桂林电科院赛盟检测王文龙:新能源汽车高压电机绝缘检测方法标准探讨

NE时代新能源

阅读 1427    更新于2022-09-30 13:52:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,桂林电器科学研究院有限公司检测中心副主任,桂林赛盟检测技术公司副总经理王文龙分享了新能源汽车高压电机绝缘检测方法标准探讨,解说如何解决高压绝缘系统可靠性的问题,有哪些标准方法可以借鉴可以使用,目前现有的检测方法和检测标准存在的问题。

以下为现场实录:

各位同仁,大家好!我来自桂林电科院赛盟检测。今天我分享的内容是新能源汽车高压电机绝缘检测方法标准探讨。

分为三个部分:一是高压电机绝缘系统面临的问题,二是如何解决高压绝缘系统可靠性的问题,有哪些标准方法可以借鉴可以使用,三是目前现有的检测方法和检测标准存在的问题。

新能源汽车电机发展趋势。为了解决里程焦虑问题,要实现快速补能和快充、长续航。这样就需要电压平台提高,从400V提高到800V。扁线电机确实有很多的优点,比如高功率、小型化以及匹配油冷,散热有非常大的优势,我们预测,扁线电机未来有很大的一个增长空间。

高压电机绝缘结构重要性不言而喻,50%以上的电机问题都是出在绝缘结构的可靠性上。这将直接影响电机运行的可靠性。

要解决高压电机绝缘系统面临的问题,一般有四个主要的因子,TEAM因子。

首先是热应力(Thermal)。温度变化更复杂,高功率带来的热效应,要考虑老化问题。

第二是电应力(Electrical)。漆膜容易损伤,要考虑匝间绝缘性能。要考虑高频电压下的电寿命,以及由400V电压提高到800V以后,根据标准,是由一型绝缘转化为二型绝缘,原来不用考虑局部放电的问题,现在转化为800V以后要考虑局部放电问题。

第三是环境可靠性(Ambient)。主要是考虑耐油性。

第四是机械振动(Mechanical)。汽车电机里会涉及到更频繁的机械振动。但电力设备里评估它的绝缘的时候,机械振动通常是不单独考虑的,都是和热老化、电老化多因子联合考虑,所以这次我们主要讲的是前三个。

第二部分,评估绝缘系统的可靠性的方法。

首先是热因子。主要是通过热老化评定方案来实现。通常情况下,电力设备里温度是作用于绝缘材料和绝缘系统的主要老化因子,因此国际上都认同采用耐热等级表征绝缘材料和绝缘系统长期的耐热性。评判耐热等级,就需要用相关的标准去评价温度指数。材料或系统长期连续运行2万h时对应的温度,也指材料和系统里最高运行达到的连续使用温度的数值,通常驱动电机温度端部可以达到180度,即便采用油冷也会达到120度左右。采用合适的绝缘材料是非常重要的,采用等级过高的会增加成本,低的话会造成绝缘过早失效。目前新能源汽车电机,有机高压电机绝缘系统耐热等级通常要达到180级,也就是H级。

我们用哪些标准评估材料的热评定?首先材料的耐热性评定,最常用的就是11026系列标准,还有UL746B。标准的基本原理是一致的。对绝缘系统的耐热性评定,有20111、22720.1等。设计绝缘系统的时候可以根据需求选用不同的标准。

热老化的评定理论依据,有个经典的Arrhenius公式。材料热寿命对数和所在的温度道数之间呈一个线性的关系。这个方程就是经典的耐热方程。算出2万小时对应的材料温度,热老化评定主要目的就是得出温度指数,看温度指数是不是能满足设计里需要的材料,180或155级的耐热等级需求。至少需要三个温度点进行热老化处理,同时每个周期下进行模拟机械振动,下一个周期是进行潮湿处理,最后是进行耐压诊断或其他关注的性能的,比如弯曲、拉伸,根据材料或系统主要参考性能进行诊断。

