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新能源電驅(qū)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解讀與帶載溫度循環(huán)耐久(PTCE)

發(fā)布時(shí)間: 2020-05-04  點(diǎn)擊次數(shù): 2307次

高低溫濕熱試驗(yàn)箱技術(shù)規(guī)格:

型號(hào)

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(dòng)度

≤1℃(≤±0.5℃,按GB/T5170-1996表示)

升溫時(shí)間

+20℃~+150℃/約45min (空載)

降溫時(shí)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(kāi)發(fā))

設(shè)備運(yùn)行方式

定值運(yùn)行、程序運(yùn)行

制冷壓縮機(jī)

進(jìn)口全封閉壓縮機(jī)

加濕用水

蒸餾水或去離子水

安全保護(hù)措施

漏電、短路、超溫、缺水、電機(jī)過(guò)熱、壓縮機(jī)超壓、超載、過(guò)流

電源

AC380V  50Hz 三相四線+接地線

滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)

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(huán)耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是動(dòng)力總成在生命周期內(nèi)溫度循環(huán)條件下的運(yùn)行壽命,與之前寫(xiě)過(guò)的高溫運(yùn)行耐久(HTOE)和機(jī)械疲勞耐久并列(#文章末尾有相關(guān)文章的傳送門(mén)#),為三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壽命試驗(yàn)的“三座大山”。
由此可知,EDS必須在整個(gè)測(cè)試運(yùn)行期間承受與實(shí)際車(chē)輛壽命相當(dāng)?shù)膿p傷等級(jí)。這個(gè)所謂的"損傷等級(jí)"由兩部分來(lái)確認(rèn):1)生命周期內(nèi)的溫度譜;2)生命周期內(nèi)的里程數(shù)與載荷譜。因此,我們后續(xù)的分析都是基于這兩個(gè)基本量來(lái)進(jìn)行。

2. "ISO16750/ISO19453中關(guān)于PTCE的定義能否反映整車(chē)壽命?"

ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中關(guān)于帶載溫度循環(huán)耐久(PTCE)的要求類(lèi)似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是對(duì)一個(gè)溫度循環(huán)中持續(xù)時(shí)間的定義。
劃重點(diǎn):高溫下運(yùn)行電負(fù)荷、典型工況、>30min,33次循環(huán)。
那么問(wèn)題來(lái)了:ISO16750/ISO19453 能否覆蓋整車(chē)的工況和壽命需求?答:從目前了解信息來(lái)看,兩標(biāo)準(zhǔn)雖較GB/T 18488有所強(qiáng)化,但是仍不足以表征整車(chē)生命周期內(nèi)溫度循環(huán)條件下的耐久壽命。具體原因見(jiàn)后續(xù)分析。
那么,"究竟要如何對(duì)帶載溫度循環(huán)耐久進(jìn)行定義,可以等效整車(chē)全生命周期呢?",這就引出下面兩個(gè)話(huà)題。

3. "怎么定義PTCE,以等效于整車(chē)全壽命要求?"

在回答這個(gè)問(wèn)題之前,首先對(duì)PTCE的目的、范圍和對(duì)象做下解讀。
帶載溫度循環(huán)耐久(PTCE),顧名思義,反映的是整車(chē)生命周期內(nèi),在經(jīng)歷一定次數(shù)的外部溫度變化后,子系統(tǒng)及其組件帶載運(yùn)行中的耐久性能。因此,從關(guān)鍵詞中可以在設(shè)計(jì)試驗(yàn)之前,要明確兩個(gè)問(wèn)題:
1). 從EDS角度,明確PTCE的考核對(duì)象和范圍
2). 從整車(chē)角度,明確產(chǎn)品壽命周期和負(fù)荷類(lèi)型
考核對(duì)象和范圍
從PTCE的定義可以看出,其模擬的是系統(tǒng)和組件在熱-機(jī)械應(yīng)力作用下的老化情況,因此,PTCE的主要考核對(duì)象和失效模式如下:
-功率器件和電子器件的焊層和焊點(diǎn)
-電機(jī)繞組絕緣層
-電機(jī)繞組焊點(diǎn)
-密封圈的粘結(jié)層
-軸承的潤(rùn)滑和形變
-油封疲勞老化
-殼體疲勞開(kāi)裂
-齒輪的焊接

