新能源電驅(qū)系統(tǒng)的一種溫濕度循環(huán)試驗(yàn)

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. 溫濕度循環(huán)試驗(yàn)"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. 溫濕度循環(huán)試驗(yàn)"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)話題。
3. 溫濕度循環(huán)試驗(yàn)"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年溫濕度循環(huán)試驗(yàn)
→ 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。
溫濕度循環(huán)試驗(yàn)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。

溫濕度循環(huán)試驗(yàn)

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