基于動態(tài)溫度的電動汽車電機的預(yù)期壽命計算

摘 要：在許多情況下，電機的溫度和電機絕緣體的預(yù)期壽命是電機設(shè)計優(yōu)化中的重要因素。特別是對于電動汽車電機，電機溫度是可以變化的，并且依賴于車輛的實際使用情況。根據(jù)周期性變化的電機溫度，提供一種計算電機的預(yù)期壽命的方法，可以討論短時的超額溫度對電機預(yù)期壽命的影響。

關(guān)鍵詞：預(yù)期壽命；電機；電動汽車

引言

在今天的汽車產(chǎn)業(yè)中，電動汽車（EV）的設(shè)計和生產(chǎn)呈上升趨勢。對于少量測試車研發(fā)，高度優(yōu)化的設(shè)計和高效率的電力驅(qū)動裝置對于汽車生產(chǎn)的經(jīng)濟壓力不太明顯。但是，考慮大批量生產(chǎn)時，材料的節(jié)省、擁有簡單設(shè)計的電機和冷卻設(shè)計的電力驅(qū)動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，并進一步減少成本和重量的設(shè)計要求，必須要估計電機的預(yù)期壽命。由于機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行時間方式計算為6000小時至8000小時，用行駛距離方式計算為大約160000公里。因此，如果電機的使用壽命顯著超過車輛的其它關(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。

影響電機壽命的因素可以分為機械、電氣、環(huán)境和散熱四個方面。例如，軸承的機械磨損和疲勞是電機故障的主要原因。機械應(yīng)力也會使感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子斷條。現(xiàn)代變頻驅(qū)動電機面臨更多的電氣老化的因素，如電機線圈內(nèi)的電壓峰值對電機絕緣體的影響。電機工作環(huán)境的濕度和電機的外部振動等是導(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使用樹脂澆鑄技術(shù)來構(gòu)造，這有助于保護轉(zhuǎn)子和定子不受環(huán)境因素影響，并有更好的機械穩(wěn)定性。

通常汽車上電力驅(qū)動裝置的可用空間是很有限的，因此，我們的目標是設(shè)計高功率、緊湊的電動機。絕緣部件的熱老化是極為顯著的特性。無論車輛處于運動還是靜止狀態(tài)，熱老化與溫度相關(guān)，因此電動汽車的電機壽命依賴于電機的實際溫度和使用循環(huán)。由于冷卻系統(tǒng)的使用，存在短期過高溫度，這一溫度導(dǎo)致的老化是不能用一個恒定的電機溫度模型來表達的。文章基于假設(shè)的驅(qū)動和溫度循環(huán)討論了絕緣系統(tǒng)的熱老化。

1 電機預(yù)期壽命計算

電機絕緣部件的熱老化效果對于電機壽命的研究是一個重要的參數(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)。為了便于定量計算，我們采用公式（2），可由公式（1）得出

L（θc）=L0·2■ （2）

θc是電機溫度，單位為°C； TI是參考溫度，單位為°C； L0表示參考壽命，單位為小時。通常設(shè)置L0=20000小時，HIC是減半指數(shù)，它相當于蒙特申格爾（Montsinger）法則中的8℃至10℃。 TI和HIC是絕緣系統(tǒng)的特定性能，可以通過經(jīng)驗性長期老化和過載試驗確定，例如文獻[5]中的方法。熱點溫度通常被假設(shè)為絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障的臨界溫度，熱點溫度不能直接測量，可以用文獻[6]中的方法估計。公式（2）適用于恒溫情況，但由于電機所在的環(huán)境不是恒溫的，需要討論非恒溫條件下電機的預(yù)期壽命。

短期的過載和過高的溫度可以造成電機驅(qū)動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，并且與時間無關(guān)，我們采用文獻[7]定義的剩余壽命系數(shù)

p（t1，t2）=■■dt=■■2■dt （3）

因此，過高溫度時間間隔（t1，t2）內(nèi)的壽命損失可以通過下式計算

l1，2=p（t1，t2）·L（θc） （4）

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

Lp=L（θc）+n（t2-t1）-n·l1，2 （5）

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

Lp=■. （6）

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

圖1 周期T內(nèi)熱點溫度隨時間的變化關(guān)系

2 仿真研究結(jié)果

基于一個30kW的感應(yīng)電機的電動車模型，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)是三個標準化的EPA公路道路循環(huán)的組合，如圖2所示。當然，采用其它的道路循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)和測量值都可以作為輸入量。在仿真的過程中，主動冷卻系統(tǒng)是被忽略的。ADVISOR 2012中的熱電機模型是基于單個熱容量，比較簡單，但是它能提供內(nèi)部繞組和熱點溫度的計算。因此不采用更復(fù)雜的熱電機模型用于仿真。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。它們顯示了整個駕駛期間最后的43分鐘和隨后的持續(xù)約3.5小時的冷卻階段的溫度周期。首先，由于電機損耗，模擬的溫度上升，直至最后的道路循環(huán)結(jié)束時。在靜止狀態(tài)時，電機產(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)電動汽車每天以完全相同的方式使用，即T=24小時。在43分鐘內(nèi)行駛49.5公里的距離，過量的溫度的持續(xù)時間為3.5小時，即t2-t1=3.5h，剩下的20.5小時溫度等于環(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的計算結(jié)果。根據(jù)行駛距離dL和電動汽車運行時間TL可以計算出電機的絕緣系統(tǒng)的壽命。

