關于絕緣材料及測試方式的研究

摘 要：隨著新能源汽車產業(yè)的蓬勃發(fā)展，采用的電機、電池等核心部件已進入800V平臺，而電驅系統(tǒng)作為核心部件正面臨新的挑戰(zhàn)，三電合一驅動總成系列因其高功率高效高安全性，所以電機內部的絕緣材料性能將尤為重要，此時新能源油液的性能和要求將逐漸提高，需要同時具備潤滑功能、散熱功能以及絕緣功能。新能源油液在工作過程中，與電機內的絕緣材料直接接觸，考慮到兩者之間可能發(fā)生的物理反應及化學反應，需要用新能源油液與絕緣材料的兼容性指標來對其進行評估。

關鍵詞：新能源汽車 絕緣材料 測試

1 關于新能源油液的背景與發(fā)展前景

1.1 新能源油液與絕緣材料的功能

隨著新能源汽車產業(yè)的蓬勃發(fā)展，采用的電機、電池等核心部件已進入800V平臺，在800V平臺下電暈腐蝕出現(xiàn)概率增加，電暈腐蝕會對電機造成重大危害特別是在高頻電壓下尤為嚴重，電驅系統(tǒng)作為核心部件，正面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。其中三電合一驅動總成系列，具有高功率、高效、高安全性，集成方導體電機、碳化硅控制器和高效減速器為總成部件，最高輸出扭矩6100Nm、輸出功率可達300kW，總成采用主動潤滑和油水復合冷卻技術，可增強系統(tǒng)在高速階段功率的持續(xù)輸出為整車提供源源不斷的動力，此時新能源油液的性能和要求將明顯提高，需要同時具備潤滑、散熱以及絕緣功能。

電機在工作過程中，新能源油液與絕緣材料、漆包線直接接觸，考慮到可能發(fā)生的物理反應及化學反應，需要對新能源油液和絕緣材料的兼容性進行測試評估。因電機長時間工作，絕緣材料可能出現(xiàn)老化、開裂及性能劣化等情況，導致絕緣失效引發(fā)電機內磁場降低使整車動力下降，甚至因為絕緣材料性能下降或者失效出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，嚴重影響整車的穩(wěn)定性和安全性[1]。新能源油液與絕緣材料兼容性測試，是對電驅系統(tǒng)中的絕緣材料、塑料、橡膠等零部件與油液之間長期接觸影響的測試，以確保絕緣材料與各零部件的性能和使用壽命。為進一步完善新能源油液在市場的競爭力和行業(yè)的影響力，進而開發(fā)新能源油液模擬測試平臺，開展新能源油液與絕緣材料的兼容性測試。（圖1，圖2）

1.2 絕緣材料安全性與失效原因分析

為了在現(xiàn)有的情況下提升車輛的動力性、經濟性、可靠性，當下驅動電機不斷地朝著高速高效、高功率密度、輕量小型化、高可靠性方向發(fā)展。性能優(yōu)異的絕緣材料是提升電動汽車驅動電機可靠性和高功率密度的重要基礎，是持續(xù)發(fā)展高頻、高壓、高溫內油冷驅動電機的技術支撐[2]。驅動電機和絕緣系統(tǒng)是汽車的“心臟”50%以上的電機故障是由絕緣失效引起的，導致絕緣失效的主要原因有絕緣擊穿、絕緣老化、絕緣損壞，而絕緣擊穿和絕緣損壞一般是由于非正常使用導致的絕緣失效，比如汽車使用中因劇烈駕駛，頻繁出現(xiàn)電壓超過臨界值，因電壓超過絕緣材料所能承受的水平，使通過電介質中的電流劇增，導致電介質發(fā)生破裂或分解，最終失去絕緣能力。

由此可見，絕緣材料及絕緣系統(tǒng)對電機的運行壽命，可靠性至關重要就電動汽車驅動電機而言，將會直接影響車輛安全駕駛及車內人員的安全。尤其是絕緣材料的技術性能受油冷技術發(fā)展的影響，迫使絕緣材料行業(yè)不斷升級創(chuàng)新，迎接新能源汽車產業(yè)鏈全國化發(fā)展趨勢，滿足未來新能源汽車發(fā)展的技術要求[3]。

新能源汽車驅動電機在運行過程中通常會頻繁啟動、變速、變矩、機械震動強，此時就要求絕緣樹脂在浸漬過程中具有較高的掛漆量和粘結強度。較高的掛漆量能夠保障絕緣樹脂有效填充線圈繞組中，減少絕緣缺陷的同時繞組還能成為牢固的整體提高可靠性，防止電機在運行過程中由于頻繁震動導致線圈繞組松動散開進而燒蝕失效[2]。較高的掛漆量通常會帶來更高的粘結強度，進一步提升電機的可靠性和穩(wěn)定性。漆包扁線比漆包圓線具有更高的槽利用率以及功率密度，隨著新能源汽車驅動電機的功率密度逐步提升，耐電暈漆包扁線將會得到更為廣泛的應用。扁線可以提升功率、散熱性并且還能降低材料體積和耗材量，因此電機行業(yè)將會出現(xiàn)圓線引向扁線。（圖3，圖4，圖5）

2 關于驅動電機的工作原理及絕緣材料的重要性

2.1 驅動電機與絕緣材料的關系

新能源汽車電機的工作原理是將電池電能，供應給電機時線圈會產生旋轉磁場，轉子開始轉動產生機械能從而可以驅動車輛前行。因新能源汽車驅動電機的運行特點，其安全性、可靠性的要求非常苛刻，所以驅動電機使用漆包線的性能及質量要求也是特別嚴格，產品具有優(yōu)異的耐電暈性能、耐高溫性能和ATF（自動變速箱油）性能等。