生命周期和負(fù)荷要求
從整車(chē)角度來(lái)看,產(chǎn)品的生命周期和負(fù)荷要求主要有以下幾方面:
  壽命里程,如15年30萬(wàn)公里
  主要目標(biāo)對(duì)象及用途:28~35歲上班族,假設(shè)每天往返,單程路程1小時(shí) 
  路譜信息:工況要求及對(duì)應(yīng)的時(shí)間和循環(huán)數(shù),據(jù)此計(jì)算獲得總的運(yùn)行時(shí)間,一般為7000~10000h
  溫度譜信息:一般來(lái)自整車(chē)輸入,或者參考標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安裝位置進(jìn)行定義。
據(jù)此,我們可以計(jì)算獲得產(chǎn)品的"壽命"目標(biāo):
→ 設(shè)計(jì)壽命:15年
→ 運(yùn)行壽命:2*365*15=10950h
→ 溫度循環(huán)次數(shù):2*365*15=10950 cycle
→ 存儲(chǔ)壽命:24*365*15-10950=120,450h

到此,我們對(duì)EDS在全壽命中的服役環(huán)境和周期有了初步定義,但是臺(tái)架不可能執(zhí)行全壽命的測(cè)試。因此,為了提高試驗(yàn)效率、降低時(shí)間和費(fèi)用的成本,我們引入適用于溫度循環(huán)試驗(yàn)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(huán)耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE),反映的是動(dòng)力總成在生命周期內(nèi)溫度循環(huán)條件下的運(yùn)行壽命,與之前寫(xiě)過(guò)的高溫運(yùn)行耐久(HTOE)和機(jī)械疲勞耐久并列(#文章末尾有相關(guān)文章的傳送門(mén)#),為三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壽命試驗(yàn)的“三座大山”。由此可知,EDS必須在整個(gè)測(cè)試運(yùn)行期間承受與實(shí)際車(chē)輛壽命相當(dāng)?shù)膿p傷等級(jí)。這個(gè)所謂的"損傷等級(jí)"由兩部分來(lái)確認(rèn):1)生命周期內(nèi)的溫度譜;2)生命周期內(nèi)的里程數(shù)與載荷譜。因此,我們后續(xù)的分析都是基于這兩個(gè)基本量來(lái)進(jìn)行。

2. "ISO16750/ISO19453中關(guān)于PTCE的定義能否反映整車(chē)壽命?"

ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中關(guān)于帶載溫度循環(huán)耐久(PTCE)的要求類(lèi)似,均源于IEC 60068-2-14,所不同的是對(duì)一個(gè)溫度循環(huán)中持續(xù)時(shí)間的定義。本文僅參考ISO19453進(jìn)行說(shuō)明,詳細(xì)測(cè)試方法如下: 
其中,關(guān)于溫度循環(huán)加載曲線定義如下: 
其中,關(guān)于mode的定義如下: 測(cè)試通過(guò)指標(biāo)如下:

劃重點(diǎn):高溫下運(yùn)行電負(fù)荷、典型工況、>30min,33次循環(huán)。那么問(wèn)題來(lái)了:ISO16750/ISO19453 能否覆蓋整車(chē)的工況和壽命需求?答:從目前了解信息來(lái)看,兩標(biāo)準(zhǔn)雖較GB/T 18488有所強(qiáng)化,但是仍不足以表征整車(chē)生命周期內(nèi)溫度循環(huán)條件下的耐久壽命。具體原因見(jiàn)后續(xù)分析。那么,"究竟要如何對(duì)帶載溫度循環(huán)耐久進(jìn)行定義,可以等效整車(chē)全生命周期呢?",這就引出下面兩個(gè)話(huà)題。

3. "怎么定義PTCE,以等效于整車(chē)全壽命要求?"

