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新能源电驱系统标准解读与带载温度循环耐久(PTCE)

日期:2020-05-09 22:48
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摘要:什么是PTCE带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命,与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列(#文章末尾有相关文章的传送门#),为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。

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高低温湿热试验箱技术规格:

型号

SEH-150

SEH-225

SEH-408

SEH-800

SEH-1000

工作室尺寸(cm)

50×50×60

50×60×75

60×80×85

100×80×100

100×100×100

外形尺寸(cm)

115×75×150

115×85×165

130×105×170

165×105×185

170×125×185

温度范围

0℃/-20℃/-40℃/-70℃~+100℃/+150℃/+180℃

温度均匀度

<2℃

温度偏差

±2℃

温度波动度

≤1℃(≤±0.5℃,按GB/T5170-1996表示)

升温时间

+20℃~+150℃/约45min (空载)

降温时间

+20℃~-20℃/30min/ +20℃~-40℃/50min/ +20℃~-70℃/60min/(空载)

湿度范围

(10)20~98%RH

湿度偏差

±3%(>75%RH), ±5%(≤75%R上)

温度控制器

中文彩色触摸屏+ PLC控制器(控制App自行开发)

设备运行方式

定值运行、程序运行

制冷压缩机

进口全封闭压缩机

加湿用水

蒸馏水或去离子水

安全保护措施

漏电、短路、超温、缺水、电机过热、压缩机超压、超载、过流

电源

AC380V  50Hz 三相四线+接地线

满足标准

GB10589-89,GB10592-89,GB11158;GB/T10586-89, GB/T2423.1-2008;GB/T2423.2-2008;GB/T2423.3-2006;GB/T2423.4-2008;GB/T2423.22-2002;IEC60068-2-1.1990;IEC60068-2-2.1974;GJB150.3;GJB150.4;GJB150.9

1.  什么是PTCE?

带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命,与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列(#文章末尾有相关文章的传送门#),为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。
由此可知,EDS必须在整个测试运行期间承受与实际车辆寿命相当的损伤等级。这个所谓的"损伤等级"由两部分来确认:1)生命周期内的温度谱;2)生命周期内的里程数与载荷谱。因此,大家后续的分析都是基于这两个基本量来进行。

2. "ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?"

ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中关于带载温度循环耐久(PTCE)的要求类似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是对一个温度循环中持续时间的定义。
划重点:高温下运行电负荷、典型工况、>30min,33次循环。
那么问题来了:ISO16750/ISO19453 能否覆盖整车的工况和寿命需求?答:从目前了解信息来看,两标准虽较GB/T 18488有所强化,但是仍不足以表征整车生命周期内温度循环条件下的耐久寿命。具体原因见后续分析。
那么,"究竟要如何对带载温度循环耐久进行定义,可以等效整车全生命周期呢?",这就引出下面两个话题。

3. "怎么定义PTCE,以等效于整车全寿命要求?"

在回答这个问题之前,首先对PTCE的目的、范围和对象做下解读。
带载温度循环耐久(PTCE),顾名思义,反映的是整车生命周期内,在经历一定次数的外部温度变化后,子系统及其组件带载运行中的耐久性能。因此,从关键词中可以在设计试验之前,要明确两个问题:
1). 从EDS角度,明确PTCE的考核对象和范围
2). 从整车角度,明确产品寿命周期和负荷类型
考核对象和范围
从PTCE的定义可以看出,其模拟的是系统和组件在热-机械应力作用下的老化情况,因此,PTCE的主要考核对象和失效模式如下:
-功率器件和电子器件的焊层和焊点
-电机绕组绝缘层
-电机绕组焊点
-密封圈的粘结层
-轴承的润滑和形变
-油封疲劳老化
-壳体疲劳开裂
-齿轮的焊接

生命周期和负荷要求
从整车角度来看,产品的生命周期和负荷要求主要有以下几方面:
  寿命里程,如15年30万公里
  主要目标对象及用途:28~35岁上班族,假设每天往返,单程路程1小时 
  路谱信息:工况要求及对应的时间和循环数,据此计算获得总的运行时间,一般为7000~10000h
  温度谱信息:一般来自整车输入,或者参考标准根据安装位置进行定义。
据此,大家可以计算获得产品的"寿命"目标:
→ 设计寿命:15年
→ 运行寿命:2*365*15=10950h
→ 温度循环次数:2*365*15=10950 cycle
→ 存储寿命:24*365*15-10950=120,450h

到此,大家对EDS在全寿命中的服役环境和周期有了初步定义,但是台架不可能实行全寿命的测试。因此,为了提高试验效率、降低时间和费用的成本,大家引入适用于温度循环试验的加速模型:Coffin-Manson模型.

