基于绕组温升的电动汽车电机老化模型试验研究

张妍懿，王晓兵，韩 涛，王仁广

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

电机作为电动汽车的动力驱动系统，其寿命直接影响整车耐久性。国家电机可靠性试验标准GB/T 29307—2012规定了17 d的电机加速老化试验方法[1]，但在实际使用中，该方法存在达不到预期的加速系数，从而无法准确测试电机耐久性的问题。绝缘失效是导致电动汽车驱动电机在使用过程中失效的主要原因。现有的常用绝缘老化模型中，一般认为电机寿命与绕组温度成反比。绕组温度提升越高，寿命越短，通过调整合适的温升度数，可以让绕组寿命达到所需的长度[2]。对于电动汽车的电机来说，绕组温度主要受环境温度、冷却温度、工作负载三大因素影响。改变这三项都可以使绕组温升达到一定温度，从而实现其老化。

针对一款水冷永磁电机，试验负载采用国家标准中的规定负载，只改变环境温度和冷却温度，采用不同的环境温度和冷却温度组合，测试绕组温升。利用测试得到的温度数据，通过拟合得到与环境温度和冷却温度相关的电机绕组温升模型，并通过具体推导得到电机老化寿命与环境和冷却温度关系的模型。据此，针对该款电机进行加速老化试验时，只需确定加速老化系数和预计达到这一老化程度的时间（也就是模型中的寿命），就可以算出需要的环境温度和冷却温度。在这种规定的温度下按照国标进行老化试验，即可在要求的时间内达到预计的加速老化要求。

1 基于温升的电机老化模型建立

电机系统中几乎所有零部件寿命的加速系数最后都归结为温度的特性方程，如果能提高系统各部件的温度，就能提高加速系数[3]。温度对绝缘老化起着重要作用，目前比较公认的绝缘老化模型为[4]：

式中：L为平均绝缘寿命，h；T为绝缘材料的温度，K；k为波尔兹曼常数 8.617（e V/K）；Ea、G为与绝缘材料有关的系数。

变换式（1）得到：

根据式（2），定义加速系数A为：

式中：T1为额定工况下的绕组温度（为电机基本性能测试项，视为已知值），K；T2为加速老化情况下的绕组温度，K；L0为额定工况老化试验时间，h；L1为加速老化试验时间，h。

将T2表达为T0和温升ΔT的函数，得到：

式中：T0为国标工况或某特定工况下，绕组最高温度稳定后的绕组最高温度较额定工况的差值再加293 K（作为预试验，能够获得该温度为已知量），K；ΔT为因环境温度和冷却温度改变所导致的温升，K；tamb为环境温度，℃；tcool为冷却温度，℃。

将式（4）带入式（3）得到：

由式（5）可知，要计算老化系数A变成了如何得到 ΔT=f(tamb,tcool)。下面主要建立温升与电机冷却温度和环境温度的数学模型。

2 电机的冷却温度和环境温度与温升关系的模型建立

为此进行了国标规定负载工况下，不同环境温度电机绕组温升和冷却温度对应情况的测试。根据试验结果，近似认为同一环境温度下温升随冷却温度变化符合线性关系，如图 1所示。

图1 不同环境温度下温升与冷却温度的变化情况

在环境温度25℃，40℃，55℃和70℃下，温升与冷却温度的线性拟合方程为：

其中，冷却温度tcool= 33.6时，四种不同环境温度下的温升如式（7）所示，可见在该冷却温度下，线圈的温升基本相同。

因此，可以假设这种环境温度下的拟合直线近似交于（33.6，57.3）点。变换坐标系使原点为（33.6，57.3）后，可以得到近似为过原点的四条直线，在新坐标系下拟合直线的斜率k与环境温度的关系，如图 2所示。

图2 拟合直线斜率k与环境温度的关系图

k值与环境温度的关系近似拟合为：

根据式（8），并将坐标系变换回以（0， 0）为原点，

得到用于不同环境温度的温升关系：

进一步变化式（9）则最终得到温升与环境温度和冷却温度的计算式：

按照式（10）进行计算，得到试验电机在这四种不同环境温度和冷却温度下的计算温升。将计算温升同实际测量值比较（表1），除一个温度点相对误差达到15%外，其余温度点相对偏差基本都在5%以下，可见模型准确性较好。

将式（10）代入到式（5），最终得到该电机基于环境温度和冷却温度的老化模型：

表1 按照模型计算的温差与实际温差对比

3 加速老化模型实际应用分析

采用一个水冷永磁电机为试验对象，确定其额定工况下电机驱动系统的寿命为tp= 3 000 h，可靠度ρ= 0.9，置信度为90%，则失效率λ为[2]：

试验中采用单个样本，因此允许失效率为0，则样品试验小时数和试验截止时间都为T= 65 563 h，即额定情况下的老化时间L0= 65 563 h。

假设期望在400 h完成加速老化试验，即L1=400，即加速老化系数为163倍：

那么环境温度设为25℃，电机绝缘等级F，对应的常数B为1.27×104。根据单台电机的测量数据，得到电机的额定工况下温升为T1=60 K，按照国标工况工作2 h稳定后的绕组温升为92 K，差值T0=32 K，带入式（11），计算得到需要的冷却温度：Tcool=87 ℃。

所以在环境温度25 ℃，冷却温度87 ℃下按照国标工况进行加速老化试验，即可达到加速老化系数163的预期效果，即在400 h完成的加速老化试验。

4 结论

通过试验研究改变环境温度和冷却温度后对电机绕组温度产生的影响，建立数学模型反映温升随环境和冷却温度变化的规律，最终推导出不同温度下永磁同步电机温升特性修正模型。依据此修正模型，建立基于温升的电机加速老化模型，用于形成基于温升的电机加速老化评估方法。本研究得出的加速老化方法还有一定局限性，在使用时对于具体电机需要首先花费一定的预试验时间来测量得到建模所需要的参数。

参考文献（References）：

[1]GB/T 29307—2012.电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法[S].北京：中国标准出版社，2013.GB/T 29307—2012.The Reliability Test Methods of Drive Motor System for Electric Vehicles[S].Beijing：China Standard Press，2013.(in Chinese)

[2]闵远亮. 电动汽车驱动电机寿命预测及可靠性测试方法的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.MIN Yuanliang.Research on Life and Reliability Testing Method of the Electric Vehicle Drive Motor[D]. Harbin：Harbin Insitute of Technology，2011.(in Chinese)

[3]《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》编制 说 明 [DB/OL].(2017-01-12).http：//www.caam.org.cn/biaozhuidongtai/20101129/1305049030.html.Introduction to Drafting the Reliability Test Methods of Drive Motor System for Electric Vehicles[DB/OL].(2017-01-12).http：//www.caam.org.cn/biaozhuidongt ai/20101129/1305049030.html.(in Chinese)

[4]BRANCATO E L. Estimation of Lifetime Expectancies of Motors[J]. Electrical Insulation Magazine，IEEE，1992，8(3)：5-13.