三合一電驅動總成耐久試驗方法研究

【摘要】為提高電驅動總成在機械負荷和熱負荷環境下可靠性驗證的效率，以三合一電驅動總成為研究對象，綜合考慮電驅動總成實際運行工作環境及使用工況，分析了各子系統的失效機理和影響因素，并根據不同試驗條件下的加速失效邏輯研究其加速過程及計算等效試驗時長。結果表明：加速后的壽命耐久試驗方法可以為電驅動總成可靠性驗證提供支持。

關鍵詞：電驅動總成 失效模式 耐久可靠性 加速壽命試驗

中圖分類號：U467.3" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230084

Study on Durability Test Method of Three-in-One E-Axle

【Abstract】In order to improve the efficiency of reliability verification of the e-Axle under mechanical load and thermal load environment， this paper， taking the three-in-one e-Axle as the research object， analyzed the failure mechanism and influencing factors of each subsystem by comprehensively considering the actual operating environment and working conditions of the e-Axle， and studied the acceleration process and calculated equivalent test time according to the accelerated failure logic under different test conditions. The results show that the accelerated life endurance test method can support the reliability verification of the e-Axle.

Key words： E-Axle， Failure mode， Durability and reliability， Accelerated life test

1 前言

電驅動總成作為電動汽車的核心零部件之一，其可靠性直接決定了電動汽車的整車可靠性及用戶駕駛感受[1]。因此，在電驅動總成集成化過程中，需經歷前期概念規劃、方案設計、測試驗證等多個階段，高溫運行耐久（High Temperature Operating Endurance，HTOE）、帶載溫度循環耐久（Power Thermal Cycle Endurance，PTCE）、機械疲勞耐久是電驅動總成測試驗證階段3個重要的壽命耐久試驗，試驗結果對電驅動總成承受熱應力及機械應力損傷驗證具有重要的參考價值。

2 電驅動總成結構及其工作原理

純電動汽車電驅動總成按照布置形式可分為分布式驅動和集中式驅動。分布式驅動主要體現為輪轂驅動，通過輪轂電機實現矢量控制，驅動車輛行駛，該驅動形式不需要變速器、傳動軸等傳動部件，效率及輕量化優勢明顯。

集中式驅動系統結構主要由驅動電機、電機控制器、減速器三合一共殼體集成，與傳統分體結構形式相比，更易于實現小型化，提升總成功率密度，如圖1所示：電機控制器將動力電池中的直流電調制成正弦交流電，通過改變電壓、電流幅值控制電機扭矩和轉速，電機端的扭矩通過轉子軸和減速器二級減速傳遞至差速器端并將扭矩分配給左、右車輪，以實現降速增扭，同時，電驅動總成通過控制器局域網（Controller Area Network，CAN）模塊與整車控制單元通信，交互扭矩指令、旋轉方向和電橋狀態信息[2]。目前，主流純電動乘用車動力系統以集中式驅動為主，故本文以三合一集成式電驅動總成為研究對象，系統控制邏輯如圖2所示。

3 電驅動總成失效形式分析

隨著功率電子器件應用范圍不斷擴大，在其整個壽命周期內，三合一電驅動總成失效模式分為電力電子器件、機械件的熱失效及機械應力失效，具體包括[3]：

a. 因長時間高溫熱暴露，電機耐溫耐壓性能衰退，導致電機絕緣退磁失效；

b. 電機、電控系統在熱應力和機械應力作用下會引起功率及電子器件老化失效，如焊接接頭開裂及溫度變化過程中殼體材料因膨脹系數不同而引起的殼體開裂及密封失效；

c. 電機、減速器在長周期機械應力作用下會引起疲勞失效，如軸承點蝕疲勞、軸類彎曲疲勞及齒輪點蝕/斷裂疲勞等。

4 電驅動總成耐久試驗方法

目前，各整車制造商對電驅動總成的耐久試驗方法不盡相同，本文基于上述對電驅動總成各子系統失效模式的分析，制定了電驅動總成各系統的耐久試驗方法。

4.1 電機高溫耐久試驗

電機高溫耐久試驗是為了模擬車輛使用過程中因高溫熱暴露造成的電器件絕緣老化及高溫退磁失效風險，其失效模式主要為HTOE[4]。

HTOE的失效機理為阿倫尼烏斯模型（Arrhenius Model），通常基于整車基礎工況和電驅動總成設計壽命要求，仿真得到基礎工況下不同時刻轉速-轉矩工況點對應的電機定子繞組溫升曲線，如圖3所示，再根據該溫升曲線計算得到不同溫度下對應的溫度分布情況，如圖4所示。

