當(dāng)下全球范圍內(nèi)能源的緊張、環(huán)境的惡化等使得各國對于低碳經(jīng)濟的發(fā)展需求顯得日益迫切，新能源汽車兼顧節(jié)能與環(huán)保成為主要賽道之一。目前新能源汽車的主要痛點集中于用戶的續(xù)航焦慮，充電的快慢等方面。同等條件下， 800V高電壓平臺相對400V平臺具有充電快、減重、節(jié)省空間、降低功率損耗等優(yōu)點。典型的像保時捷Taycon Turbo S，其最大充電功率可達350kW，可以在22.5分鐘內(nèi)把容量93.4kWh的動力電池從5%充到80%。因此，新能源汽車高壓化是技術(shù)趨勢之一。

新能源汽車驅(qū)動電機的供電方式如圖1，電池的直流電壓輸入到逆變器，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓后輸入到驅(qū)動電機。SiC功率器件在耐壓、開關(guān)頻率、損耗等多維度的性能優(yōu)于硅基IGBT功率器件。因此，新能源汽車800V以上高電壓平臺的電機控制器將普遍采用SiC代替硅基IGBT。SiC功率器件更高的開關(guān)頻率和電壓對新能源汽車驅(qū)動電機的絕緣提出了更高的要求。原有的驅(qū)動電機絕緣存在不滿足要求的可能性，長時間的高頻、高壓將會使絕緣加速劣化并過早失效從而影響安全。為了保證驅(qū)動電機在高頻、高電壓下的可靠性，對其進行高頻高壓下的耐久性評價就顯得尤為必要。

圖1? 新能源汽車的部件和供電示意圖

測試對象

新能源汽車驅(qū)動電機屬于變頻電機，對于電壓型變頻器供電的電機絕緣結(jié)構(gòu)主要分為Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)和Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)（圖2），其中在Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)在其運行壽命期間和規(guī)定的條件下不承受局部放電；Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)在整個運行壽命期間絕緣結(jié)構(gòu)的任一部分承受局部放電。高電壓平臺下新能源汽車驅(qū)動電機繞組可能會存在局部放電的現(xiàn)象（II型絕緣結(jié)構(gòu)），電壓耐久性主要針對II型絕緣結(jié)構(gòu)及其所采用的絕緣材料。

圖2? I型和II型絕緣結(jié)構(gòu)

高電壓平臺下新能源汽車驅(qū)動電機相關(guān)絕緣的高頻、高電壓耐久性測試的對象主要分為絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)兩部分（圖3），其中絕緣材料主要包括電磁線、絕緣紙等，絕緣結(jié)構(gòu)則主要是新能源汽車驅(qū)動電機定子繞組及其模型線圈。

圖3? 定子繞組主要構(gòu)成及耐久性測試對象

標(biāo)準(zhǔn)體系

新能源電動汽車中的驅(qū)動電機在實際服役過程中運行環(huán)境較嚴(yán)酷，且會受到發(fā)動機艙帶來的熱應(yīng)力、整車運行振動等環(huán)境應(yīng)力以及高電壓電應(yīng)力的沖擊等。屬于I型時主要是以熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力影響壽命，屬于II型時主要是以熱應(yīng)力、電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力影響壽命。目前對絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)電壓耐久性相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示。其中團體標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 415-2019 《新能源汽車驅(qū)動電機絕緣結(jié)構(gòu)技術(shù)要求》綜合了現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系，主要適用于額定電壓為1kV及以下的新能源汽車用驅(qū)動電機，并規(guī)定了新能源汽車驅(qū)動電機絕緣結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求、試驗方法及檢驗規(guī)則。隨著新能源汽車驅(qū)動電機技術(shù)的快速迭代，T/CEEIA 415-2019目前已不能完全匹配現(xiàn)階段行業(yè)需求，全國旋轉(zhuǎn)電機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已組建標(biāo)準(zhǔn)工作組并著手T/CEEIA 415的修訂工作。

圖4? 絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)的電壓耐久性相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)

高頻、高壓耐久性評價

4.1 絕緣材料

4.1.1 耐高頻沖擊試驗

試樣

對于電磁線，以漆包銅圓線或漆包銅扁線或薄膜繞包銅扁線作為試樣，按照如下所述制備試樣：

00001——漆包銅圓線：按GB/T 4074.7-2009中5.1.1的規(guī)定制備成“絞線對”形式；

00002——漆包銅扁線或薄膜繞包銅扁線：按GB/T 4074.7-2009中5.1.2的規(guī)定制備成“背靠背”形式。

對于絕緣紙或柔軟復(fù)合材料，將樣品裁剪成合適的大小，采用Φ6mm圓柱-平板電極或Φ6mm/Φ6mm圓柱電極進行測試。

試驗條件

耐高頻沖擊試驗儀波形參數(shù)見表1。在155 ℃的老化烘箱內(nèi)，對電磁線試樣連續(xù)地進行試驗，老化烘箱應(yīng)滿足GB/T 11026.4-2012的要求。

表1? 電磁線耐高頻沖擊試驗儀的波形參數(shù)

