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電車試驗(yàn)：電機(jī)系統(tǒng)與電驅(qū)動總成安全——熱安全

2022-02-10 20:54:09·  來源：汽車測試網(wǎng)  
　
熱失效是電驅(qū)動總成常見的失效形式，由于故障或長時(shí)間超負(fù)載運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)繞組燒毀或電機(jī)控制器功率模塊損壞，會直接造成電動汽車失去動力，極大影響行車安全。
熱失效是電驅(qū)動總成常見的失效形式，由于故障或長時(shí)間超負(fù)載運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)繞組燒毀或電機(jī)控制器功率模塊損壞，會直接造成電動汽車失去動力，極大影響行車安全。因此在電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮熱安全因素，采取相應(yīng)的對策保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。電驅(qū)系統(tǒng)性能輸出能力往往受限于溫升和工作溫度限值。合理的溫度設(shè)計(jì)能夠最大化發(fā)揮電驅(qū)系統(tǒng)性能。溫度場仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)三位一體，共同保證電動汽車運(yùn)行安全。
電機(jī)定子絕緣系統(tǒng)壽命與其工作溫度強(qiáng)相關(guān)。經(jīng)驗(yàn)表明，絕緣材料在超過其工作溫度下使用，每增加10℃，壽命減少約一半。長時(shí)間高溫下工作容易造成絕緣紙、絕緣漆等提前老化、失效，造成繞組短路燒毀等嚴(yán)重后果。電機(jī)熱性能設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)就在于控制電機(jī)工作溫度，保證壽命。電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱條件一般較差，轉(zhuǎn)子鐵損和磁鋼渦流損耗產(chǎn)生的熱量容易累積，造成轉(zhuǎn)子溫度升高。隨著電機(jī)向高速化發(fā)展，轉(zhuǎn)子將面臨更大的散熱壓力。在設(shè)計(jì)方面，可通過溫度場仿真可以對永磁體溫度做初步評估，但是面對復(fù)雜多變的實(shí)際使用工況不能完全覆蓋。在溫度監(jiān)控方面，轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)部件，一般難以直接布置溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼的工作溫度，可通過建立轉(zhuǎn)子溫度模型實(shí)時(shí)估算轉(zhuǎn)子磁鋼溫度，并建立相應(yīng)的溫度保護(hù)控制算法，保證磁鋼始終工作在其許用工作溫度范圍內(nèi)。
一、熱預(yù)警、降額、保護(hù)
1、溫度傳感器的冗余設(shè)計(jì)建議
建議電機(jī)和電機(jī)控制器均采用兩路溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測，并在儀表中實(shí)時(shí)顯示溫度較高的一路溫度傳感器的溫度。
2、溫度傳感器測點(diǎn)與軟件設(shè)計(jì)關(guān)系
在電機(jī)系統(tǒng)研制過程中，建議進(jìn)行多溫度傳感器樣機(jī)摸底測試。根據(jù)多溫度傳感器樣機(jī)測試結(jié)果，確定批量供貨產(chǎn)品的溫度最高點(diǎn)以及與其它可能埋置溫度傳感器的溫度差值，推薦溫度傳感器一個(gè)布置在三相中性點(diǎn)以監(jiān)測三相溫度，另一個(gè)盡可能布置在溫度最高點(diǎn)。保護(hù)軟件編寫時(shí)，需要根據(jù)前述測試及溫度傳感器埋放位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上報(bào)列表。一旦一個(gè)溫度傳感器失效，軟件在采樣切換到另一個(gè)有效溫度傳感器同時(shí)，也應(yīng)根據(jù)切入傳感器采樣調(diào)整軟件報(bào)警溫度設(shè)置。另外軟件也要根據(jù)前述試驗(yàn)認(rèn)證留出足夠的安全裕量。