下面看一个绝缘系统的实例。通常我们评绝缘系统是设计一个模型,一般情况下不会用真机测试,因为真机成本比较高。如果用定子进行热老化测试,每个温度点按标准来讲,通常有5个样品,3个温度点同时做就需要15个样品,同时拿出15个定子拿温度指数评定,成本压力非常大,所以通常用模型做。这个实例我们是用一个定子真机做,选取三个温度点,200度、220度、240度,低温联、中温点、高温点,分别对应寿命的失效时间。通过方程拟合可以得到最终的耐热型公式。代入2万小时时间就可以得到最终的TI值。这个方案里最终是175,没有达到H级的要求。因为标准里选取低温点的时候,它的时间至少要达到5千小时,这样拟合出来的曲线才比较精准。因为时间没有达到5千,所以最终结果会有一定的误差。

下面讲一下电因子的影响。判断绝缘系统的电因子的影响主要是短时实验,比如耐压实验,局部放电等,特别是局部放电,是材料或系统里电老化最重要一项因素。在一个长时的评定有耐电晕,耐高频的能力,我们通常用这些典型的参数评估绝缘系统的耐电晕程度。因为耐过压实验和绝缘电阻是比较常见的,所以这次主要讲后面三个性能。

第一是匝间耐压实验。因为我们是扁线电机,刚性比较大,匝间绝缘更容易出现失效或有缺陷。目的是评估匝间绝缘耐过电压的冲击能力和检验匝间绝缘中的薄弱点,原理就是在匝间绝缘或绕组施加一个高压脉冲,脉冲能量在绕组之间会产生一个自击振荡,最后衰减。进行测试的时候我们比较待测样品的冲击波形和标准的冲击波形,通过比较差值评估匝间是不是有绝缘失效的情况。里面主要有两个参数,根据GB/T 18488.1-2015电动汽车用驱动电机系统第一部分,技术条件,一个指标是关键参数积差,被测样品波形和标准波形面积的比较,二是差积,被测样品的波形和标准波形之间偏差部分的积。这两个参数多少判定为合格,标准里没有细说,但电机绝缘行业里通常认为,积差小于10%,差积小于15%,即认为这个匝间承击实验是合格的,也就是我们所说的波形一致。

第二个是局部放电。这是高压电机绝缘系统里电老化最主要一个原因。以前我们用400V电机通常是圆线的散绕电机,根据国标标准是属于一型电机,以前用圆线电机基本不考虑它的局部放电。但采用800V以后,就属于22720.2里规定的二型电机,一般工作电压大于700V以上就要考虑是不是二型电机了,二型绝缘绕组寿命期间要经受局放的考验,工作电压要大于局部放电的电压,所以针对高压电机绝缘系统评定,我们主要是评估电热联合,以电老化为主。

绝缘系统的局部放电主要是取决于漆包线局部放电水平。根据2720.1以及20626.1相应标准,我们认为800V高压平台下,电磁线漆包扁线局部放电,不仅要考虑逆变器的尖峰因素,也要考虑热老化绝缘系数、海拔修正因素。最终选取的漆包线扁线电机里至少达到PDIV峰值2000V以上才是满足要求的。但目前阶段,作为扁线的PDIV值能达到1500V就已经是比较高的水平了。

下一个是高频脉冲下的电寿命评估。汽车电机通常是变频电机,因为功率器件是用PWM进行波形调控,同时因为传输电缆不匹配,会产生很高的一个尖峰,产生电源腐蚀,对绝缘系统的影响是非常大的,所以要评估绝缘系统或材料的性能。

