電動汽車用驅動電機系統標準要求及應對措施

智恒陽文彥東趙慧超高巍

（1.長春汽車工業高等專科學校，長春 130013；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

電動汽車用驅動電機系統標準要求及應對措施

智恒陽1文彥東2趙慧超2高巍2

（1.長春汽車工業高等專科學校，長春 130013；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

隨著車用驅動電機系統產品研發和生產的不斷深入，需要有相應的標準來進行規范和引導。為此，針對車用電機與工業電機在技術上的區別、電機標準體系建設及標準重點內容等方面進行了綜合分析，重點說明了標準在外特性、溫升、高壓安全、碰撞后安全和振動及噪聲等方面的要求，并提出了車用驅動電機的開發關鍵點及相應的技術解決措施，為電動汽車驅動電機設計提供了依據。

1 前言

隨著國家能源戰略導向、四階段油耗法規[1]、碳排放積分制[2～6]以及電動汽車補貼政策[7～9]的出臺，電動汽車將在未來占據更大市場。電動汽車以混合動力和純電動汽車為主，混合動力總成除了傳統發動機以外還有驅動電機（下稱電機），用以聯合驅動和制動能量回收，而純電動汽車唯一的動力驅動裝置就是電機[10]，可見，未來電機的地位可與傳統發動機持平甚至可能取而代之。

電機作為電動汽車整車動力源，不僅是一個傳動件，而且還是一個高壓件，車用電機工作電壓基本都超過安全電壓60 V，有的甚至達到500 V，存在高壓安全風險；另外，電機還是一個法規件，每個車用電機都需要做公告試驗并備案。因此，電機既是一個動力源、傳動部件還是安全件和法規件，在電動汽車中的地位也越來越重要。據發改委的一項調查數據顯示，2015年我國主要的12家電機和控制器企業的產能已達到70萬套/年，而2016年的電動汽車產銷量已達50萬輛，我國已成為世界上最大的電動汽車市場。在電動汽車產品大規模進入市場前，相應的法律法規應提前制定，以便規范和引領行業發展。本文將從車用電機與工業電機的區別、電機標準體系及重點標準幾個維度進行綜合分析，從標準和法規角度給出車用驅動電機的開發關鍵點及相應的技術解決措施。

2 車用電機與工業電機的區別

我國的電機產品主要應用于工業領域，近十年來才在電動汽車中廣泛應用，工業電機與車用電機雖有諸多共通之處，但也存在以下幾方面的差異。

a.供電電壓：工業電機供電一般取自工業380 V電網，電壓相對穩定，而車用電機一般由動力電池組供電，由于驅動功率不斷變化，導致供電電壓波動范圍非常寬。

b.控制方式：工業電機一般采用恒壓頻比的標量控制，而車用電機多采用磁場定向的閉環矢量控制，具有高性能、高可靠性等特點。

c.工作點：工業電機工作點一般為額定點，控制目標變化緩慢，常規PI控制即可滿足要求，而車用電機工作點遍布整個電機外特性區域，控制目標瞬變，控制響應和跟隨要求極高。

d.控制特性：工業電機無需精確控制，響應要求低（伺服等高端應用領域除外），而車用電機則需要進行精確控制，對控制精度、控制響應、控制穩度要求很高，還包括低力矩紋波要求，以保證乘員舒適性。

因此，電機系統作為電動汽車的核心部件，應具有功率密度高、調速范圍寬、轉矩指標高、過載能力強、高效區大等特性，此外，還要求可靠性高、環境適應性強、結構簡單、成本低、維護方便、適合批量生產等，這些特性是實現電動汽車各種工作模式的關鍵，將直接影響車輛的動力性、經濟性、環保性和穩定性。從標準體系角度看，工業電機的部分標準也不再適用，車用電機需要新的標準體系作為支撐。

3 驅動電機系統標準體系

全國電動車輛領域的標準化工作由電動車輛分技術委員會（簡稱電動車輛分標委）負責組織編制，電動車輛分標委直接受國家標準化委員會和工業與信息化部管理和指導，秘書處設在中國汽車技術研究中心，該分標委下設驅動電機工作組，負責車用驅動電機的標準工作，目前已建立了電機的基礎類、產品類、通用要求類標準體系架構，如圖1所示。

圖1 驅動電機標準體系

在驅動電機標準體系中，基礎類標準包括接口與互換性、可靠性試驗方法、故障分類和判斷、系統噪聲和電磁兼容性；產品類標準包括永磁同步電機和交流異步電機行業標準，用于統一行業產品的基本規格；通用標準主要是GB/T 18488.1和GB/T 18488.2，該標準被《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》所采用，是電機產品準入公告試驗標準。

