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    新能源電驅系統標準解讀與帶載溫度循環耐久(PTCE)

    日期:2022-10-09 16:32
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    摘要:什么是PTCE帶載溫度循環耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是動力總成在生命周期內溫度循環條件下的運行壽命,與之前寫過的高溫運行耐久(HTOE)和機械疲勞耐久并列(#文章末尾有相關文章的傳送門#),為三合一電驅動系統壽命試驗的“三座大山”。

    高低溫濕熱試驗箱技術規格:

    型號

    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

    溫度范圍

    0℃/-20℃/-40℃/-70℃~+100℃/+150℃/+180℃

    溫度均勻度

    <2℃

    溫度偏差

    ±2℃

    溫度波動度

    ≤1℃(≤±0.5℃,按GB/T5170-1996表示)

    升溫時間

    +20℃~+150℃/約45min (空載)

    降溫時間

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

    濕度范圍

    (10)20~98%RH

    濕度偏差

    ±3%(>75%RH), ±5%(≤75%R上)

    溫度控制器

    中文彩色觸摸屏+ PLC控制器(控制軟件自行開發)

    設備運行方式

    定值運行、程序運行

    制冷壓縮機

    進口全封閉壓縮機

    加濕用水

    蒸餾水或去離子水

    **保護措施

    漏電、短路、超溫、缺水、電機過熱、壓縮機超壓、超載、過流

    電源

    AC380V  50Hz 三相四線+接地線

    滿足標準

    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?

    帶載溫度循環耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是動力總成在生命周期內溫度循環條件下的運行壽命,與之前寫過的高溫運行耐久(HTOE)和機械疲勞耐久并列(#文章末尾有相關文章的傳送門#),為三合一電驅動系統壽命試驗的“三座大山”。
    由此可知,EDS必須在整個測試運行期間承受與實際車輛壽命相當的損傷等級。這個所謂的"損傷等級"由兩部分來確認:1)生命周期內的溫度譜;2)生命周期內的里程數與載荷譜。因此,我們后續的分析都是基于這兩個基本量來進行。

    2. "ISO16750/ISO19453中關于PTCE的定義能否反映整車壽命?"

    ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中關于帶載溫度循環耐久(PTCE)的要求類似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是對一個溫度循環中持續時間的定義。
    劃重點:高溫下運行電負荷、典型工況、>30min,33次循環。
    那么問題來了:ISO16750/ISO19453 能否覆蓋整車的工況和壽命需求?答:從目前了解信息來看,兩標準雖較GB/T 18488有所強化,但是仍不足以表征整車生命周期內溫度循環條件下的耐久壽命。具體原因見后續分析。
    那么,"究竟要如何對帶載溫度循環耐久進行定義,可以等效整車全生命周期呢?",這就引出下面兩個話題。

    3. "怎么定義PTCE,以等效于整車全壽命要求?"

    在回答這個問題之前,首先對PTCE的目的、范圍和對象做下解讀。
    帶載溫度循環耐久(PTCE),顧名思義,反映的是整車生命周期內,在經歷一定次數的外部溫度變化后,子系統及其組件帶載運行中的耐久性能。因此,從關鍵詞中可以在設計試驗之前,要明確兩個問題:
    1). 從EDS角度,明確PTCE的考核對象和范圍
    2). 從整車角度,明確產品壽命周期和負荷類型
    考核對象和范圍
    從PTCE的定義可以看出,其模擬的是系統和組件在熱-機械應力作用下的老化情況,因此,PTCE的主要考核對象和失效模式如下:
    -功率器件和電子器件的焊層和焊點
    -電機繞組絕緣層
    -電機繞組焊點
    -密封圈的粘結層
    -軸承的潤滑和形變
    -油封疲勞老化
    -殼體疲勞開裂
    -齒輪的焊接

    生命周期和負荷要求
    從整車角度來看,產品的生命周期和負荷要求主要有以下幾方面:
      壽命里程,如15年30萬公里
      主要目標對象及用途:28~35歲上班族,假設每天往返,單程路程1小時 
      路譜信息:工況要求及對應的時間和循環數,據此計算獲得總的運行時間,一般為7000~10000h
      溫度譜信息:一般來自整車輸入,或者參考標準根據安裝位置進行定義。
    據此,我們可以計算獲得產品的"壽命"目標:
    → 設計壽命:15年
    → 運行壽命:2*365*15=10950h
    → 溫度循環次數:2*365*15=10950 cycle
    → 存儲壽命:24*365*15-10950=120,450h

    到此,我們對EDS在全壽命中的服役環境和周期有了初步定義,但是臺架不可能執行全壽命的測試。因此,為了提高試驗效率、降低時間和費用的成本,我們引入適用于溫度循環試驗的加速模型:Coffin-Manson模型.

    Coffin-Manson 加速模型

    1. 什么是PTCE?

