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电动汽车驱动系统 可靠性研究,研 究 生：景诗毅,背景和意义,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,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。,通用汽车百年庆典，雪佛兰VOLT电动车量产版全球首发,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：,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。,背景和意义,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。,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。,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,可靠性指标,可靠度： 平均寿命： 失效率：,背景和意义,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,主要研究内容,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,开关磁阻电机驱动系统 高密度、高效率 低成本、宽调速,直流电动 驱动系统,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,电动汽车驱动系统分类,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,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 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,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,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：,(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 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,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 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,电容故障表象图,DSP控制电路故障模式及机理,驱动系统故障树建立,电动汽车驱动系统 薄弱环节,定转子绕组,电机轴承,IGBT,控制电路,母线电容,绝缘寿命与绝缘温度的关系,定转子绕组寿命,失效率:,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,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,串联模型,并联模型,混联模型,并-串联模型,串-并联模型,电动汽车驱动系统可靠性模型,驱动系统的可靠性框图：,驱动控制电路可靠性框图,电机可靠性框图,电动汽车驱动系统可靠性设计,驱动系统完全冗余设计,系统失效率为：,可靠度为：,驱动控制部分并联,系统失效率为：,可靠度为：,电机部分并联,系统失效率为：,可靠度为：,薄弱环节冗余设计,系统失效率为：,可靠度为：,电动汽车驱动系统可靠性设计,提高可靠性的办法,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,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）,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,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