根據阿倫尼烏斯模型加速到目標試驗溫度及對應的試驗時長，以某車型單個循環工況為例，其加速過程為：

式中：AT，i為阿倫尼烏斯模型中對應現場溫度TField，i的加速因子，表征加速應力下產品壽命特征值與正常應力下產品壽命特征值的比值，數值越大，加速過程越嚴苛；EA=0.45 eV為活化能；k=8.617×10-5 eV/K為玻爾茲曼常數；TTest為測試溫度，通常為定子過溫降功率閾值Tmax；TField，i為現場溫度，基于產品工作的溫度分布曲線取值。

利用式（1），根據基礎工況下定子溫度分布情況，通常將定子試驗溫度加速至過溫降功率閾值175 ℃，計算出產品各工作溫度下的加速因子AT，i，如表1所示。

根據式（1）得到的產品各工作溫度下的加速因子，計算電機高溫耐久試驗總的測試持續時間tTest：

式中：tope為現場工作持續時間，pi為該溫度下部件在現場的工作持續時間的百分比。

經計算，tTest=980 h。

根據定子過溫降功率溫度限值分解出不同時刻電機臺架對應的轉速-轉矩工況點，生成如圖5所示的電機高溫耐久臺架試驗譜，耐久試驗過程中，臺架散熱模塊按照冷卻液溫度為65 ℃、流量為8 L/min的冷卻邊界持續對電驅動總成進行散熱，使電機定子繞組始終在175 ℃環境中并持續運行980 h，試驗過程中通過電機耐久臺架監控待測試件（Device Under Test，DUT）振動有無異常，試驗結束后對DUT進行功能檢查，復測電機絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時根據下線（End of Line，EOL）測試工況點復測電機持續及峰值性能，確認性能衰退偏差是否低于5%。

4.2 電驅動總成高溫耐久試驗

電驅動總成高溫耐久試驗是為了模擬車輛壽命周期內電機、電控系統的熱暴露和機械應力情況，驗證因熱暴露（如擴散、遷移和氧化）和機械應力而發生的失效形式，其失效機理為阿倫尼烏斯模型，按照電驅動總成在整車安裝區域的溫度分布狀態計算其加速過程，如表2所示。

根據表2中電驅動總成安裝區域的溫度分布占比，將電驅動總成工作環境溫度加速至恒溫90 ℃，根據式（1）計算出DUT安裝區域不同溫度下的加速因子，如表3所示。

根據表3計算出的各溫度下的加速因子及DUT產品壽命周期內應服役的工作時間（10 000 h），由式（2）得到電驅動總成高溫耐久等效試驗時長為1 228.8 h，整個試驗過程按照冷卻液溫度為65 ℃、流量為8 L/min的冷卻邊界，基于1 h無負載和47 h額定負載工作模式交替運行1 228.8 h，試驗過程中，通過電機耐久臺架監控DUT振動有無異常，試驗結束后，對DUT進行功能檢查，復測電機絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時根據EOL測試工況點復測電機持續及峰值性能，確認性能衰退偏差是否低于5%。

4.3 電驅動總成帶載溫度循環試驗

電驅動總成帶載溫度循環耐久試驗旨在驗證DUT在溫度變化過程中因熱機械暴露及材料的不同膨脹系數而引起的殼體開裂、密封失效及焊接接頭老化和開裂，通過耐久試驗保證部件在帶載運行過程中的質量和可靠性，其失效模式主要為絕緣老化和疲勞開裂。

PTCE的失效機理為科芬-曼森（Coffin-Manson）模型，通常基于測試循環內的溫差及零部件安裝區域的平均溫差計算出加速因子，隨后依據加速因子及整個生命周期內溫度循環次數計算得到總的試驗循環數，并根據試驗溫箱溫度變化率及樣件熱平衡時間得到試驗總時長，其加速過程為：

式中：ACM為科芬-曼森模型的加速因子，表征溫度交變應力下產品壽命特征值與正常整車位置的溫度應力下產品壽命特征值的比值，溫度交變工況下溫差范圍越大，加速因子越大，加速過程越嚴苛；ΔTTest為單個測試循環期間的溫差；ΔTField為車輛使用壽命周期內，部件安裝區域環境溫度的平均溫差（機艙區域按照35 ℃計算）；C為科芬-曼森模型的參數，為固定值2.5。

