電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)標準及測試問題分析

何鵬林 黃炘 孔治國

（中國汽車技術研究中心有限公司）

電動汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，其規(guī)模化發(fā)展勢在必行。驅(qū)動電機系統(tǒng)是電動汽車實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與動力輸出的關鍵，扮演著傳統(tǒng)汽車“智能發(fā)動機”的角色，其地位與重要性不言而喻。伴隨著電動汽車整車技術的進一步成熟與完善，對驅(qū)動電機系統(tǒng)的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度、工作效率、高效區(qū)及環(huán)境適應性等提出了更高的要求。近年來，驅(qū)動電機系統(tǒng)呈現(xiàn)出了高速化、永磁化、集成化及一體化的發(fā)展態(tài)勢，特別是高速化及集成化對驅(qū)動電機系統(tǒng)的測試提出了新的要求和挑戰(zhàn)。另外，隨著電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型的多元化，現(xiàn)有單一測試標準也暴露其局限性與不完全適用性。文章在解析現(xiàn)有國內(nèi)測試標準及對比國內(nèi)外標準體系的基礎上，針對一些普遍存在的典型測試問題進行了分析，并提出一些目前測試技術面臨的新挑戰(zhàn)，為完善驅(qū)動電機系統(tǒng)測試方法及標準提供了支撐，提升了驅(qū)動電機系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量，推動了電動汽車整體技術發(fā)展。

1　標準體系及國內(nèi)外標準對比

近年來，國內(nèi)的科研院所和企業(yè)圍繞電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)及其關鍵技術，進行了測試評價方法和標準的研究和完善。從整車開發(fā)需求和驅(qū)動電機系統(tǒng)自身特性出發(fā)，對其輸入輸出特性、EMC特性、安全保護、可靠性及耐久性等方面進行了深入研究，制訂了多項標準，推動了行業(yè)技術進步和規(guī)范化管理。目前已有7項驅(qū)動電機系統(tǒng)相關標準發(fā)布，如表1所示。其中GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015是目前新能源汽車公告準入強制要求的測試標準，替代2006版正在執(zhí)行。

表1　驅(qū)動電機系統(tǒng)相關標準統(tǒng)計表

相較之下，國外的標準體系和國內(nèi)有一定區(qū)別，以行業(yè)規(guī)范為主，發(fā)布的標準較少，但各個企業(yè)內(nèi)部有更嚴格的標準或方法。歐洲對外發(fā)布的強制性電機測試標準有ECE R85電機凈功率的測量，要求模擬實車條件測量電機在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間的最大功率、凈功率及溫升情況。日本的強制性法規(guī)與歐洲類似，也是進行功率和溫升的測試，其他方面暫無強制。美國UL針對電動汽車的電機，于2011年更新了UL1004-1《旋轉(zhuǎn)電機-通用要求》，以滿足新能源汽車驅(qū)動電機的測試需求，該標準主要從安全角度出發(fā)，規(guī)定了電機的電氣安全、性能、溫度、機械強度及濕度等測試項目。

表2示出GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015測試項目，與2006標準相比，該標準對驅(qū)動電機系統(tǒng)的輸入輸出特性提出了更多要求，要求提供測試更多的數(shù)據(jù)，關注系統(tǒng)的效率分布，提高系統(tǒng)在高低溫等環(huán)境下正常工作的要求，增加隨機振動測試，提高對機械強度的要求等[1-2]。圖1示出某驅(qū)動電機系統(tǒng)按照GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015測試的電動及饋電狀態(tài)下的效率分布，部分展示出該驅(qū)動電機系統(tǒng)靜態(tài)工作效率分布狀況，基于該效率分布圖可采用擬合法或者統(tǒng)計法計算出系統(tǒng)的靜態(tài)高效區(qū)百分比。

表2　GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015測試項目明細表

圖1　某驅(qū)動電機系統(tǒng)效率分布圖

2　典型測試問題及分析

2.1　可靠性測試

目前，GB/T18488.1—2015及GB/T 18488.2—2015中引用的可靠性試驗方法是GB/T 29307—2012《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法》[3]，該方法是基于繞組絕緣加速老化模型提出的，適用于設計純電動和混合動力車的驅(qū)動電機系統(tǒng)。此方法參考了發(fā)動機可靠性試驗方法，采用了400 h的截尾試驗。采用了比實際加強的工況，運行功率為額定功率的1.2倍。理論溫度加速系數(shù)采用163，此時的電機繞組理論溫升為121 K。針對可能出現(xiàn)的高轉(zhuǎn)速運行，專門設計了2 h的最高轉(zhuǎn)速額定功率試驗。測試分成4個階段進行，分別為額定工作電壓試驗、最高工作電壓試驗、最低工作電壓試驗及最高工作轉(zhuǎn)速試驗，累計進行402 h。圖2示出可靠性試驗工況。

