三合一電驅動總成急變速試驗工況的研究

余強

(上海汽車變速器，上海 201800)

0 引言

汽車電動化是汽車發展的趨勢，而集成化則是電驅總成的重要的發展趨勢。三合一電驅動系統由于高度集成了電機、電機控制器以及減速器，相比較分體式的電驅動系統具有更輕的質量、更好的EMC性能、更便宜的價格。汽車在行駛過程中是由大量的加速、減速動態工況組成，而相比較傳統燃油車，純電動車通常為單速比，電驅動系統需要有更廣的工作轉速范圍、更快的加速能力。由此電驅動系統承受的轉速交變工況相比較發動機和變速器會更頻繁、更惡劣，對于旋轉部件來說，轉速的爬升和降速過程中就意味著承受的離心力的增加和減弱，為了保證三合一電驅動總成在車速動態變化過程中的旋轉部件的可靠性，進行電驅動總成的急變速試驗就顯得尤為重要。

1 概述

1.1 三合一電驅動總成急變速試驗的定義

急變速試驗，也可稱為轉速沖擊試驗，高加速/減速試驗等，它屬于電驅動總成耐久性試驗的一個項目，是一種在臺架上進行的考核電驅動總成在低負荷下轉速快速交變的可靠性試驗。

急變速試驗的工況可以參考相關標準制定，也可以整車路譜轉化而來，用以模擬電動車在實際使用過程中的轉速變化情況。

1.2 急變速試驗的目的及考核對象

急變速試驗主要用于評估電驅動總成的機械強度，如電機軸承、減速器軸承、電機轉子、電機油封、位置傳感器及齒輪等。作為一種探測手段，還可考核以下的失效：

(1)電機與減速器花鍵的磨損、斷裂；

(2)轉子硅鋼片與轉子軸過盈配合失效，松動；

(3)電機轉子螺栓變形、斷裂；

(4)電機轉子壓板松動，損壞；

(5)轉子軸承蠕變，油脂脫油；

(6)位置傳感器信號漂移；

(7)減速器齒輪斷裂；

(8)減速器軸承蠕變、異響。

2 急變速試驗參考標準

針對三合一電驅動總成的試驗標準及規范，不管是國內還是國外，都基本上是個空缺。一般參考的標準都是分體式的試驗標準。在急變速試驗的參考標準目前只有在ISO 21782中有涉及，ISO 21782是國際標準化組織(ISO)于2019年發布的針對電動車、電驅動系統的測試規范，共有6個部分，在ISO 21782-6[2]電機和逆變器的工作負載測試中提及電機運行耐久共有3個部分：(1)高加速/減速耐久測試；(2)最大扭矩耐久測試；(3)超速試驗。標準中對于高加速/減速耐久測試工況的定義如下:空載以最大轉速重復順時針和逆時針方向旋轉。雙向轉動的電機測試工況如圖1所示，單向轉動的電機測試工況如圖2所示。標準中的循環次數、峰值轉速停留時間t1是需要供應商與客戶達成一致的。

圖1 雙向電機測試工況

圖2 單向電機測試工況

圖2中，t為時間(s)；n為電機轉速(r/min);nm為最高轉速(r/min)；s為1個循環；t1為保持時間(s)。

需要說明的是，圖1和圖2中從零加速到峰值速度是等于目標車輛的加速度，是需要從客戶的要求中來，而峰值停留時間t1應減少到技術可能的最小值。標準中對于循環數有分級和定義見表1。

表1 急變速試驗工況循環數要求

ISO 21782-6標準中定義的工況存在以下問題：

(1)速度交變工況考核單一，與實際不符

標準中對于加速考核只有一種，從0到最高轉速，而實際使用過程中，通常會只線性加速到60、80或者100 km/h等，從0加速到最高轉速的工況，使用工況極少。

(2)從零加速到峰值，加速斜率不變

目前純電動車的電機轉速都很高，有的甚至可以達到2萬以上，在整車實際使用過程中，加速的斜率是會分區間，如0～6 000 r/min，加速時間比較短，而6 000～12 000 r/min加速時間會相對較長。

(3)加速循環數定義與整車設計壽命無法等效

當前三合一電驅動總成的設計壽命一般都由整車定義，10年/30萬公里是比較常見的要求，在ISO 21782-6標準中沒有辦法完全與文中的設計壽命要求等效的。

3 試驗工況定義

3.1 理論基礎

F=mω2r

式中：F為離心力；m為物體質量；ω為角速度；r為半徑。

離心運動示意圖如圖3所示。

圖3 離心運動示意

從ω1變化到ω2的時間可能為ta，tb，......，在進行工況折算的時候，可以依據沖量定理

Fata=Fbtb=mv1-mv2

同樣的轉速變化，因為變化時間的不同，則沖擊力不同，沖擊力與時間成反比。車輛的每次加減速都會給旋轉件帶來一次離心力的施加和釋放。旋轉件由此產生規律的不穩定的變應力，每次應力的施加都是對材料的破壞。該類破壞可以使用疲勞損傷累計假說(常稱為Miner法則)進行分析計算。D=FkN,N為加速和減速次數，k的選取建議2～5，取決于零件的復雜程度。如前所述，車輛在行駛過程中是以動態工況為主，長時間的運行會產生大量的規律的不穩定的變應力，需要考慮材料的抗疲勞特性和部件的抗剪切能力。