圖5 耐高頻沖擊電壓波形

U：電壓；t：時間；Up：峰值電壓；Ub：尖峰電壓；Ua：穩(wěn)態(tài)沖擊電壓；Upk-pk：峰峰電壓。

4.2 絕緣結(jié)構(gòu)

在逆變器供電系統(tǒng)中，逆變器驅(qū)動產(chǎn)生的復(fù)雜電壓在Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)繞組的應(yīng)力分布是不同的，表2列出了電機端電壓特性對Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)各部分老化的重要程度。通過對主絕緣、匝間絕緣等進行試驗，可以鑒定II型絕緣結(jié)構(gòu)并給出沖擊電壓絕緣等級（IVIC）分級。一般對整個絕緣結(jié)構(gòu)的匝間絕緣和主絕緣分別進行評估。相間絕緣可結(jié)合繞組設(shè)計確定是否需要評估。對于主絕緣，一般采用實際定子繞組或模型線圈進行加速電老化以確定電壽命曲線；對于匝間絕緣，一般使用具有平行導(dǎo)體的線對或者線圈試品以獲得壽命曲線。

表2? 逆變器供電電壓特性對Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)不同組分加速老化的影響

4.2.1 耐高頻沖擊試驗

在滿足若峰-峰電壓值及電壓周期數(shù)相同，沖擊電壓和正弦電壓下的老化速率相同以及電壓耐久性系數(shù)n，在1kHz以下與頻率無關(guān)兩個假設(shè)的前提下，常用的電壽命計算模型為：

L=k×U-n

其中：

n—電壓耐久性系數(shù)；

L—試樣的試驗壽命，單位為小時（h）；

U—施加周期性峰值電壓，單位為伏特（V）。

k—常數(shù)。

多數(shù)情況下，在指定的峰值電壓下，L2=L1*f1/f2可用于計算預(yù)期壽命，其中L2為頻率f2對應(yīng)的壽命，單位為小時（h）；L1為頻率f1對應(yīng)的壽命，單位為小時（h）；結(jié)合頻率和電壓有關(guān)的老化方程可以導(dǎo)出一般表達式：

Lf2,U2= Lf1,U1×(U1/U2)n×（f1/f2）

其中：

Lf2,U2—頻率f2和電壓U2對應(yīng)的壽命，單位為小時（h）；

Lf1,U1—頻率f1和電壓U1對應(yīng)的壽命，單位為小時（h）；

試驗證明，在不大于1kHz的正弦和沖擊電壓下使用該方法計算壽命是有效的，超過1kHz需要通過試驗測出頻率加速系數(shù)。對于多電平的情況，主絕緣電老化的主要因子是基頻峰-峰電壓和頻率。

具體試驗方法為通過提高試驗電壓或頻率建立主絕緣電壽命曲線。至少選擇3個電壓或頻率，并以絕緣發(fā)生擊穿時為試驗終點。每個試驗電壓下至少7個主絕緣樣品。在試驗過程中一般需要注意以下幾點：

避免引入在實際運行中不存在的失效機理；

通過提高試驗電壓或頻率建立主絕緣電壽命曲線；

如果使用工頻電壓（50Hz或60Hz），在最高電壓下的平均失效時間應(yīng)為50h左右且最低電壓下的平均失效時間應(yīng)大于5000h。

其中主絕緣鑒定試驗合格準(zhǔn)則為：在同一頻率下對比待評和基準(zhǔn)壽命曲線：

在相同的試驗電壓下，待評結(jié)構(gòu)壽命曲線的90%置信上限超過基準(zhǔn)主絕緣壽命曲線的90%置信上限；

在最低試驗電壓下，待評結(jié)構(gòu)壽命曲線的90%置信下限大于或等于基準(zhǔn)主絕緣壽命曲線的90%置信下限。且待評結(jié)構(gòu)均值回歸線的斜率比基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)壽命曲線的斜率陡（如待評結(jié)構(gòu)的n值大于基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）。

4.2.2 匝間絕緣鑒定試驗

待評絕緣結(jié)構(gòu)的試驗樣品應(yīng)與線圈產(chǎn)品制造商的設(shè)計、材料和結(jié)構(gòu)一致，匝間絕緣鑒定的試驗方法為：

將工頻試驗電壓1.5Uturn施加在試樣的兩個導(dǎo)體之間。如果未發(fā)生局部放電，無需進行鑒別試驗。如果局部放電存在，將進行電老化試驗；其中Uturn為峰-峰電壓，若Uturn未知，則Uturn=突變電壓/匝數(shù)。

在試品兩個導(dǎo)體之間施加重復(fù)沖擊電壓或正弦電壓直到出現(xiàn)電擊穿。建議電壓值至少為3個（4.5Uturn、4.0Uturn 、3.5Uturn），每個試驗電壓下最少需5個試驗樣品。

其中匝間絕緣鑒定試驗合格準(zhǔn)則為：若1.5Uturn下5個測試樣品均未發(fā)生局部放電，則匝間絕緣不需要進行鑒別，即合格。若1.5Uturn下5個測試樣品中有發(fā)生局部放電，合格準(zhǔn)則與上述主絕緣類似。

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