基于客户关联的纯电动轻卡驱动电机可靠性台架试验研究

钟根丁，朱小文，程小强，黄毅，熊德明，刘骏嵘

（江铃汽车股份有限公司整车性能及测试部，江西 南昌 330001）

前言

近年来，新能源汽车发展迅速，从乘用车扩展至商用车领域，纯电动轻卡占据了新能源商用车半壁江山。纯电动轻卡受限于续航里程的限制，其使用环境受到了一定的限制，但其整车的可靠耐久性要求与传统燃油车一样至关重要。疲劳耐久试验是验证整车和零部件寿命的唯一手段，目前有实车用户道路试验、试验场试验和实验室测试三种途径。汽车企业对新车型疲劳寿命评估的传统方案都是利用实车在道路试验场进行路试，该方法是最直接且最准确的，但测试时间十分冗长且人力和经费耗费巨大，发现问题后难以改进设计[1]。驱动电机作为纯电动汽车的心脏[2]，电机可靠性是影响客户满意度的重要因素。当前新能源政策及相关行业标准要求，商用新能源电动车的驱动电机需要满足5年20万公里的质保要求。电机耐久性更要长达50-60万公里，纯电动车整车试验受续航里程、充电时间影响较大，可靠性验证通过整车路试测试，试验周期较长，成本过高，难以实现。当前国内主流车型及零部件厂商，都是通过电机台架试验来验证其耐久性，但台架试验是否能满足实际客户的期望里程，台架试验标准并未定义清晰。本文通过采集实际客户的电机载荷谱，与台架试验载荷谱进行伪损伤对比，分析电机台架试验测试标准是否能覆盖实际客户的使用需求。

1 伪损伤理论

汽车传动系主要作用是传递转矩、转速，因此转矩和转速是其基本的载荷谱信号。在众多描述渐近和累积损伤的数学模型中，线性损伤原理因其简单而被工程技术人员广为接受，尽管还存在不可预测性和没有考虑载荷序列影响等缺点[3]。线性累积损伤原理假设损伤（寿命耗尽） 是累积相加的，电机转矩—转数相关线性疲劳累积损伤为：

式中：di为载荷第i级产生的疲劳损伤；ni为电机在转矩Ti下的转数；Ni为在相同转矩Ti时的疲劳寿命（失效转数）；Ti由转矩—寿命（T-N）曲线确定。总的损伤表示每个单独损伤（di）的累积过程，由ni和Ni的比值来定义。可通过传动系统基准抗疲劳与寿命关系得出：

式中：Ti为电机扭矩；Tf’为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数。计算在某一扭矩Ti下的转数ni，通过公式（1）（2）可以计算出其对应的疲劳寿命Ni和损伤di。

2 用户相关载荷谱

2.1 用户工况路面分析

当前电动轻卡主要用户都集中在城市物流。基于车载TBOX大数据平台实际采集的数据，对实际客户日常行驶道路、车速、里程等工况数据分析。通过对比分析，其他城市的工况与南昌地区的道路行驶工况分布基本一致，故在南昌地区制定了模拟客户行驶的路线图。路线由快速路、市区、郊区、连接道路组成，各路面分布如表1所示，循环工况里程约为48km。

表1 客户行驶道路工况

2.2 道路工况数据采集

本次采集的车型为某款轻卡BEV车型，可通过数采设备采集整车CAN信号中的车速、电机扭矩、功率、转速等信号，通过CANoe软件读取数采设备的数据，转化至.CSV格式，再转至Ncode软件分析处理，获取各信号的时域信号数据，如图1所示。

图1 用户工况数据

2.2 道路工况数据分析

电机损伤计算，基于其转矩及对应的转速进行联合计数[4]，转化成不同扭矩、转速下的电机转数分布矩阵，其计算结果见图2。

图2 电机扭矩分级计数统计

根据miner疲劳理论，结合公式（1）（2），利用电机转矩分级计数矩阵，可计算各级转矩对应的电机疲劳损伤，其计算结果见图3。

图3 电机扭矩-损伤

表2 电机扭矩分级疲劳损伤统计

本次主要是对比道路及台架试验的相对损伤比值，故疲劳强度系数和疲劳强度指数的取值，对相对损伤比值的计算无影响。根据经验其取值为：Tf’=10000，b=-1/6。本文以电机的质保里程定义其疲劳目标，将测试工况循环外推至20万公里，得到其总伪损伤值DRoad=0.9167，其对应的分级疲劳损伤统计如上表2。

3 电机可靠性台架试验

驱动电机是由机械部件和电子部件组成，其可靠性取决于模块自身的可靠性及模块间的匹配成熟度，本文着重对驱动电机的机械部件可靠性分析。机械结构可靠性通常采用加速寿命试验来替代常规试验，以减低试验周期及费用。电机可靠性台架测试方法按GB/T 29307-2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》[5]进行，单个循环工况如图4所示。

图4 驱动电机可靠性试验测试循环示意图

ns——试验过程中的被试电机转速设定值（r/min）；

nN——被试电机额定转速（r/min）；

TN——被试驱动电机系统的额定转矩（Nm）；

TPP——被试驱动电机系统在峰值功率额定转速下的工作转矩（Nm）。

表3 纯电动汽车电机可靠性试验测试循环参数表

表4 电机台架测试参数及伪损伤值

试验加载循环过程如表3所示，总测试时间为402h，结合电动汽车自身供电单元特性，电机及控制系统电压采用浮动电压，先在额定电压下运行320h，在最大电压和最低电压下各运行40h，最后在额定工作电压、额定功率下运行2h。

根据该纯电动轻卡车型的电池、电机特性，可确定该电机台架测试参数，按道路工况损伤的方法，计算出台架试验中不同阶段，对应不同扭矩段的疲劳损伤和402小时的累计总损伤值DRig=1.0272，其电机台架测试参数及相关疲劳损伤值见表4。

4 道路与台架测试损伤对比

按用户行驶20万公里的疲劳损伤目标，根据计算得到道路及台架试验的电机伪损伤值DRoad与DRig，电机相对损伤比值i=DRig/DRoad≈1.12。根据经验，损伤比在0.5～2之间，认为满足精度要求[6]，即电机台架试验疲劳强度满足目标寿命20万公里的质保要求。

5 结论

本文通过采集模拟客户实际道路的电机载荷谱，对比电机台架载荷谱，通过伪损伤理论进行计算台架与道路的相对损伤比值，电机台架试验标准可以满足客户5年20万公里的质保要求。驱动电机为纯电动轻卡的核心部件，其疲劳寿命远超质保要求，若验证其疲劳耐久性能，其使用目标里程需达到60万公里以上，则其台架试验按3倍以上系数进行。

本文主要介绍通过相对损伤对比的方法确定台架试验要求，因不同车型的目标用户及使用场景不一致，其使用道路、工况、驾驶习惯都存在较大差别，对电机疲劳损伤产生较大影响，故不同车型的台架试验标准也将存在较大差别。