驅動電機所使用的絕緣材料在通電運行時會發(fā)生極化、介質發(fā)熱、擊穿等物理現(xiàn)象，在承受電場作用的同時還要經受住機械和化學等諸多因素的影響，長期工作將會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，所以電器產品的諸多故障往往發(fā)生在絕緣材料部分，而絕緣材料恰恰也是電機中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此絕緣材料需要有良好的介電性能、較高的絕緣電阻、耐壓強度和耐熱性好，不會因長期受熱而引發(fā)材料性能劣化，良好的防潮、防雷電和較高的機械性能還要便于加工等因素。

2.2 新能源油液的性能指標

絕緣失效是引發(fā)電機故障的主要原因，ATF油（自動變速箱油）是一種油冷電機中變速箱油與電機直接接觸，要求電機絕緣材料要有良好的電學性能，熱學性能和最佳的油品兼容性，且各自功能不受限制更不會由于化學或是物理反應，發(fā)生兩者不兼容而產生不利的影響。為更好保持操作系統(tǒng)的順暢性防止變速器、零部件磨損、腐蝕，保證驅動系統(tǒng)降溫且潤滑等功能[5]。

根據(jù)團體標準T/CEEIA 415－2019測試新能源油液材料的兼容性和耐油性，首先把試樣放入測試容器內，將新能源油液和去離子水按比例混合（99.5%∶0.5%）加入測試容器內進行密封[4]，之后將容器放置于高溫箱內按試驗要求（150℃±2）進行可靠性試驗。測試容器采用SUS441不銹鋼，根據(jù)樣品尺寸設計容器大小，測試容器可在-45℃～155℃、250Kpa下進行高低溫耐久試驗，測試容器采用聚四氟乙烯和法蘭按進行密封緊固，防止外泄或外部水分及雜質入侵，更好地為絕緣材料和新能源油液提供了穩(wěn)定可靠密閉的工作環(huán)境，以確保絕緣材料與新能源油液的充分接觸[3]。（表1）

試驗過程主要是通過高溫對油品進行加速老化，油品老化后的酸性就會大大地增加，通過油液老化中分解的酸性物質加速絕緣材料在測試環(huán)境及油液中快速失效，主要考核在溫度環(huán)境以及油品老化分解物質的促進下絕緣材料的分解劣化情況。該測試方法可以快速有效地指導絕緣材料的選定，改善新能源油液的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的密封性，避免因磨損、腐蝕、堵塞等故障，進而可以延長新能源油液的更換頻率和使用成本，提升絕緣材料的安全性和使用壽命，減少對電機的維修頻次，降低運行成本和對環(huán)境的影響，促進新能源汽車綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。（圖6，圖7，圖8，圖9，圖10）

通過模擬電驅系統(tǒng)實際工作高溫環(huán)境，對絕緣材料與新能源油液進行兼容性測試，觀察測試前后絕緣材料性能變化，不僅有助于我們更深入地了解絕緣材料和油品的性能特點，還能為新能源汽車電驅系統(tǒng)的優(yōu)化提供更有力的參考依據(jù)[6]。

3 絕緣材料市場分析

近年來，絕緣材料產品不斷在向耐高壓、耐高溫、耐電暈、高導熱、低電阻和環(huán)保型等方向發(fā)展，行業(yè)內各大企業(yè)也在不斷提升技術水平、產品性能，從而順應下游企業(yè)能夠使用高質量的絕緣材料，更好地滿足各項電氣設備節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展趨勢。

可提升的主要性能指標。

（1）提高PDIV（局部放電起始電壓）：提高漆包線的局部放電起始電壓使漆包線的PDIV值高于電機運行中的過沖電壓，從而降低介電常數(shù)和增加漆膜厚度。

（2）提高耐電暈性能：提高漆包線的耐電暈性能來增加漆膜的壽命，通過延長破壞通道路徑耐電暈層可以作為放電阻擋層，降低局部放電對電漆膜的侵蝕。

（3）兼顧PDIV和耐電暈性：用PI+P（A）耐電暈的涂層+提高漆膜厚度，符合漆膜在銅線導體外涂單層、二層或是三層絕緣漆膜。

驅動電機作為新能源汽車的動力來源其安全性尤為重要，絕緣材料與新能源油液的兼容性對電機的使用壽命以及安全性能至關重要，其兼容性好不僅提升了電機的安全性，而且還能耐高壓、耐高溫、耐腐蝕；反之因絕緣材料與新能源油液不兼容就會導致絕緣失效，電機內部磁場降低引發(fā)電機動力削弱，直接影響整車的穩(wěn)定性和安全性。

從長期來看，環(huán)保政策有利于對絕緣材料行業(yè)進一步的規(guī)范和發(fā)展，為生產經營符合環(huán)保規(guī)范的企業(yè)提供更大的市場空間，推動行業(yè)內各大企業(yè)積極發(fā)展應用新的環(huán)保生產技術。新能源汽車的高速發(fā)展有利地促進驅動電機技術進步，既給絕緣材料行業(yè)帶來重要的發(fā)展機遇，又提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

4 結論

隨著新能源汽車市場的高速發(fā)展，其安全性、穩(wěn)定性也要逐步提升，本文主要對新能源油液及絕緣材料進行測試方法研究。尤其是驅動電機作為核心部件，其內部絕緣材料性能將尤為重要，新能源油液及絕緣材料的安全性對駕乘人員至關重要。此時新能源油液的性能和要求將要逐漸提高，需要同時具備潤滑、散熱以及絕緣功能。新能源油液在工作過程中，與電機內的絕緣材料直接接觸，考慮到兩者之間可能發(fā)生的物理反應及化學反應，需要用新能源油液與絕緣材料的兼容性指標來對其進行評估。

參考文獻：

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