4 標準重點內容

從電機國家標準角度對車用電機開發重點和解決措施進行說明。首先，標準GB/T 18488.1和GB/T 18488.2規定了整車產品上公告時驅動電機必做的試驗項目，其技術條件和試驗方法一一對應，主要規定了電機系統的外特性、溫升和安全等幾方面內容。其次，由于電動汽車所用電機具有高壓特性，因此在高壓安全方面具有相應的標準，目的是避免高壓部件出現故障，保證人身安全。

4.1 外特性

電機的外特性是電機在特定電壓和工作溫度下的最大工作區域，在整車運行中，電機工作點都應該在外特性的外包絡線之內。對于純電動汽車，電機峰值轉矩決定了整車加速性能和爬坡能力，峰值轉速和持續功率決定了整車最高車速[11]，電機系統效率決定了整車續駛里程和高壓蓄電池的功率容量，因此，電機外特性對整車功能和性能的實現至關重要，也是車用電機必做試驗項目之一。

因車用電機工作電壓變動范圍非常大，在最低電壓下，電機仍需要輸出峰值功率，而在最高電壓下需要保證系統安全工作，不產生過壓或過流損壞，因此最高電壓和最低電壓下的外特性都需要測試。在外特性試驗中也需測量電機堵轉轉矩和持續時間，因長時間堵轉可能導致電機過溫損壞。另外，電機系統在整車中以轉矩和轉速控制模式為主，其轉速和轉矩響應特性對整車功能（如換擋調速和高速巡航等）實現非常重要，因此電機響應特性也在外特性試驗中一并測量。

4.2 溫升

電機運行時會產生各種損耗，這些損耗將轉變成熱量而使電機各部件發熱，導致溫度升高。電機中的某些部件，特別是電機的絕緣材料，只能在一定的溫度限值內才能保證可靠工作，為維持電機的合理壽命，需采取冷卻措施使電機的熱量散發出去，使其在允許的溫度下運行。通常絕緣材料熱老化的原因是氧化，因氧化能使聚合物鏈斷裂、消耗增塑劑以及聚合物解聚而使絕緣變脆。由于這些過程都是化學反應，遵循化學反應速率定律，可用速率關系將絕緣劣化與時間和溫度結合起來，根據阿累尼烏斯方程[12]，提出熱老化模型為：

式中，L為絕緣壽命；tN為絕緣的額定溫度；t為絕緣實際使用的持續溫度；m為常數，對于B級絕緣，m取10，對于F和H級絕緣，m分別取12和14。

電機發熱對絕緣壽命的影響非常關鍵，在額定溫度下，持續運行的合理壽命是6～8年。由式（1）可知，對B級、F級和H級絕緣材料，當溫度分別每上升10℃、12℃和14℃時，絕緣壽命將縮短1/2。另外，電機發熱對某些金屬材料性能也有一定影響，如常用的電解銅，當其溫度超過220℃時硬度迅速下降，當達到280℃時，硬度幾乎只有原來的1/2。含銀銅線具有較好的導電特性和力學特性，但工作溫度也不能超過300℃。即使工作溫度低于150℃，但持續時間長也能造成金屬軟化，當電機局部溫度超過160～170℃時，就需要考慮熱變形和熱應力的影響。我國電機溫升限值標準與IEC 60034—1《旋轉電機定額和性能》標準一致，因此標準GB/T 18488中也引用了該標準，溫升試驗一般是測試在持續工作制下電機內部各零件熱平衡情況，即是否超過了溫升限值。

4.3 高壓安全

相對于傳統內燃機汽車而言，電動汽車上一般有高達上百伏的電氣系統，超過了直流安全電壓范圍,所以必須進行合理的設計與防護，以有效保證高壓安全。在電動汽車高壓電安全標準的制定方面，國際的兩大標準化組織ISO、IEC和美國、歐洲、日本都早已開展了相關工作，并相繼發布了一些標準。我國的國家標準委員會依據我國現狀發布了一系列有關電動汽車安全的國家標準，在高壓安全方面應考慮高壓安全標識、高壓接觸防護、絕緣電阻、耐電壓、電位平衡、高壓放電、漏電保護和碰撞后安全等技術要求。