    帶載溫度循環耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是動力總成在生命周期內溫度循環條件下的運行壽命,與之前寫過的高溫運行耐久(HTOE)和機械疲勞耐久并列(#文章末尾有相關文章的傳送門#),為三合一電驅動系統壽命試驗的“三座大山”。由此可知,EDS必須在整個測試運行期間承受與實際車輛壽命相當的損傷等級。這個所謂的"損傷等級"由兩部分來確認:1)生命周期內的溫度譜;2)生命周期內的里程數與載荷譜。因此,我們后續的分析都是基于這兩個基本量來進行。

    2. "ISO16750/ISO19453中關于PTCE的定義能否反映整車壽命?"

    ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中關于帶載溫度循環耐久(PTCE)的要求類似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是對一個溫度循環中持續時間的定義。本文僅參考ISO19453進行說明,詳細測試方法如下: 
    其中,關于溫度循環加載曲線定義如下: 
    其中,關于mode的定義如下: 測試通過指標如下:

    劃重點:高溫下運行電負荷、典型工況、>30min,33次循環。那么問題來了:ISO16750/ISO19453 能否覆蓋整車的工況和壽命需求?答:從目前了解信息來看,兩標準雖較GB/T 18488有所強化,但是仍不足以表征整車生命周期內溫度循環條件下的耐久壽命。具體原因見后續分析。那么,"究竟要如何對帶載溫度循環耐久進行定義,可以等效整車全生命周期呢?",這就引出下面兩個話題。

    3. "怎么定義PTCE,以等效于整車全壽命要求?"

    在回答這個問題之前,首先對PTCE的目的、范圍和對象做下解讀。帶載溫度循環耐久(PTCE),顧名思義,反映的是整車生命周期內,在經歷一定次數的外部溫度變化后,子系統及其組件帶載運行中的耐久性能。因此,從關鍵詞中可以在設計試驗之前,要明確兩個問題:1). 從EDS角度,明確PTCE的考核對象和范圍2). 從整車角度,明確產品壽命周期和負荷類型考核對象和范圍
    從PTCE的定義可以看出,其模擬的是系統和組件在熱-機械應力作用下的老化情況,因此,PTCE的主要考核對象和失效模式如下:-功率器件和電子器件的焊層和焊點-電機繞組絕緣層-電機繞組焊點-密封圈的粘結層-軸承的潤滑和形變-油封疲勞老化-殼體疲勞開裂-齒輪的焊接-……

    生命周期和負荷要求從整車角度來看,產品的生命周期和負荷要求主要有以下幾方面:  壽命里程,如15年30萬公里  主要目標對象及用途:28~35歲上班族,假設每天往返,單程路程1小時   路譜信息:工況要求及對應的時間和循環數,據此計算獲得總的運行時間,一般為7000~10000h  溫度譜信息:一般來自整車輸入,或者參考標準根據安裝位置進行定義,下圖為示意說明; 據此,我們可以計算獲得產品的"壽命"目標:
    → 設計壽命:15年
    → 運行壽命:2*365*15=10950h
    → 溫度循環次數:2*365*15=10950 cycle→ 存儲壽命:24*365*15-10950=120,450h
    到此,我們對EDS在全壽命中的服役環境和周期有了初步定義,但是臺架不可能執行全壽命的測試。因此,為了提高試驗效率、降低時間和費用的成本,我們引入適用于溫度循環試驗的加速模型:Coffin-Manson模型.
    Coffin-Manson 加速模型計算公式如下: 其中:  ΔT_Field,指的一個循環中平均的溫度差異,一般由整車來定義,本文案例是40℃;  ΔT_Test,指的是溫度譜中highest溫度和低溫的差值,本文案例是80℃-(-40℃)= 120℃;  C,是CoffinManson系數,由整車廠定義,指的是溫度變化的加速度常數,這個常數和失效模式相關;

    上述三個參數清楚后,可以獲得A_CM值為15.59。根據該數據,結合第3部分獲得的壽命相關的溫度循環次數:10950。
    環次數確認了,下面來確認單個循環所需要的時間。
    假設溫度變化速率為4℃/min,高低溫溫度保持時間>15min;考慮到零部件條件溫度的浸透時間,額外增加15min,因此,總的高低溫溫度保持時間均為30min,則可以根據下面公式獲得單個循環時間為120min。
    綜上,導語中的問題有了答案:
    1)ISO16750/ISO19453標準中對帶載溫度循環耐久的定義不能覆蓋整車全壽命;
    2)可以依據整車生命周期和負荷要求,通過Coffin-Manson模型對PTCE耐久加速,完成PTCE試驗的等效設計。

    4. 展望

    PTCE試驗設計的拓展
    上述案例上述案例相對簡單,實際PTCE的設計應用中,還需考慮以下幾個方面:
    a). 水溫溫度譜:如果考慮水溫溫度譜,試驗應該如何定義?
    b). 駕駛模式:本文僅考慮驅動模式(driving),如果有充電(charging)、駐車(parking)等模式,需要如何考慮?
    c). 溫度變化速率:一般由整車定義,如若沒有可以通過前置試驗,這個試驗要怎么做?
    d). HVDC端電壓:可按照一定比例的" highest電壓-額定電壓"進行分配。

    粵公網安備 44190002002175號

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