圖2　某驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗工況圖

經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電機系統(tǒng)在實際經(jīng)過402 h可靠性試驗后，其溫升遠未達到121 K，絕緣性能的老化也較為微弱，其他性能指標變化也較小，圖3示出某驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗前后輸出功率及效率變化情況，從圖3可以看出變化較小。因此，該標準可靠性測試方法加速效果并不理想。

圖3　某驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗前后輸出功率及效率變化曲線圖

因此，在后續(xù)驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法中，宜從以下方面進行優(yōu)化：

1）試驗工況：在國標GB/T 29307基礎上，參考實際車輛中驅(qū)動電機的運行工況，并在此基礎上進行加速，制定合適的試驗工況。

2）試驗溫度：國標GB/T 29307未對試驗溫度進行詳細約束，一般為室溫條件下進行，但考慮到溫度是可靠性老化的主要應力，可以適當提高試驗溫度，可選取55，65，80 ℃等典型溫度。

3）試驗周期：國標GB/T 29307規(guī)定的試驗周期為402 h，由于其加速老化效果不甚明顯，因此可在參考電動汽車整車壽命及驅(qū)動系統(tǒng)分解壽命要求的基礎上，設計周期更長的可靠性試驗，如1 000 h甚至3 000 h等。

2.2　隨機振動測試

GB/T 18488.1—2015及 GB/T 18488.2—2015在2006版的基礎上增加了隨機振動試驗，試驗條件直接引用了GB/T 28046.3中的相關要求。按照該標準的要求，就乘用車而言，根據(jù)不同安裝位置，隨機振動試驗最高頻率將達到2 000 Hz，最大加速度將達到96.6 m/s2,每個方向最多將進行22 h振動試驗，因此，總體振動條件較為苛刻，更容易導致產(chǎn)品失效，對驅(qū)動電機系統(tǒng)的耐振性能提出了更高的要求。表3示出目前標準規(guī)定的隨機振動測試條件。GB/T28046.3—2011主要適用于安裝在傳統(tǒng)汽車上的低壓電器產(chǎn)品，如ECU、繼電器等，GB/T18488—2015直接引用可能和實際承受的振動情況有一定差異。為此，采用了在實際道路上采集振動路譜的方法來研究驅(qū)動電機系統(tǒng)的振動情況，圖4示出某混合動力汽車驅(qū)動電機在試驗場實際采集的振動加速后與標準規(guī)定的振動條件對比，從圖4可以看出，在高頻段，實際振動強度比標準規(guī)定的更低，二者差異尤為明顯。為此，還需要開展針對電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)實際振動條件的研究，使之更符合電動汽車的真實情況。

表3　GB/T 28046.3—2011規(guī)定的隨機振動測試條件匯總表

圖4　GB/T 18488規(guī)定與某驅(qū)動電機實際采集加速后的振動曲線對比圖

2.3　輪轂電機測試

目前GB/T 18488.1—2015及GB/T 18488.2—2015規(guī)定的技術條件及試驗方法沒有明確區(qū)分電動汽車中驅(qū)動系統(tǒng)的分布構(gòu)型。有別于傳統(tǒng)汽車中發(fā)動機的中央驅(qū)動結(jié)構(gòu)，電動汽車不僅有中央驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并且有典型的分布式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，輪轂電機便是其中的典型代表。對于輪轂電機輸入輸出性能的考核測試可參考目前標準執(zhí)行，但由于其使用環(huán)境較中央驅(qū)動電機惡劣得多，其耐環(huán)境性能將對其安全性及使用可靠性產(chǎn)生極大影響，因此，應在一般性環(huán)境試驗的基礎上強化試驗條件，增加諸如撞擊試驗、高低溫沖擊試驗、低溫跌落試驗及冰水沖擊試驗等，使之更加符合實際使用環(huán)境。

3　測試技術新挑戰(zhàn)

如前文所述，高速化及集成化是目前驅(qū)動電機系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。

為了提高驅(qū)動電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩密度，目前已經(jīng)有很多驅(qū)動電機的最高工作轉(zhuǎn)速達到了16 000 r/min，極少部分產(chǎn)品的最高工作轉(zhuǎn)速甚至超過了17 500 r/min，按照IEC的相關要求，產(chǎn)品在1.2倍超速后將超過20 000 r/min，因此對目前的測試驗證軟硬件條件提出了極高要求。

此外，為了節(jié)約車輛內(nèi)有限的安裝空間及降低能量傳導損耗，越來越多的產(chǎn)品出現(xiàn)了將電機、電機控制器、DC/DC變換器及減速器等集成于一體的產(chǎn)品方案，此種設計也更加符合車輛上的最終使用狀態(tài)，從而也導致無法將電機及其控制器單獨剝離出來而不影響其原始設計，因此原有的測試方式已不能滿足。

4　結(jié)論

文章針對當前電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)測試標準及方法，提出了當前存在的問題與不足，結(jié)合當前產(chǎn)品的發(fā)展態(tài)勢，提出了一些新的測試模式與方法，為產(chǎn)品開發(fā)與驗證提供了參考。