周成顯，郭深深，王金鑫，郭昕海

電動汽車驅(qū)動電機絕緣故障改善方案

周成顯，郭深深，王金鑫，郭昕海

（濰柴新能源商用車有限公司，山東 煙臺 265215）

為了解決電動汽車在整車應(yīng)用層面出現(xiàn)的驅(qū)動電機絕緣故障，特別是驅(qū)動電機電氣盒結(jié)構(gòu)狀態(tài)易于引發(fā)凝露現(xiàn)象。文章首先從電機設(shè)計、電機裝配和整車應(yīng)用等層面進行分析，然后對其潛在可能原因進行分析并開展風(fēng)險評估，通過試驗驗證對電機絕緣故障的產(chǎn)生與處理進行詳細(xì)分析，并確定電機絕緣的故障原因所在。通過驅(qū)動電機臺架密封性測試，驗證改善措施的有效性，通過調(diào)整驅(qū)動電機電氣盒透氣塞位置，從根本上解決驅(qū)動電機工作的凝露現(xiàn)象，確保驅(qū)動電機運行良好，解決了純電動汽車因驅(qū)動電機絕緣問題而引發(fā)的無法行駛問題。

電動汽車；絕緣故障；凝露現(xiàn)象；密封性測試；驅(qū)動電機

驅(qū)動電機作為電動汽車的核心部件，能否正常運行至關(guān)重要，電機的絕緣問題是驅(qū)動電機的主要故障，嚴(yán)重影響驅(qū)動電機的正常運行。高壓電機在運行中所處的環(huán)境較為惡劣，在煤粉、潮濕以及不通風(fēng)等環(huán)境中運行會導(dǎo)致高壓電機發(fā)熱，尤其是處于高溫環(huán)境中，更是會導(dǎo)致高壓電機的絕緣出現(xiàn)老化情況[1]，以上這些因素都會導(dǎo)致電機絕緣性能下降甚至發(fā)生故障。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，電動汽車驅(qū)動電機因各種因素造成的絕緣故障已占到驅(qū)動電機各種故障的60％以上，同時相比其他故障，驅(qū)動電機絕緣故障對電動汽車影響更嚴(yán)重，甚至引發(fā)安全事件的可能性更大且危害更高。

在長期電機運行中，由于受到電氣故障、溫度、摩擦和機械振動的共同作用以及不同外部環(huán)境條件的影響，電機絕緣性能要求對內(nèi)部繞組、漆包線、絕緣紙等各種方面提出很高的要求，電動汽車使用的永磁同步電機同樣如此，及時排查驅(qū)動電機的絕緣故障，識別故障現(xiàn)象、分析故障原因，從而從根本上解決絕緣故障。本文對某款電動汽車接線盒有水珠導(dǎo)致絕緣故障為案例，從電機設(shè)計、電機裝配和整車應(yīng)用等層面進行分析并制定預(yù)防措施，經(jīng)試驗驗證措施有效。

1 故障現(xiàn)象

整車高壓無法上電現(xiàn)象造成行駛故障，同時電動汽車儀表出現(xiàn)故障提示，即車輛絕緣值低于設(shè)置值，經(jīng)排查鎖定為現(xiàn)電機絕緣值不合格，電機外形及接線盒示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 電機外形

圖2 電機接線盒

首先打開電機接線盒，在接線盒蓋板、高壓線護套上都附著大量水珠，水珠情況如圖3和圖4所示。水珠造成電機絕緣值下降（低于整車設(shè)定值），從而造成整車高壓無法上電的問題。

圖3 電機接線盒內(nèi)部

圖4 電機接線盒蓋板

2 原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象從電機設(shè)計、電機裝配和整車應(yīng)用等方面，對造成電機絕緣故障的原因進行排查和分析，遵循從外到內(nèi)，從簡單到復(fù)雜的邏輯進行，具體過程如下：

1）高壓線密封性能：高壓線束密封不嚴(yán)導(dǎo)致水汽進入電機高壓接線盒內(nèi)部，進而造成水珠凝集，從現(xiàn)場拆卸的高壓線外觀以及格蘭頭密封性來看，U、V、W三相線未出現(xiàn)破損、老化等線束，如圖5所示。