3.2 路譜選定

如前所述，ISO 21782-6存在一定局限性，該標準是不可能完全照搬應用于三合一電驅系統的急變速試驗。三合一電驅動總成的急變速試驗工況應該具有以下幾個特點：動態，加速斜率分區間以及與整車壽命等效。 因此在設計電驅動系統的試驗工況時，必須綜合國內的道路使用需求以及整車的實際使用條件。對于道路使用條件，常規使用NEDC和WLTC。國家于2019年10月25日發布了適應中國的路況標準:GB/T 38146.1 《中國汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車》[3]，該標準簡稱為CLTC，如圖4所示。

圖4 中國輕型汽車行駛工況(CLTC)

由圖可知，CLTC更真實反映了中國特色的工況要求，主要表現在幾個方面：

(1)平均車速及最高車速定義更合理；

(2)駕駛工況更寬泛；

(3)具有更合理的停車模式比例；

(4)更為豐富的動態工況。

3.3 路譜分析

從CAE分析的角度來看，當轉速變化時間過緩的時候，力的沖擊可以忽略，根據路譜，簡化為以下工況。CLTC路況分析見表2。

表2 CLTC路況分析

續表2

3.4 工況生成

工況生成有以下原則：

(1)按轉速段分；

(2)需要考慮WOT時間和次數，避免過加速，避免材料發生塑性變形而破壞；

(3)依據里程數，確定循環次數；

(4)依據置信度、可靠度考慮試驗樣本對試驗周期的影響；

(5)材料物理屬性隨著溫度增加而衰減，冷卻水使用最高工作溫度，增加考核扭矩，提升考核嚴苛度。

依據以上原則，假設電機最高轉速為15 000 r/min,生成的路況如圖5所示。

圖5 三合一電驅動總成急變速試驗工況

4 試驗條件及要求

4.1 試驗條件

三合一電驅動總成急變速試驗，需要使用雙電機臺架或者三電機臺架來進行測試，可以采用臺架拖動或者自轉的方式。試驗環境一般定義為室溫(23±5) ℃，相對濕度在25%～75%之間，需要特別注意的是冷卻液類型應與整車保持一致，流量設定為整車定義的最小流量，溫度需設定為最高入水口溫度，常規設定為8 L/min，65 ℃。

4.2 試驗要求

為了判定試驗是否通過，需要在試驗開始前后進行以下測試：

(1)電機反電動勢

考慮到三合一系統，電機一般集成與總成之中，不方便直接測量電動機的反電動勢，可以考慮總成只上低壓電，使用臺架電機自由拖動系統至規定轉速，記錄母線端直流電壓。

(2)旋轉變壓器位置信號

可以通過上位機軟件直接讀取旋轉變壓器的初始零位，進行試驗前后對比。

(3)三合一電驅系統扭矩轉速特性

一般考慮選取外特性拐點轉速處峰值扭矩及最高轉速下峰值扭矩特性，記錄扭矩值以及效率。

(4)試驗過程中的振動特性

臺架測試過程中一般考慮使用2個以上振動傳感器以檢測試驗過程中電機及減速器振動變化，振動位置布置以及限值需要試驗工程師根據經驗來確定。

以上數據在試驗前后需要進行數據比對，具體的評判標準可以參考ISO 21782-2，也可以參考整車產品性能或電驅動總成性能的定義。

試驗完成后拆解也是評判試驗通過與否的重要一環。拆解過程中，需要重點關注的項目及考核要求見表3。

表3 急變速試驗工況拆解項目及評判要求

5 展望

純電動車的相關標準目前相對還是較少，三合一電驅動總成的急變速試驗作為可靠性試驗的重要一環當前在各家整車越來越受到重視。針對三合一電驅動總成的急變速建議是與整車依照路譜來制定適合的工況，以免考核過嚴或者過松。對于電機的考核，認為ISO 21782-6的要求過于嚴苛，循環數過多，但是作為一個電機可靠性考核的標尺，也不失為一種比較好的考核手段。相信在后續GB/T 29307[4]修訂時也會考慮借鑒ISO 21782-6，但是對于循環數及工況可能會有針對性的調整。后續國內的電驅系統公告試驗，也可能會增加該項測試。隨著車聯網和大數據技術的發展，遠程獲取車輛行駛路況信息對于制定臺架試驗工況也是具有很好的指導意義。