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摘要： 本文介绍三合一电驱系统结构，以电驱系统可靠性试验为对象，基于加速寿命原理，选定了适用于三合一系统电子电气可靠性考核技术指标；结合电驱系统应用状况，以电机可靠性考核标准定义的循环工况为蓝本，衍生适应于本项目的可靠性循环工况，使三合一电驱系统的验证更为合理。
关键词： 电驱系统 加速寿命 可靠性
前言
随着汽车电气化的不断发展，零部件的集成化设计趋势亦不断推进，电驱三合一驱动总成方案也成为各厂家竞争的热土；相对早期电驱方案，三合一电驱系统具备以下优势：结构紧凑、体积变小，利于布置；重量轻，低行驶能耗；三相直连，可靠又经济；重心下降，利于整车操控；高速传动，带来较高扭矩容量和总成效率提升；可扩展的模块化设计，大大缩短产品开发周期，降低开发成本效益。
三合一电驱系统概述
本文以图1所示的三合一电驱系统为研究对象，主要由控制器、减速器和电机三部分组成，此结构摆脱了电机、减速器和控制器单独设计再组装的思路，直接将三者进行一体化设计。此结构具有高扭矩容量，可携带更高转速电机的优点，但对于齿轮和轴承的耐久性、壳体强度、油封密封性都提出了更高的要求，尤其是电机控制器，运行时需要和电机作为一个主体运行，与传统结构相比，其运行环境发生了变化，可靠性要求更为苛刻，因此对三合一电驱系统结构可靠性验证具有重要意义。三合一电驱系统是由机械部件和电子部件组成的复杂综合体，其可靠性取决于模块自身的可靠性及模块间组合方式和相互匹配，由于时间和篇幅限制，本文着重研究三合一电驱动系统机械机构的可靠性验证。
三合一电驱系统可靠性研究的依据
汽车产品可靠性是指在一定时间内、一定条件下，无故障地执行指定功能的能力或可能性。对于机械结构，其失效约90%来源于疲劳。可靠性可定义为：如果结构发生了不可修复性故障，其可靠性可等同于耐久性；若故障可修复，其可靠性就是产品大修期，报废期或者退役期对应的耐久性。
本文研究的三合一电驱系统是电动汽车的心脏，其无故障运行时间是影响客户满意度的重要因素。机械结构可靠性常采用加速寿命试验来替代常规试验，以达到短周期、低耗费，合理预估系统寿命的目的。
电机、控制器和减速器在作为单体部件设计时，国内厂家考核沿用相关标准分别是有关标准18488.1-2015.电动汽车用电机及其控制器，《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》[1]，《电动乘用车用减速器总成技术条件》[2]。
三合一电驱系统对可靠性试验技术要求的选择与应用
电子/电气元件机械负荷可靠性试验方法选择
在三合一电驱总成系统中对电子/电气元件机械负荷可靠性考核将使用ISO19453-3-2018_ Mechanical loads[3]标准，原因主要有以下几点：
（1） 是专门针对新能源车辆的机械负荷；
（2） 对电子/电气件布置位置更详细的分类；
（3） 标准中负荷要求对应里程数也做了清晰说明，如果里程发生变化，可依据标准给定方法制定适配的技术要求法；
（4） 时相对ISO16750（18488的沿用源资料），ISO19453-3对粗糙路况的定义发生较大变化，更贴近基础设施改善；
（5） 保持了应力循环为107数量级；
（6） 正弦振动考核时间要覆盖一个温度循环周期以上；
三合一电驱系统的电子/电气部件机械负荷可靠性技术要求：
（1） 随机振动（10Hz to 100Hz）：最大均方根加速度：21.4m/s2，每个方向10小时；
（2） 正弦随机振动-正弦（100Hz-440Hz）：最大加速度：50m/s2,考核频率范围：10 Hz to 100Hz，每个方向33小时；
（3） 正弦随机振动-随机（500Hz to 2000Hz）：最大均方根加速度：68.7m/s2,每个方向33小时；
（4） 全部振动试验需要在高/低温度循环工况下完成；
电机、减速器机械可靠性试验方法的应用
3.2.1 电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法介绍与分析
该标准借鉴汽车发动机可靠性测试规范[4]，采用定转速、变化转矩的工作模式且选用三个不同电压平台，对新能源驱动电机的可靠性进行考核，同时试验对于不同车型的电机测试时间有所不同[5]。图2所示的是单个循环的试验工况，其中nN—被试电机额定转速(r/min)，ns为试验过程中被试电机转速设定值，当电压为额定电压或者最高电压时，；而电压为最低电压时，ns=最低电压/最高电压*nN；图中Tpp为被试驱动电机系统在峰值功率额定，当电压为最高电压时,Tpp=峰值功率/ns；当电压为最低电压时，Tpp=峰值功率/nN。