圖5 三相高壓線

2）透氣閥密封性：電機透氣閥為防水透氣膜，憑借透氣薄膜極高的透氣量實現(xiàn)不斷的內(nèi)外氣體交換，從而促使內(nèi)外氣壓相等能夠起到平衡密閉腔體內(nèi)外壓力的作用，有效防止有害氣體積聚[2]。透氣閥堵塞或者出現(xiàn)碰撞造成透氣閥密封不嚴(yán)，水汽通過透氣閥進入電機接線盒造成水珠凝集，從拆卸的透氣閥檢測，透氣閥外觀正常，未出現(xiàn)磕碰歪斜的問題，同時經(jīng)過通氣測試，透氣閥未出現(xiàn)堵塞的問題，如圖6所示。

圖6 電機透氣閥

3）電機殼體密封性能：電機生產(chǎn)工藝要求電機裝配前需對電機殼體、散熱水道進行密封測試，確保電機的密封性能。通過對電機生產(chǎn)制造系統(tǒng)（Manufacturing System, MS）進行生產(chǎn)工藝追溯，結(jié)果顯示，生產(chǎn)記錄氣密檢測正常，同時對電機的密封性能進行整機密封測試，由結(jié)果可知氣體泄漏量符合技術(shù)要求。

4）定子吸潮測試：在高濕度下，電氣設(shè)備的表面易受潮，一旦出現(xiàn)受潮反應(yīng)，會大大降低電氣設(shè)備的表面電阻率，對絕緣電阻數(shù)值檢測也帶來很大的影響[3]。通過電機生產(chǎn)MS進行生產(chǎn)工藝追溯，追溯排查定子生產(chǎn)與電機組裝間隔小于48 h，無長時擱置現(xiàn)象。

5）透氣閥設(shè)置不合理：電機透氣閥的作用是保持電機內(nèi)部與外界氣壓一致，透氣閥隔絕大分子液態(tài)水，但無法隔絕水汽，且電機冷熱交替，水汽交換。因為透氣閥設(shè)置在電機接線盒上，所以接線盒壁上冷熱交換的大量水汽（熱水汽）在外部冷空氣冷卻下形成凝露，覆著于高壓線、蓋板等，如圖7所示。

圖7 高壓線表面覆著水珠

6）高壓線安全距離設(shè)置不合理：高壓線安裝座與接線盒壁合理的安全距離≥40 mm，現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)置偏小，存在風(fēng)險，如圖8所示。

圖8 安全距離

3 改進措施及測試

成熟驅(qū)動電機內(nèi)部的溫度、摩擦、交變應(yīng)力、漆包線材料等造成的電機絕緣問題不在本次改進和測試之列[4]，研究主要針對主機廠層面的電機絕緣降低問題，分析其出現(xiàn)問題的原因并提出改進措施，并對其進行測試驗證。

3.1 改進措施

由于電機接線盒對應(yīng)透氣塞設(shè)置不合理，造成電機接線盒在運行過程中出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，從而造成電機絕緣下降和電機絕緣故障問題，具體失效原因及改進措施如表1所示。

表1 失效原因及改進措施

序號失效原因改進措施 圖示 1接線盒易水汽凝結(jié)：電機空氣經(jīng)過接線盒透氣閥排氣，故易在接線盒凝露透氣閥從接線盒處調(diào)整到電機端蓋處 2因接線盒與電機腔體相通，故電機腔體空氣集中于接線盒三相出線采用密封環(huán)實現(xiàn)接線盒與電機腔體完全密封[5] 3線束端子安全距離H較小接線盒取消透氣閥，并增加其安全距離，即IPT線束端子后移20 mm

注：IPT：集成式貫通連接器（Integrated Pass Through connector）。

3.2 絕緣測試（凝露測試）

3.2.1測試條件

在環(huán)境倉內(nèi)進行試驗時連接匹配線纜和控制器，其中母線電壓為540 V，電機冷卻液入口溫度為65 ℃，流量為20 L/min，電機通冷水進行冷卻，保持電機和控制器共地。試驗中先進行高濕載荷，然后進行低溫載荷[6]。