Coffin-Manson 加速模型

1. 什么是PTCE?

带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命,与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列(#文章末尾有相关文章的传送门#),为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。由此可知,EDS必须在整个测试运行期间承受与实际车辆寿命相当的损伤等级。这个所谓的"损伤等级"由两部分来确认:1)生命周期内的温度谱;2)生命周期内的里程数与载荷谱。因此,大家后续的分析都是基于这两个基本量来进行。

2. "ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?"

ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中关于带载温度循环耐久(PTCE)的要求类似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是对一个温度循环中持续时间的定义。本文仅参考ISO19453进行说明,详细测试方法如下: 
其中,关于温度循环加载曲线定义如下: 
其中,关于mode的定义如下: 测试通过指标如下:

划重点:高温下运行电负荷、典型工况、>30min,33次循环。那么问题来了:ISO16750/ISO19453 能否覆盖整车的工况和寿命需求?答:从目前了解信息来看,两标准虽较GB/T 18488有所强化,但是仍不足以表征整车生命周期内温度循环条件下的耐久寿命。具体原因见后续分析。那么,"究竟要如何对带载温度循环耐久进行定义,可以等效整车全生命周期呢?",这就引出下面两个话题。

3. "怎么定义PTCE,以等效于整车全寿命要求?"

在回答这个问题之前,首先对PTCE的目的、范围和对象做下解读。带载温度循环耐久(PTCE),顾名思义,反映的是整车生命周期内,在经历一定次数的外部温度变化后,子系统及其组件带载运行中的耐久性能。因此,从关键词中可以在设计试验之前,要明确两个问题:1). 从EDS角度,明确PTCE的考核对象和范围2). 从整车角度,明确产品寿命周期和负荷类型考核对象和范围
从PTCE的定义可以看出,其模拟的是系统和组件在热-机械应力作用下的老化情况,因此,PTCE的主要考核对象和失效模式如下:-功率器件和电子器件的焊层和焊点-电机绕组绝缘层-电机绕组焊点-密封圈的粘结层-轴承的润滑和形变-油封疲劳老化-壳体疲劳开裂-齿轮的焊接-……

生命周期和负荷要求从整车角度来看,产品的生命周期和负荷要求主要有以下几方面:  寿命里程,如15年30万公里  主要目标对象及用途:28~35岁上班族,假设每天往返,单程路程1小时   路谱信息:工况要求及对应的时间和循环数,据此计算获得总的运行时间,一般为7000~10000h  温度谱信息:一般来自整车输入,或者参考标准根据安装位置进行定义,下图为示意说明; 据此,大家可以计算获得产品的"寿命"目标:
→ 设计寿命:15年
→ 运行寿命:2*365*15=10950h
→ 温度循环次数:2*365*15=10950 cycle→ 存储寿命:24*365*15-10950=120,450h
到此,大家对EDS在全寿命中的服役环境和周期有了初步定义,但是台架不可能实行全寿命的测试。因此,为了提高试验效率、降低时间和费用的成本,大家引入适用于温度循环试验的加速模型:Coffin-Manson模型.
Coffin-Manson 加速模型计算公式如下: 其中:  ΔT_Field,指的一个循环中平均的温度差异,一般由整车来定义,本文案例是40℃;  ΔT_Test,指的是温度谱中highest温度和低温的差值,本文案例是80℃-(-40℃)= 120℃;  C,是CoffinManson系数,由整车厂定义,指的是温度变化的加速度常数,这个常数和失效模式相关;

上述三个参数清楚后,可以获得A_CM值为15.59。根据该数据,结合第3部分获得的寿命相关的温度循环次数:10950。
环次数确认了,下面来确认单个循环所需要的时间。
假设温度变化速率为4℃/min,高低温温度保持时间>15min;考虑到零部件条件温度的浸透时间,额外增加15min,因此,总的高低温温度保持时间均为30min,则可以根据下面公式获得单个循环时间为120min。
综上,导语中的问题有了答案:
1)ISO16750/ISO19453标准中对带载温度循环耐久的定义不能覆盖整车全寿命;
2)可以依据整车生命周期和负荷要求,通过Coffin-Manson模型对PTCE耐久加速,完成PTCE试验的等效设计。

4. 展望

PTCE试验设计的拓展
上述案例上述案例相对简单,实际PTCE的设计应用中,还需考虑以下几个方面:
a). 水温温度谱:如果考虑水温温度谱,试验应该如何定义?
b). 驾驶模式:本文仅考虑驱动模式(driving),如果有充电(charging)、驻车(parking)等模式,需要如何考虑?
c). 温度变化速率:一般由整车定义,如若没有可以通过前置试验,这个试验要怎么做?
d). HVDC端电压:可按照一定比例的" highest电压-额定电压"进行分配。

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