ns—试验过程中被试电机转速设定值(r/min);TN—被试驱动电机系统的额定扭矩(Nm)；Tpp—被试驱动电机系统在峰值功率额定扭矩(Nm)；t为时间；
试验加载循环过程表1所示，测试总时间为402 h，结合电动汽车本身供电单元特性，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。
表1电动汽车驱动电机系统可靠性测试循环参数图表
该测试方法是国内电机厂商的主流试验方法，但应用于电驱系统时却具有一定的局限性：
（1）未明确代表里程数：402h是否能覆盖目标对象的里程数；
（2）未考核倒车工况；
（3）未明确运行温度，电机运行温度与极限温度差值；
（4）缺乏性能衰减评价标准定义；
（5）仅有一个固定转速工况且（约为30%峰值转速）：借鉴了汽车发动机可靠性测试规范，但忽略了发动机作为动力源的驱动系统包含多个档位，可以持续维持在最大功率多个输出转速进行考核；
三合一电驱系统可靠性试验方法应用
基于前一小节中对可靠性试验方法的分析，本部分主要针对上述局限性展开，制定三合一电驱总成试验规范：
3.2.2.1 电机可靠性循环周期确认
依据整车202公里小循环路谱，借助cruise仿真软件，输出三合一电驱系统的时间-车速-扭矩（含正能量回收），其计算流程如图3所示，制定整车工况，制定控制策略，进行实车采集及仿真，将转速扭矩等效折算与平衡从而得到加强的载荷谱，可使用公式[6] [7]计算单个循环的损伤，依据6.6万里程数锁定电驱系统输出端累积损伤，并以目标整车参数为蓝本，车重按照50%最大载荷，40%中等载荷，10%空载，平均车速45Km/h连续行驶32万公里，做计算累积损伤对标。
3.2.2.2温度在可靠性工况制定
温度是影响产品可靠性的重要因素，可以使电气元件和橡胶件加速老化、衰减、退磁、泄露等，也可以使齿轮、轴承等零件加速胶合、点蚀、漏脂，因此在试验过程中需要依据电机的散热能力，确保试验循环中零件的最高温度点低于磁钢许可温度上限，增加循环水温度考核，使覆盖整个可靠性循环工况。
3.2.2.3性能衰减评价标准定义：5%-10%
3.2.2.4转速
三合一电驱系统配备了高转速电机，齿面相对滑动需要减小；较高转速下，动态响应增大，增加了齿轮箱的载荷，需要在可靠性试验中验证；轴承和油封的同样尺寸，线速度增大，发热量增大，失效风险增大，需要在持续高速工况下考核，高转速下，齿轮发生胶合的风险增大，需要在可靠性试验中验证；
3.2.3 衍生可靠性循环工况
基于3.2.2.1部分折算输出端累积损伤度、转速占比后，借用多档变速器输出端损伤经验，在一个小循环内50公里以下损伤占比40-50%，100公里以上部分损伤占比20%-25%，基于原可靠性循环工况衍生图4所示的适应于三合一电驱系统的可靠性循环工况。
结论:
（1）针对电子/电气元件机械负荷，比较标准时效性和标准使用对象，选定了适用于三合一系统的考核指标；
（2）针对电机、减速器机械可靠性试验，分析了现行标准的局限性，就此展开：定义了试验温度要求和性能衰减评判指标，并结合项目应用状况，衍生出适应于本项目的可靠性循环工况，使三合一电驱系统的验证更为合理和完善。
参考文献:
[1] GB/T29307-2012,电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法[S].
[2] QC-T1022-2015,纯电动乘用车用减速器总成技术条件[S].
[3]ISO19453-3, Road vehicles — Environmental conditions andtesting for electrical and Electronic equipment —Mechanical loads[S].
[4] GB/T 19055-2003,汽车发动机可靠性试验方法[S].
[5] 胡伟,温旭辉,刘钧.电动汽车电机驱动系统可靠性模型及预计[J].电气传动,2007,12(2): 1001-2095.
[6] GB/T3480-1997,渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法[S].
[7] 濮良贵.机械设计（第八版）[M].中国石化出版社, 2012:280.
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