環(huán)境倉要求：濕度穩(wěn)定在90%～95%，溫度穩(wěn)定在（10±2）℃；電機運行要求：1）峰值轉(zhuǎn)矩運行30 s之后，按額定功率/0.9峰值轉(zhuǎn)速運行，繞組溫度穩(wěn)定在（130±2）℃運行1 h；電機停機持續(xù)9 h并關(guān)閉冷卻水。按照上述要求循環(huán)2次，總時間為20 h。2）峰值轉(zhuǎn)矩運行30 s之后按額定功率/0.9峰值轉(zhuǎn)速運行，繞組運行2 h，且溫度穩(wěn)定在（130±2）℃；電機停機8 h，并關(guān)閉冷卻水。按照上述要求，循環(huán)2次，總時間為20 h。

3.2.2高濕載荷和低溫載荷測試結(jié)果

凝露試驗方案通過且測量最小絕緣阻值為0.2 GΩ，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求1 GΩ。試驗過程與結(jié)束后的絕緣阻值測量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 絕緣阻值試驗數(shù)據(jù) 單位：GΩ

序號運行前絕緣阻值運行后絕緣阻值 U相V相W相U相V相W相 循環(huán)111.011.011.0 循環(huán)22.92.72.710.911.011.0 循環(huán)32.12.02.05.45.55.2 循環(huán)41.61.61.64.64.74.9 循環(huán)50.60.60.61.11.11.1 循環(huán)62.42.52.60.20.20.2 循環(huán)72.92.92.70.91.01.0 小循環(huán)83.73.53.30.50.50.6

表3 試驗結(jié)束后絕緣阻值數(shù)據(jù) 單位：GΩ

測量工況 相線 U相V相W相 拆蓋前2.42.42.3 拆蓋后0.80.70.6 螺釘拆除后的IPT線束端子0.53.03.6 螺釘拆除后11.011.011.0

3.3 氣密性測試

根據(jù)整機氣密要求測量電機氣密，其試驗結(jié)果符合要求，如圖9所示。

圖9 氣密性測試

4 結(jié)論

本案例是由于電機透氣閥設(shè)置位置和安全距離不合理，導(dǎo)致電機接線盒出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，進而造成電機出現(xiàn)絕緣故障。針對驅(qū)動電機絕緣故障的問題，從電機設(shè)計、電機裝配和整車應(yīng)用等方面進行分析，同時從故障入手分析電機絕緣故障原因所在，徹底解決驅(qū)動電機在整車使用環(huán)節(jié)的絕緣問題。

[1] 程習(xí)亮,王玉柱,齊順.高壓電機絕緣低問題的解決方案[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(29):174-175.

[2] 高素欣,羅玉淋,言艷毛.電機控制器用防水透氣閥的計算及選型方法[J].客車技術(shù)與研究,2016(6):37-38.

[3] 李康民,蘇竹青,張明明.高濕度下機車車輛絕緣性能測試方法研究[J].電子測試,2022(11):100-102.

[4] 王湄.變頻電機用漆包線耐電暈電?熱老化性能的分析研究[J].電子制作,2017(18):57-58.

[5] 付平,丁忠軍,宿曉峰,等.用Workbench對深海電機密封圈進行有限元分析[J].橡膠工業(yè),2019,66(4):290- 291.

[6] 王鵬,陳逸雯.變頻電機絕緣失效機理及測試技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].大電機技術(shù),2021(3):1-13.

The Insulation Fault Improvement Scheme of Electric Vehicle Drive Motor

ZHOU Chengxian, GUO Shenshen, WANG Jinxin, GUO Xinhai

( Weichai New Energy Commercial Vehicle Company Limited, Yantai 265215, China )

In order to solve the insulation failure of the drive motor in the application of electric vehicle, the structure of the drive motor electrical box is easy to cause condensation phenomenon.This paper first analyzes the motor design, motor assembly and vehicle application, and then analyzes the potential possible causes and carries out risk assessment.Through test verification, the generation and treatment of motor insulation failure are analyzed in detail, and the cause of motor insulation failure is determined. Through the tightness test of the drive motor bench, the effectiveness of the improvement measures is verified.By adjusting the position of the ventilation plug of the drive motor electrical box, the condensation phenomenon of the drive motor is fundamentally solved to ensure the good operation of the drive motor, and the problem that the pure electric vehicle could not run due to the insulation problem of the drive motor is solved.

Electric vehicle; Insulation fault; Condensation phenomenon;Tightness test;Drive motor

U469.3

A

1671-7988(2023)12-18-04

周成顯（1979－），男，工程師，研究方向為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)集成開發(fā)，E-mail:10538997876@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.004