P=138N，球軸承時(shí)ε=3，計(jì)算可靠度為0.9時(shí)的壽命，可靠度壽命修正系數(shù)a1=1，材料修正系數(shù)a2=1.2，工作條件修正系數(shù)a3=1.1，則根據(jù)式[4]可得，LRh=0.11638，帶入軸承可靠度計(jì)算式可得α=1.1497，則軸承系統(tǒng)可靠度為

R1(t)=R11(t)·R12(t)=e-2.299 4·t10/9

(28)

3.2 絕緣系統(tǒng)可靠度

本文所選電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)，經(jīng)溫升計(jì)算的熱點(diǎn)溫度為85℃，查文獻(xiàn)[6]可得：λb=0.019，πE=5，πQ=4，πK=1，πC=1，則絕緣繞組的工作失效率為

λ2i=λbπEπQπKπC=0.38(i=1,2,3)

(29)

絕緣系統(tǒng)的可靠度為

(30)

3.3 直流母線電容可靠度

直流母線電容系統(tǒng)由3個(gè)電容值為 2200uF，耐壓值為400V的美國(guó)CDE DCMCE-1666螺栓式鋁電解電容并聯(lián)組成。查文獻(xiàn)[6]可得πE=1，πCV=1.9,πQ=0.1，λb=0.1862，則

λ3i=λbπEπQπCV=0.0354(i=1，2，3)

直流母線電容系統(tǒng)可靠度為

(31)

3.4 大功率逆變電路(IGBT)可靠度

本文控制系統(tǒng)選用的功率開關(guān)器件為三菱公司的CM300DY-12NF IGBT模塊，使用三組并聯(lián)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可得πE=1，πQ=0.25，πT=3.78，πV=1，C1=0.118，C2=0.015，C3=0.019，πL=1。計(jì)算得λ4i=πQC1πTπV+C2+C3πEπL=0.12。則IGBT系統(tǒng)的可靠度為

(32)

3.5 控制電路板可靠度

控制板是一塊4層金屬印制板，其中包括22個(gè)集成電路芯片，32個(gè)半導(dǎo)體分立器件，118個(gè)電阻器件，96個(gè)電容器件，546個(gè)焊點(diǎn)，若其中一個(gè)元器件發(fā)生故障，系統(tǒng)不能正常工作，組成可靠性串聯(lián)模型。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可計(jì)算每個(gè)元器件的工作失效率，從而可獲得控制電路板的工作失效率λ5=12.258。則控制板可靠度為

R5(t)=e-λ5t=e-12.258 t

(33)

3.6 系統(tǒng)整體可靠度

由可靠性模型計(jì)算可得，電動(dòng)汽車用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系的可靠度為

(34)

若取t=1000，可得平均無故障時(shí)間為1000h 時(shí)，系統(tǒng)可靠度為R(0.001)=0.985。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)汽車用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)給薄弱環(huán)節(jié)分配較高的可靠度。在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析和預(yù)計(jì)，可以獲得平均無故障工作時(shí)間以及指定時(shí)間下的可靠度等指標(biāo)。通過提高系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)可靠度和預(yù)計(jì)系統(tǒng)整體可靠性，可有效提高系統(tǒng)的可靠度和安全性，降低故障率，減少了使用費(fèi)和維修費(fèi)，同時(shí)還減少了產(chǎn)品壽命周期的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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