4.3.1 高壓安全標識

高壓部件（除高壓電線束）所有防觸電接觸的外殼都必須具備高壓標識，并保證在其裝配完成后也能夠明顯看見。對于可拆分的外殼，應分別粘貼高壓標識。高壓安全標識的設計遵循ISO 3864—1《圖形符號.安全色和安全標志.第1部分在工作場所和公共領域中的安全標志》、ISO 3864—2《圖形符號.安全色和安全標志.第2部分產品安全標簽的設計原理》、ANSI Z535.3—2007《安全符號標準》和ISO 7000《設備用圖形符號.注冊符號》等標準。依據GB/T 18488.1的規定，在“當心觸電”的警告標志旁邊還應注明必要的安全操作提示。

4.3.2 高壓接觸防護

逆變器內部具有直流母線電容，在電容內部電荷沒有完全泄放的情況下，接觸到電容的高壓端子將導致觸電，為避免用戶或維修人員接觸到這些帶電的高壓部件，一般在設計中采用外殼或罩蓋對高壓部件進行屏蔽，而外殼和罩蓋需要通過螺栓與逆變器殼體相連。在拆卸時，如果直流母線電容具有足夠的時間放電，就能夠滿足高壓接觸防護的要求，即拆卸高壓部件時應采取復雜拆卸的措施。復雜拆卸即是指必須使用工具拆卸逆變器外殼，并采用下列兩種方式之一進行拆除：

a.在不使用專用工具的情況下，在拆卸過程中更換不同型號的工具以延長拆卸時間；

b.使用配套的專用工具除去外殼。

其它高壓接觸防護措施如下：

a.高壓互鎖：高壓互鎖就是將高壓部件通過一個低壓回路連接起來，該互鎖回路首尾連接在自動斷開裝置上，當高壓電氣回路上任何一個高壓防護罩或插接件從回路上斷開，就會觸發一個低壓電信號，高壓立即被切斷，且高壓系統不能再次上電。

b.延遲接觸：延遲接觸就是通過執行兩個獨立的操作才能接近帶電部件，即第1步操作必須保證可靠切斷高壓系統，第2步操作時高壓部件電壓應降低到安全電壓范圍內。

4.3.3 絕緣電阻

逆變器本身絕緣電阻應大于500 Ω/V，連接到高壓系統后，高壓系統的絕緣電阻也要大于500 Ω/V。依據標準GB/T 18488.1的規定，逆變器動力端子與外殼、信號端子與外殼、動力端子與信號端子之間的冷態及熱態絕緣電阻均應不小于1 MΩ。

4.3.4 耐電壓

逆變器應按高壓系統最高工作電壓進行試驗，電壓施加時間歷時1 min，不應存在絕緣擊穿或閃絡現象。依據標準GB/T 18488.1的規定，逆變器動力端子與外殼、動力端子與信號端子之間，應能耐受2 000 V的工頻試驗電壓（均方根值），逆變器信號端子與外殼之間應能耐受500 V的工頻耐電壓試驗。逆變器動力端子與外殼、動力端子與信號端子、信號端子與外殼間的工頻耐電壓試驗持續時間為1 min，無擊穿，無飛弧現象，漏電流限值應符合產品技術文件規定。對于逆變器信號地與外殼短接的情況，只需進行逆變器動力端子與外殼間的工頻耐電壓測試。耐壓電壓測試時，逆變器整機漏電流限值小于10 mA，對內部各零部件的漏電流限值要更嚴格。

4.3.5 高壓放電

在電機系統從高壓回路斷開后，由于逆變器內部存在儲能器件，如直流母線電容等，電機系統內部高壓并不會立即消失，而是慢慢下降，在常規維護或售后維修時可能導致高壓電擊，造成人員傷亡。因此，為避免如上事故，電機系統需同時具備主動放電和被動放電功能，即使主動放電失效，被動放電依然有效，且在規定時間內必須降到安全電壓以下，具體要求如下：

a.主動放電：主動放電功能被激活后，電壓應在3 s內降到60 VDC以下。

b.被動放電：當動力電池與高壓部件斷開后，放電電路應在2 min內將電壓降到60 VDC以下。此功能必須始終有效，而非被觸發后才有效。

4.3.6 漏電監測及保護

在電動汽車中,由于直流高壓系統實質上也屬于不接地的電氣系統,所以也較多地使用對地電壓型漏電監測裝置進行檢測,通過檢測動力系統正、負極母線對車身地的電壓來判斷是否存在絕緣故障。該類裝置通過一定的方法改進后，還能夠檢測出動力系統正、負極母線對車身地的絕緣電阻，即為絕緣電阻監控裝置，該裝置原理可參考文獻[13～16]。在高壓回路中安裝漏電監測裝置,以監測車內直流母線對車身地的絕緣狀況。