在回答這個(gè)問(wèn)題之前,首先對(duì)PTCE的目的、范圍和對(duì)象做下解讀。帶載溫度循環(huán)耐久(PTCE),顧名思義,反映的是整車(chē)生命周期內(nèi),在經(jīng)歷一定次數(shù)的外部溫度變化后,子系統(tǒng)及其組件帶載運(yùn)行中的耐久性能。因此,從關(guān)鍵詞中可以在設(shè)計(jì)試驗(yàn)之前,要明確兩個(gè)問(wèn)題:1). 從EDS角度,明確PTCE的考核對(duì)象和范圍2). 從整車(chē)角度,明確產(chǎn)品壽命周期和負(fù)荷類(lèi)型考核對(duì)象和范圍
從PTCE的定義可以看出,其模擬的是系統(tǒng)和組件在熱-機(jī)械應(yīng)力作用下的老化情況,因此,PTCE的主要考核對(duì)象和失效模式如下:-功率器件和電子器件的焊層和焊點(diǎn)-電機(jī)繞組絕緣層-電機(jī)繞組焊點(diǎn)-密封圈的粘結(jié)層-軸承的潤(rùn)滑和形變-油封疲勞老化-殼體疲勞開(kāi)裂-齒輪的焊接-……

生命周期和負(fù)荷要求從整車(chē)角度來(lái)看,產(chǎn)品的生命周期和負(fù)荷要求主要有以下幾方面:  壽命里程,如15年30萬(wàn)公里  主要目標(biāo)對(duì)象及用途:28~35歲上班族,假設(shè)每天往返,單程路程1小時(shí)   路譜信息:工況要求及對(duì)應(yīng)的時(shí)間和循環(huán)數(shù),據(jù)此計(jì)算獲得總的運(yùn)行時(shí)間,一般為7000~10000h  溫度譜信息:一般來(lái)自整車(chē)輸入,或者參考標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安裝位置進(jìn)行定義,下圖為示意說(shuō)明; 據(jù)此,我們可以計(jì)算獲得產(chǎn)品的"壽命"目標(biāo):
→ 設(shè)計(jì)壽命:15年
→ 運(yùn)行壽命:2*365*15=10950h
→ 溫度循環(huán)次數(shù):2*365*15=10950 cycle→ 存儲(chǔ)壽命:24*365*15-10950=120,450h
到此,我們對(duì)EDS在全壽命中的服役環(huán)境和周期有了初步定義,但是臺(tái)架不可能執(zhí)行全壽命的測(cè)試。因此,為了提高試驗(yàn)效率、降低時(shí)間和費(fèi)用的成本,我們引入適用于溫度循環(huán)試驗(yàn)的加速模型:Coffin-Manson模型.
Coffin-Manson 加速模型計(jì)算公式如下: 其中:  ΔT_Field,指的一個(gè)循環(huán)中平均的溫度差異,一般由整車(chē)來(lái)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(shù),由整車(chē)廠定義,指的是溫度變化的加速度常數(shù),這個(gè)常數(shù)和失效模式相關(guān);

上述三個(gè)參數(shù)清楚后,可以獲得A_CM值為15.59。根據(jù)該數(shù)據(jù),結(jié)合第3部分獲得的壽命相關(guān)的溫度循環(huán)次數(shù):10950。
環(huán)次數(shù)確認(rèn)了,下面來(lái)確認(rèn)單個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間。
假設(shè)溫度變化速率為4℃/min,高低溫溫度保持時(shí)間>15min;考慮到零部件條件溫度的浸透時(shí)間,額外增加15min,因此,總的高低溫溫度保持時(shí)間均為30min,則可以根據(jù)下面公式獲得單個(gè)循環(huán)時(shí)間為120min。
綜上,導(dǎo)語(yǔ)中的問(wèn)題有了答案:
1)ISO16750/ISO19453標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)帶載溫度循環(huán)耐久的定義不能覆蓋整車(chē)全壽命;
2)可以依據(jù)整車(chē)生命周期和負(fù)荷要求,通過(guò)Coffin-Manson模型對(duì)PTCE耐久加速,完成PTCE試驗(yàn)的等效設(shè)計(jì)。

4. 展望

PTCE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的拓展
上述案例上述案例相對(duì)簡(jiǎn)單,實(shí)際PTCE的設(shè)計(jì)應(yīng)用中,還需考慮以下幾個(gè)方面:
a). 水溫溫度譜:如果考慮水溫溫度譜,試驗(yàn)應(yīng)該如何定義?
b). 駕駛模式:本文僅考慮驅(qū)動(dòng)模式(driving),如果有充電(charging)、駐車(chē)(parking)等模式,需要如何考慮?
c). 溫度變化速率:一般由整車(chē)定義,如若沒(méi)有可以通過(guò)前置試驗(yàn),這個(gè)試驗(yàn)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(jìn)行分配。

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