電驅動總成正常工作環境溫度一般為-40～85 ℃，分別定義正常工作最低環境溫度Tmin=-40 ℃、正常工作最高環境溫度Tmax=85 ℃，并代入式（3），經計算，ACM=24.1。

所需測試循環總數NTest為：

式中：NTCF為現場車輛使用壽命期間的溫度循環次數（按照設計壽命15年，每天2個溫度循環等效）。

經計算，NTest=454.3次。

單次測試循環的持續時間為：

式中：td為按照DUT在35 min達到熱平衡后并額外保持15 min得到的持續時間，λ=4 ℃/min為溫度變化速率。

經計算，tCycle=162.5 min，故帶載溫度循環耐久試驗總時長可按照等效1 230.4 h持續運行，試驗過程中，通過電機耐久臺架監控DUT振動有無異常，試驗結束后對DUT進行功能檢查，復測電機絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時根據EOL測試工況點復測電機持續及峰值性能，確認性能衰退偏差是否小于5%。

4.4 電驅動總成機械耐久試驗

電驅動總成機械耐久試驗旨在考核整個傳動鏈上電機及減速器等機械件在整個壽命周期內的機械應力作用下引起的疲勞失效，其失效形式表現為高周疲勞作用下的齒根斷裂及齒面磨損/膠合、軸類零件剪切及彎曲應力效應，以及軸承磨損引起的疲勞斷裂。基于上述失效形式，制定電驅動總成機械耐久臺架試驗譜及等效試驗時長。

根據整車銷售區域及溫度分布占比，定義數據庫中不同的載荷譜權重并進行排序，得到可覆蓋90%用戶使用需求的參考工況及電驅動總成設計使用壽命周期內的軸承、軸齒累積損傷指標需求。根據參考工況下的轉矩、轉速、運行時間列表，基于疲勞損傷等效累積理論，提高基礎工況譜扭矩，濃縮成電驅動總成無降功率工況下的臺架試驗譜及試驗周期內對應的循環數，以保證電機及減速器的機械結構設計能夠滿足90%用戶對軸承運轉壽命及機械運轉疲勞的使用需求，試驗過程中持續監控DUT運行狀態，試驗結束后對DUT進行功能檢查，復測電機絕緣性能、腔體及水道氣密性，同時根據EOL測試工況點復測電機持續及峰值性能，確認性能衰退偏差小于5%，功能檢查完成后拆解DUT，確認軸齒、軸承是否有疲勞點蝕失效。

5 結束語

本文以某三合一集成式電驅動總成為研究對象，基于對電子/電氣原件熱負荷失效模式分析，針對電機繞組和永磁體長時間過溫引起的絕緣和退磁失效風險，選定電機高溫耐久試驗作為可靠性驗證方法，并給出了加速壽命試驗計算過程，針對電驅動總成壽命周期內因機械應力和熱應力累加產生的失效風險，提出了電驅動總成相應失效模式下的高溫運行耐久及帶載溫度循環驗證方法，同時給出了加速壽命試驗計算過程，定義了試驗過程中臺架溫度要求及試驗結果判定標準。針對電驅動總成運行過程中不同的失效形式，綜合使用4種耐久試驗方法能夠保證電驅動總成試驗驗證更加充分、有效。

參考文獻

[1] 閔遠亮. 電動汽車驅動電機壽命預測及可靠性測試方法的研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2011.

MIN Y L. Research on Life and Reliability Testing Method of the Electric Vehicle Motor[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2011.

[2] 賈樸. 電動車用永磁同步驅動電機控制方法的研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

JIA P. Research on Control Method of Permanent Magnet Synchronous Drive Motor for Electric Vehicles[D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2013.

[3] 于海芳， 劉志強， 崔淑梅. 電動汽車電機驅動系統故障與失效模式分析[J]. 電力電子技術， 2011， 45（12）： 69-71.

YU H F， LIU Z Q， CUI S M. Failure and Failure Mode Analysis of Electric Vehicle Motor Drive System[J]. Power Electronics， 2011， 45（12）： 69-71.

[4] 吳佳燕， 孫新函， 劉小兵， 等. 新能源汽車電子電氣零件高溫環境可靠性試驗方法研究[J]. 上海汽車， 2021（9）： 39-43.

WU J Y， SUN X H， LIU X B， et al. Research on High Temperature Environment Reliability Testing Method for Electronic and Electrical Components of New Energy Vehicles[J]. Shanghai Automotive， 2021（9）： 39-43.