4.3.7 碰撞后安全

根據標準GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》的要求，電機系統應滿足如下安全要求：

a.電能要求：高壓母線上的總電能應小于0.2 J；儲存在Y電容器里的總電能也應小于0.2 J；

b.物理防護：為了防止直接接觸高壓帶電部位，碰撞后應有IPXXB級別的防護；

c.特殊安全要求：碰撞30 min內不應爆炸、起火。

4.3.8 電機振動

電機的振動不僅影響電機自身的運行安全，而且還會影響周邊的結構噪聲和環境振動。產生振動的主要原因如下：

a.電機轉子的靜和動不平衡；

b.磁場產生的徑向力和（或）軸向分力；

c.臨界轉速時由于轉子集中質量導致轉子彎曲而產生的振動；

d.軸承引起的振動；

e.換向器、電刷裝置產生的振動；

f.變頻器的諧波，特別是1/2主頻導致的振動；

g.同步電機旋轉磁場切向力有時產生的扭振。

為保證電機安全運行，控制電機對環境振動和結構噪聲的影響，確保電機產品質量，我國頒布了行業標準QC/T 413《汽車電氣設備基本技術條件》，該標準規定了汽車電氣設備（電機、電器和電子產品）技術要求和試驗方法。在掃頻振動試驗方面，要求產品應能經受X、Y、Z3個方向的振動。根據安裝部位，其掃頻振動的嚴酷度等級應符合表1要求。

表1 掃頻振動試驗嚴酷度等級

在隨機振動方面，要求電機及控制器應經受X、Y、Z3個方向的隨機振動試驗，若無特殊規定，根據安裝部位，電機及控制器隨機振動的嚴酷度限值及試驗持續時間應參考標準GB/T 28046.3—2011的規定。電機及控制器通常在不工作及正常安裝狀態下經受試驗，當需要在工作狀態下試驗時，應在產品技術文件中做出規定。振動試驗的檢測點一般定為試驗夾具與試驗臺的接合處，當檢測點有特別要求時應在產品標準中規定。電機及控制器經振動試驗后，零部件應無損壞，緊固件應無松脫現象，應能在額定電壓、額定轉速、額定功率下正常工作。

4.4 環境適應性

車用電機的使用環境無論是溫度范圍、濕度范圍、鹽霧、污染物等都比普通工業電機要惡劣，而且是多種環境疊加在整個使用生命周期內，因此，環境適應性試驗是考核電機產品是否能夠滿足車用工作環境要求的必做試驗。國家推薦性標準GB/T 28046《道路車輛電氣及電子設備的環境條件和試驗》對電氣負荷、機械負荷、氣候負荷和化學負荷等方面進行了詳細規定。標準GB/T 18488也對驅動電機的環境適用性試驗進行了規定，包括低溫貯存、低溫工作、高溫貯存、高溫工作和濕熱試驗，這些項目是電機產品公告試驗項目，其它的設計驗證性試驗可以參照標準GB/T 28046執行。

5 結束語

我國新能源汽車經過十幾年的發展，在國家政策的引導下進入了一個快速發展期，2016年中國已成為全球最大的新能源汽車產銷國，其中自主品牌汽車占據了90%以上的新能源市場，隨著銷量的爆發式增長，產品質量和安全問題也隨之而來，因此，一個行業和產業的穩健發展，不僅需要資金和政策支持，更需要標準和法規體系的支撐。我國電動汽車驅動電機法規雖在耐久性和產品追溯性等方面還有不足，但標準體現相對比較完善，從產品技術條件、標準接口、高壓安全和環境適應性方面都提出了全面的約束，能夠滿足電動汽車對電機產品的要求。

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（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2017年3月9日。

Requirements and Solutions for Driving Motor System Standards of Electric Vehicle

Zhi Hengyang1,Wen Yandong2,Zhao Huichao2,Gao Wei2
（1.Changchun Automobile Industry Institute,Changchun 130013;2.China FAW Corporation Limited R&D Center, Changchun 130011）

With the deepening of research,development and production of vehicle driving motor system, corresponding standards are needed to standardize and guide.Therefore,a comprehensive analysis is made in this paper regarding technological difference between vehicle motor and industrial motor,building of motor standard system as well as key contents of standard,emphasizing the requirement of the standards in terms of external characteristic,temperature rise, high voltage safety,post-crash safety,vibration and noise,etc.,key points of development and corresponding technical solution of vehicle driving motor are proposed,which provides basis for the design of electric vehicle driving motor.

Electric vehicle,Drive motor,Standard

電動汽車 驅動電機 標準

U469.72

A

1000-3703（2017）04-0006-05