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）

高低溫濕熱試驗箱技術(shù)規(guī)格：

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(nèi)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(guān)文章的傳送門#），為三合一電驅(qū)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(dāng)?shù)膿p傷等級。這個所謂的"損傷等級"由兩部分來確認(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基本量來進行。

2. "ISO16750/ISO19453中關(guān)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)雖較GB/T 18488有所強化，但是仍不足以表征整車生命周期內(nèi)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(nèi)，在經(jīng)歷一定次數(shù)的外部溫度變化后，子系統(tǒng)及其組件帶載運行中的耐久性能。因此，從關(guān)鍵詞中可以在設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(jié)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(chǎn)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(biāo)對象及用途：28~35歲上班族，假設(shè)每天往返，單程路程1小時 
  路譜信息：工況要求及對應(yīng)的時間和循環(huán)數(shù)，據(jù)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(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安裝位置進行定義。
據(jù)此，我們可以計算獲得產(chǎn)品的"壽命"目標(biāo)：
→ 設(shè)計壽命：15年
→ 運行壽命：2*365*15=10950h
→ 溫度循環(huán)次數(shù)：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(nèi)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(guān)文章的傳送門#），為三合一電驅(qū)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(dāng)?shù)膿p傷等級。這個所謂的"損傷等級"由兩部分來確認(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基本量來進行。

2. "ISO16750/ISO19453中關(guān)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(guān)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(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： 測試通過指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)雖較GB/T 18488有所強化，但是仍不足以表征整車生命周期內(nèi)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(nèi)，在經(jīng)歷一定次數(shù)的外部溫度變化后，子系統(tǒng)及其組件帶載運行中的耐久性能。因此，從關(guān)鍵詞中可以在設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(jié)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(chǎn)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(biāo)對象及用途：28~35歲上班族，假設(shè)每天往返，單程路程1小時   路譜信息：工況要求及對應(yīng)的時間和循環(huán)數(shù)，據(jù)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(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安裝位置進行定義，下圖為示意說明； 據(jù)此，我們可以計算獲得產(chǎn)品的"壽命"目標(biāo)：
→ 設(shè)計壽命：15年
→ 運行壽命：2*365*15=10950h
→ 溫度循環(huán)次數(shù)：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(shù)，由整車廠定義，指的是溫度變化的加速度常數(shù)，這個常數(shù)和失效模式相關(guān)；

上述三個參數(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，下面來確認(rèn)單個循環(huán)所需要的時間。
假設(shè)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(jù)下面公式獲得單個循環(huán)時間為120min。
綜上，導(dǎo)語中的問題有了答案：
1）ISO16750/ISO19453標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(shè)計。

4. 展望

PTCE試驗設(shè)計的拓展
上述案例上述案例相對簡單，實際PTCE的設(shè)計應(yīng)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(yīng)該如何定義？
b). 駕駛模式：本文僅考慮驅(qū)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。