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新能源電驅系統(tǒng)的一種溫濕度循環(huán)試驗

來源:東莞市賽思檢測設備有限公司   2020年05月05日 16:47  

1. 什么是PTCE?
帶載溫度循環(huán)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(huán)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(tǒng)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(xù)的分析都是基于這兩個基本量來進行。
2.
溫濕度循環(huán)試驗"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(huán)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(huán)中持續(xù)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(huán)。
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(huán)條件下的耐久壽命。具體原因見后續(xù)分析。
那么,"究竟要如何對帶載溫度循環(huán)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)境和周期有了初步定義,但是臺架不可能執(zhí)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(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(xù)的分析都是基于這兩個基本量來進行。
2.
溫濕度循環(huán)試驗"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(huán)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(huán)中持續(xù)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(huán)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(huán)。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(huán)條件下的耐久壽命。具體原因見后續(xù)分析。那么,"究竟要如何對帶載溫度循環(huán)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.
溫濕度循環(huán)試驗"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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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
溫濕度循環(huán)試驗
→ 運行壽命:2*365*15=10950h
→ 溫度循環(huán)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(huán)境和周期有了初步定義,但是臺架不可能執(zhí)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(huán)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(huán)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(huán)次數:10950。
環(huán)次數確認了,下面來確認單個循環(huán)所需要的時間。

溫濕度循環(huán)試驗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(huán)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(huán)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。

溫濕度循環(huán)試驗

東莞市賽思檢測設備有限公司技術規(guī)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(fā))

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

安全保護措施

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

 

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