2020年01月21日 | 新能源电驱系统标准解读与拓展：带载温度循环耐久(PTCE)

导语：带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE)，反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命，与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列，为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。ISO16750/ISO19453中对此有所定义，但是"标准能否反映整车寿命?","整车寿命与PTCE又是如何等效的?"值得我们探讨。

为了回答导语中的问题，我们分四部分来解读这个话题：

1. 什么是PTCE？

2. ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?

3. 怎么定义PTCE，以等效于整车全寿命要求？

-PTCE考核对象和范围

-产品生命周期和负荷要求

-Coffin-Manson 加速模型

-PTCE加载曲线的定义

4. 展望

1. 什么是PTCE？

带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE)，反映的是动力总成 在生命周期内温度循环条件下的运行寿命 ，与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列（#文章末尾有相关文章的传送门#），为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。

由此可知，EDS必须在整个测试运行期间承受与实际车辆寿命相当的损伤等级。这个所谓的"损伤等级"由两部分来确认：1)生命周期内的温度谱；2)生命周期内的里程数与载荷谱。因此，我们后续的分析都是基于这两个基本量来进行。

2. "ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?"

ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中关于带载温度循环耐久(PTCE)的要求类似，均源于IEC 60068-2-14，所不同的是对一个温度循环中持续时间的定义。

本文仅参考ISO19453进行说明， 详细 测试方法如下:

其中，关于温度循环加载曲线定义如下：

其中，关于mode的定义如下 ：

测试通过指标如下 ：

划重点：高温下运行电负荷、典型工况、>30min，33次循环。

那么问题来了：ISO16750/ISO19453 能否覆盖整车的工况和寿命需求？答： 从目前了解信息来看，两标准虽较GB/T 18488有所强化，但是仍不足以表征整车生命周期内温度循环条件下的耐久寿命。具体原因见后续分析。

那么 ，"究竟要如何对带载温度循环耐久进行定义，可以等效整车全生命周期呢？"，这就引出下面两个话题。

3. "怎么定义PTCE，以等效于整车全寿命要求?"

在回答这个问题之前，首先对PTCE的目的、范围和对象做下解读。

带载温度循环耐久(PTCE)，顾名思义， 反映的是整车 生命周期 内，在经历 一定次数 的外部 温度变化 后， 子系统及其组件 带载运行中的耐久性能 。因此，从关键词中可以在设计试验之前，要明确两个问题：

1). 从EDS角度，明确PTCE的考核对象和范围

2). 从整车角度，明确产品寿命周期和负荷类型

考核对象和范围

从PTCE的定义可以看出，其模拟的是系统和组件在热-机械应力作用下的老化情况，因此，PTCE的主要考核对象和失效模式如下：

-功率器件和电子器件的焊层和焊点

-电机绕组绝缘层

-电机绕组焊点

-密封圈的粘结层

-轴承的润滑和形变

-油封疲劳老化

-壳体疲劳开裂

-齿轮的焊接

-……（#欢迎留言补充，集思广益#）

生命周期和负荷要求

从整车角度来看，产品的生命周期和负荷要求主要有以下几方面：

▪ 寿命里程，如15年30万公里

▪ 主要目标对象及用途：28~35岁上班族，假设每天往返，单程路程1小时

▪ 路谱信息：工况要求及对应的时间和循环数，据此计算获得总的运行时间，一般为7000~10000h

▪ 温度谱信息：一般来自整车输入，或者参考标准根据安装位置进行定义，下图为示意说明；

据此，我们可以计算获得产品的"寿命"目标：

→ 设计寿命：15年

→ 运行寿命：2*365*15=10950h

→ 温度循环次数：2*365*15=10950 cycle

→ 存储寿命：24*365*15-10950=120,450h

到此，我们对EDS在全寿命中的服役环境和周期有了初步定义，但是 台架不可能执行全寿命的测试 。因此，为了提高试验效率、降低时间和费用的成本，我们引入适用于温度循环试验的加速模型： Coffin-Manson模型.

Coffin-Manson 加速模型

计算公式如下：

其中：

▪ ΔT_Field，指的一个循环中平均的温度差异，一般由整车来定义，本文案例是40℃；

▪ ΔT_Test，指的是温度谱中最高温度和最低温度的差值，本文案例是80℃-(-40℃)= 120℃；

▪ C，是CoffinManson系数，由整车厂定义，指的是温度变化的加速度常数，这个常数和失效模式相关；

上述三个参数清楚后，可以获得A_CM值为15.59。根据该数据，结合第3部分获得的寿命相关的温度循环次数：10950，则可以根据下面公式获得加速后的循环数为702次。

循环次数确认了，下面来确认单个循环所需要的时间。

假设温度变化速率为4℃/min，高低温温度保持时间>15min；考虑到零部件条件温度的浸透时间，额外增加15min，因此，总的高低温温度保持时间均为30min，则可以根据下面公式获得单个循环时间为120min。

综上，总的PTCE运行时间为702*120min=1404h。

PTCE加载曲线

根据上述分析，可以得到详细测试循环曲线如下图所示（#请放大查看#）：

其中, II.a 代表被测样件不带载工作，II.c代表被测样件带载工作。

综上，导语中的问题有了答案：

1）ISO16750/ISO19453标准中对带载温度循环耐久的定义不能覆盖整车全寿命；

2）可以依据整车生命周期和负荷要求，通过Coffin-Manson模型对PTCE耐久加速，完成PTCE试验的等效设计。

4. 展望

PTCE试验设计的拓展

上述案例上述案例相对简单，实际PTCE的设计应用中，还需考虑以下几个方面：

a). 水温温度谱：如果考虑水温温度谱，试验应该如何定义？

b). 驾驶模式：本文仅考虑驱动模式(driving)，如果有充电(charging)、驻车(parking)等模式，需要如何考虑？

c). 温度变化速率：一般由整车定义，如若没有可以通过前置试验，这个试验要怎么做？

d). HVDC端电压：可按照一定比例的"最高电压-额定电压-最低电压"进行分配。

PTCE评判标准的定义

标准中对测试pass的评价标准定义就一句话，如下：

这显然是不够的，国外主机厂一般会在leg最后增加关键参数和泄露测试，以验证其机械部件、功能和性能的完整性。那么问题来了，这里面具体是指的哪些测试呢？为什么要做这些测试？留给我们思考。

写在最后：

关于PTCE和HTOE，在现有标准和文献中并没有系统性的表述可供参考，以上内容是根据多方面碎片信息，结合标准和工作经验做的总结，有理解不对或片面的地方，请指正，非常期待能听到大牛们的意见！