圖4中顯示兩個粗略溫度的估計，以矩形描述電機的溫度曲線。這種假設(shè)比較簡單，可以用于保守的預(yù)期壽命的估計。圖2所示的仿真結(jié)果顯示了電動汽車的電機溫度在緩慢上升。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，而在（b）中只有駕駛階段，即實際車輛運行時的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際仿真。

表1中計算的壽命數(shù)值可以與預(yù)期壽命數(shù)值相比擬，方案（a）中的數(shù)值估計最接近于這些值。實際上，方案（a）的運行時間TL低于目標值，其原因在于高速公路上的高速行駛以及城市內(nèi)部道路的相對低速行駛。方案（b）只考慮駕駛時間，其壽命估計結(jié)果偏高。仿真結(jié)果（c）描述電機發(fā)熱的實際情況。相比方案（a）和（b）的壽命數(shù)值，仿真結(jié)果（c）要大幾個數(shù)量級。這些數(shù)值之間的巨大差異主要歸結(jié)于公式（2）中的指數(shù)形式，這是因為在仿真研究中以指數(shù)形式建立的電機模型過于簡化。

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，當電機溫度等于環(huán)境溫度或顯著低于峰值溫度時，熱老化過程沒有太明顯的差異。當環(huán)境溫度θ= 0℃時，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。仿真結(jié)果（c）有很大不同，因為最大峰值溫度保持了一小段時間，可知絕緣壽命不會被環(huán)境溫度的水平?jīng)Q定。

3 結(jié)束語

當電機的工作溫度出現(xiàn)明顯波動時，假設(shè)電動汽車的電機處于恒定工作溫度是不太合理的，它可能導(dǎo)致估計誤差和不合適的電機設(shè)計。我們考慮了電機在一個溫度可變并且存在短時過高溫情況下的電機預(yù)期壽命的計算方法，可以將實驗數(shù)據(jù)用于電機設(shè)計的優(yōu)化。因為熱老化的原因，預(yù)期壽命取決于機器的性能和使用方法。因此，為了建立一個合適的驅(qū)動系統(tǒng)，我們可用客戶數(shù)據(jù)作為實際輸入值來討論。

影響熱壽命損失和預(yù)期壽命的主要因素是使用過程中高峰值溫度的作用。因此，電動汽車牽引電機的壽命討論應(yīng)該主要關(guān)注高峰值溫度的數(shù)量、高度和持續(xù)時間，這關(guān)系到車輛控制和短期過載。智能電機的壽命管理應(yīng)可以有效限制過載，避免進一步的絕緣劣化，提高電機的使用時間。對于計算剩余的預(yù)期壽命，以及驅(qū)動系統(tǒng)處于良好的工作狀況，未來的使用情況的預(yù)測是至關(guān)重要的。

參考文獻

[1]L. Gokdere， A. Bogdanov， S. Chiu， et al. Adaptive control of actuator lifetime[J].in Aerospace Conference， IEEE， 2006.

[2]E. Brancato. Estimation of lifetime expectancies of motors[J].Electrical Insulation Magazine， IEEE， 1992，8（3）： 5-13.

[3]IEC 60216-1，電絕緣材料 - 耐熱性能- 第一部分： 老化過程和實驗結(jié)果[S].2001.

[4]G. Montanari ，L. Simoni.Aging phenomenology and modeling[J].Electrical Insulation， IEEE Transactions on， 1993，28（5）： 755- 776.

[5]IEEE 1107-1996，交流電動機使用固定片散繞線圈用密封隔熱系統(tǒng)的評定[S].1996.

[6]IEC 60034-1，旋轉(zhuǎn)電機 - 第一部分：額定值及性能[S].2004.

[7]J. Ben Uri.Life expectancy of electrical machines with variable loads[J].Proceedings of the IEE - Part C： Monographs， 1960，107（12）： 137-144.

[8]胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)壽命模型[J].電機與控制學(xué)報，2008，12（6）：670-674.

[9]胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)壽命模型研究[J].電機與控制應(yīng)用，2007，34（12）：1-5.