高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣高頻、高電壓耐久性評(píng)價(jià)

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引言

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(guó)對(duì)于低碳經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(tái)相對(duì)400V平臺(tái)具有充電快、減重、節(jié)省空間、降低功率損耗等優(yōu)點(diǎn)。典型的像保時(shí)捷Taycon Turbo S，其最大充電功率可達(dá)350kW，可以在22.5分鐘內(nèi)把容量93.4kWh的動(dòng)力電池從5%充到80%。因此，新能源汽車高壓化是技術(shù)趨勢(shì)之一。

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)。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(tái)的電機(jī)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(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的絕緣提出了更高的要求。原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣存在不滿足要求的可能性，長(zhǎng)時(shí)間的高頻、高壓將會(huì)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(dòng)電機(jī)在高頻、高電壓下的可靠性，對(duì)其進(jìn)行高頻高壓下的耐久性評(píng)價(jià)就顯得尤為必要。

圖1 新能源汽車的部件和供電示意圖

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測(cè)試對(duì)象

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于變頻電機(jī)，對(duì)于電壓型變頻器供電的電機(jī)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(yùn)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(gè)運(yùn)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(tái)下新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組可能會(huì)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(duì)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(tái)下新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)絕緣的高頻、高電壓耐久性測(cè)試的對(duì)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(dòng)電機(jī)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(cè)試對(duì)象

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標(biāo)準(zhǔn)體系

新能源電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際服役過程中運(yùn)行環(huán)境較嚴(yán)酷，且會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)艙帶來的熱應(yīng)力、整車運(yùn)行振動(dòng)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(shí)主要是以熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力影響壽命，屬于II型時(shí)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(duì)絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)電壓耐久性相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示。其中團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 415-2019 《新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)，并規(guī)定了新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則。隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)

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高頻、高壓耐久性評(píng)價(jià)

4.1 絕緣材料

4.1.1 耐高頻沖擊試驗(yàn)

試樣

對(duì)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(duì)”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(duì)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(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)條件

耐高頻沖擊試驗(yàn)儀波形參數(shù)見表1。在155 ℃的老化烘箱內(nèi)，對(duì)電磁線試樣連續(xù)地進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)儀的波形參數(shù)

圖5 耐高頻沖擊電壓波形

U：電壓；t：時(shí)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(dòng)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(jī)端電壓特性對(duì)Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)各部分老化的重要程度。通過對(duì)主絕緣、匝間絕緣等進(jìn)行試驗(yàn)，可以鑒定II型絕緣結(jié)構(gòu)并給出沖擊電壓絕緣等級(jí)（IVIC）分級(jí)。一般對(duì)整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)的匝間絕緣和主絕緣分別進(jìn)行評(píng)估。相間絕緣可結(jié)合繞組設(shè)計(jì)確定是否需要評(píng)估。對(duì)于主絕緣，一般采用實(shí)際定子繞組或模型線圈進(jìn)行加速電老化以確定電壽命曲線；對(duì)于匝間絕緣，一般使用具有平行導(dǎo)體的線對(duì)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(duì)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(yàn)

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(gè)假設(shè)的前提下，常用的電壽命計(jì)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(yàn)壽命，單位為小時(shí)（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(jì)算預(yù)期壽命，其中L2為頻率f2對(duì)應(yīng)的壽命，單位為小時(shí)（h）；L1為頻率f1對(duì)應(yīng)的壽命，單位為小時(shí)（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(dá)式：

Lf2,U2= Lf1,U1×(U1/U2)n×（f1/f2）

其中：

Lf2,U2—頻率f2和電壓U2對(duì)應(yīng)的壽命，單位為小時(shí)（h）；

Lf1,U1—頻率f1和電壓U1對(duì)應(yīng)的壽命，單位為小時(shí)（h）；

試驗(yàn)證明，在不大于1kHz的正弦和沖擊電壓下使用該方法計(jì)算壽命是有效的，超過1kHz需要通過試驗(yàn)測(cè)出頻率加速系數(shù)。對(duì)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(yàn)方法為通過提高試驗(yàn)電壓或頻率建立主絕緣電壽命曲線。至少選擇3個(gè)電壓或頻率，并以絕緣發(fā)生擊穿時(shí)為試驗(yàn)終點(diǎn)。每個(gè)試驗(yàn)電壓下至少7個(gè)主絕緣樣品。在試驗(yàn)過程中一般需要注意以下幾點(diǎn)：

避免引入在實(shí)際運(yùn)行中不存在的失效機(jī)理；

通過提高試驗(yàn)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(shí)間應(yīng)為50h左右且最低電壓下的平均失效時(shí)間應(yīng)大于5000h。

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

在相同的試驗(yàn)電壓下，待評(píng)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(yàn)電壓下，待評(píng)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(píng)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(píng)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(yàn)

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

將工頻試驗(yàn)電壓1.5Uturn施加在試樣的兩個(gè)導(dǎo)體之間。如果未發(fā)生局部放電，無需進(jìn)行鑒別試驗(yàn)。如果局部放電存在，將進(jìn)行電老化試驗(yàn)；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(gè)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(gè)（4.5Uturn、4.0Uturn 、3.5Uturn），每個(gè)試驗(yàn)電壓下最少需5個(gè)試驗(yàn)樣品。

其中匝間絕緣鑒定試驗(yàn)合格準(zhǔn)則為：若1.5Uturn下5個(gè)測(cè)試樣品均未發(fā)生局部放電，則匝間絕緣不需要進(jìn)行鑒別，即合格。若1.5Uturn下5個(gè)測(cè)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。

5

試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

5.1 絕緣結(jié)構(gòu)耐高頻沖擊電老化測(cè)試能力

最高試驗(yàn)電壓峰峰值：20kV；

脈沖頻率：1kHz，2.5kHz，5kHz，10kHz，20kHz（在研）；

波形：雙極性對(duì)稱方波；

脈沖占空比：50%；

使用環(huán)境：可實(shí)現(xiàn)常溫~300℃溫度環(huán)境下熱、電聯(lián)合老化；

設(shè)備容量：

3kV，5kHz下最大可接電容量達(dá)2×105 pF；

3kV，10kHz下最大可接電容量5×104 pF；

3kV，20kHz下最大可接電容量2×105 pF（在研）；

檢測(cè)樣品：定子繞組，線圈等。

圖6 絕緣結(jié)構(gòu)耐高頻沖擊電老化測(cè)試設(shè)備

5.2 電磁線及絕緣材料耐電暈試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

最高試驗(yàn)電壓：5kV；

波形：雙極性對(duì)稱方波；

頻率：最高20kHz， 2~20kHz可調(diào)；

沖擊上升/下降時(shí)間：100ns；

使用環(huán)境：可實(shí)現(xiàn)常溫~300℃溫度環(huán)境下熱、電聯(lián)合老化；

設(shè)備容量：在3kV，20kHz下設(shè)備最大可接電容量150 pF；

檢測(cè)樣品：電磁線（圓線、扁線），柔軟復(fù)合材料，薄膜，絕緣紙等。

圖7 絕緣材料耐高頻沖擊試驗(yàn)儀設(shè)備

審核編輯 ：李倩