3、過熱三級故障保護(hù)機(jī)制要求
系統(tǒng)需要使用三級故障處理機(jī)制；處理策略應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。推薦的保護(hù)策略見本章5.6 節(jié)。
二、轉(zhuǎn)子退磁：高溫下的退磁安全、轉(zhuǎn)子溫度估算
永磁體會產(chǎn)生由溫度效應(yīng)、過電流或不當(dāng)電流控制角引起的退磁問題。電機(jī)設(shè)計(jì)階段要充分校核峰值工況和三相短路工況下的退磁臨界點(diǎn)，避免電機(jī)運(yùn)行工況在臨界點(diǎn)以上。
同時(shí)估算電機(jī)持續(xù)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子溫度，保證在大電流負(fù)載和控制角下，永磁體的溫度不超過所選牌號磁鋼的退磁溫度限值。在電機(jī)系統(tǒng)研制階段，建議進(jìn)行必要的退磁測試認(rèn)證。
建議建立比較準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子溫度估算模型，并將估算模型納入控制軟件保護(hù)程序中。下面是一種溫度估算方案：通過大量測試建立定子繞組溫度與轉(zhuǎn)子磁鋼溫度之間關(guān)系曲線，在軟件中通過監(jiān)控定子溫度，間接監(jiān)控轉(zhuǎn)子磁鋼溫度。
三、軸承耐溫、密封材料耐溫、絕緣材料耐溫要求
軸承耐溫應(yīng)限制在極限工況溫度范圍內(nèi)，溫度范圍由整車廠與電機(jī)供應(yīng)商技術(shù)文件規(guī)定。推薦軸承工作溫度范圍-40℃～150℃。
電驅(qū)動總成的密封材料，如密封圈、密封膠墊和油封等，其耐溫應(yīng)大于150℃。
電機(jī)的絕緣材料耐溫等級應(yīng)使用H（允許工作溫度180℃）級及以上耐溫材料（參考GB/T 20113-2006）。絕緣系統(tǒng)溫度等級取決于電機(jī)各種絕緣材料（絕緣紙、電磁線、絕緣漆和端部綁扎線等）的最低耐溫等級。供應(yīng)商應(yīng)在產(chǎn)品銘牌上明確標(biāo)記絕緣系統(tǒng)等級。
四、阻燃材料使用
用于高壓連接的線束、注塑件的阻燃性能應(yīng)符合GB/T 2408-2008 規(guī)定的水平燃燒HB級，垂直燃燒V-0 級。B 級電壓電纜防護(hù)用波紋管及熱收縮雙壁管的溫度等級應(yīng)不低于125℃，熱收縮雙壁管的性能應(yīng)符合QC/T 29106-2014 中附錄B 的要求，波紋管的性能應(yīng)符合QC/T 29106-2014 中附錄D 的要求。
五、人體防護(hù)與警告
1、停機(jī)高溫警示
任何可能被操作、維保人員觸及的高溫部件，例如殼體等，應(yīng)有高溫警示標(biāo)志。具體停機(jī)高溫警示要求由整車廠確定。舉例如下：對于采用H 級絕緣的電機(jī)，當(dāng)繞組溫度超過160oC 時(shí)，整車面板上應(yīng)提示電機(jī)溫度過高。電機(jī)繞組溫度達(dá)到170 oC 后應(yīng)停機(jī)保護(hù)，停機(jī)后水冷電機(jī)金屬殼體溫度可能高達(dá)120oC，30min 內(nèi)請勿直接用手觸摸，以免燙傷！
建議電驅(qū)動總成上粘貼當(dāng)心高溫表面警示標(biāo)志，當(dāng)心高溫表面警示標(biāo)志應(yīng)滿足GB2894 中4.2.3 章節(jié)的內(nèi)容。
圖5-4 高溫表面警示標(biāo)志
2、故障報(bào)警要求
當(dāng)電驅(qū)動總成發(fā)生故障時(shí)，必須在儀表板進(jìn)行提示，并進(jìn)行聲、光、電綜合報(bào)警。
六、電驅(qū)動冷卻系統(tǒng)（水泵、管路、連接件等）定期檢查要求
建議電驅(qū)動總成的冷卻系統(tǒng)每半年或整車行駛4 萬公里，需要進(jìn)行一次定期檢查或者按照整車廠提供的維護(hù)保養(yǎng)手冊執(zhí)行。檢查冷卻管道外部、進(jìn)出水口附近、電機(jī)、電機(jī)控制器上是否有冷卻液滲出；如有異常，判斷泄露部件，進(jìn)行相應(yīng)更換或維修。
七、變/減速器油溫要求
變/減速器油池溫度最高不應(yīng)超過130 度。 
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