知道了标准里涉及的电压要求,如何评定电老化寿命的问题?根据国标29311-2020电气绝缘材料和绝缘系统交流电压耐久性评定标准,电气绝缘材料的电压寿命和电压幅值是存在一个反幂定律关系的,和热老化比较类似,试品上加一定电压,试样击穿,记下所经历的时间,即失效时间,获得材料失效时间绘制寿命曲线即场强,寿命关系曲线。因为绝缘材料电老化的原理机理复杂,材料结构不同,最终导致老化的机理也各异,所以目前电老化试验只能作为一定条件下绝缘材料耐放电性能的比较或求取材料的相对寿命。就是说它只能相对的考虑,比如两套定子,里边只有一种或某种材料不一样,两套同时做电老化,看它相对的寿命的变化。

第三个是环境可靠性,也就是耐油性。包括高度集成的要求,电机轻量化、小型化的要求,甚至要直接散热,使得绝缘系统和绝缘材料跟油是直接接触的。同时ATF油有很多添加剂,有十多种,大多数都是硫化物添加剂,在高温作用下,加了水以后会产生酸性物质,对材料腐蚀性特别强。

我们从16年、17年开始做了很多的材料和系统的耐油性实验。大家比较广泛采用的是绝缘低温负45到高温155,一个循环48小时,共8个循环,全封闭状态下加0.5%的水。包括最开始做材料,后面做系统,这个方案是大家比较广泛采用的。后面根据这个方法,近几年大家发现了一个问题,之前的方案和实际汽车工况不一致,因为汽车工况里有个透气阀,是为了防止冷凝现象,以减少电机内外的压力,同时透气阀将使罐体内部压力大为减少,模拟实际运行工况降低材料耐油性的严酷程度。可以阻隔大分子水分,但也不是严格的阻隔大分子水分,是在内外形成一定的压力差以后,水分也可以双向通过。包括油冷,大家深入研究以后发现,有些车企在实际电机里取油测试,发现电机运行过程中里边的油的水分含量是处在一个平衡状态,所以耐油性是不是也可以保持密封罐体里也有这样的水含量?所以我们设计了自动加水的一个系统,定时在罐体里加入一定的水分,模拟实际工况。现在很多企业在做这样的耐油性的评定。甚至近期也会出现一种情况,从设计成本、各个方向考虑,是不是不需要加水了,加水使材料更容易受腐蚀,材料很难多向选择,可选的很少,所以很多企业会做高温处理货高低温循环,不加水,并且进行敞口测试。

最后,目前检测方面存在的问题。

1.目前耐油性的方法,各个不同的车企、主机厂的处理条件不一致,评价方式由原来的全封闭+5000ppm水,转向增加透气阀+降低水含量模式,更贴合实际电机运行实际工况。不得不说,原来的方式确实也促进了一些材料升级,整个行业材料耐油性更新换代。

2.漆包线PDIV需要更多的数据验证。目前标准没有提到800V电机中PDIV的合格值,大多是根据经验推算,缺少数据验证支撑。

3.高频脉冲设备能力有待提高。因为标准里讲到的是材料,材料里给出了一些电压参数要求,但当时的材料是圆线电机,现在是扁线电机,电压可能要进一步提高,包括寿命时间的指标,同时从材料衍生到后面的系统进行评定的时候,一般材料的电容量值也就几百pF,而定子绝缘系统容量大,会达到15000以上,能否保证dv/dt保持100ns?特别是采用SiC开断频率提升后,对设备的功率、散热要求有严峻考验。电压要提高,容量要提高,开断频率还要提高,对设备功率要求非常高。

4.缺少权威、系统的检测标准。而且很多设计都很超前,检测方法跟不上。现在没有一个统一的比较权威的系统的标准去执行耐油性评定、热寿命评定。

最后简单介绍一下我们赛盟检测技术有限公司。我们是全国绝缘材料标准化技术委员会秘书处单位,在给各个主机、材料和车企提供权威检测数据同时,也在积极制定针对汽车高压电机绝缘系统的方法的制定,今年准备立项一个行标或者国标。欢迎各位专家参与到我们的标准制定中。

谢谢大家!

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