电动汽车用驱动电机系统标准要求及应对措施

智恒阳文彦东赵慧超高巍

（1.长春汽车工业高等专科学校，长春 130013；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

电动汽车用驱动电机系统标准要求及应对措施

智恒阳1文彦东2赵慧超2高巍2

（1.长春汽车工业高等专科学校，长春 130013；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

随着车用驱动电机系统产品研发和生产的不断深入，需要有相应的标准来进行规范和引导。为此，针对车用电机与工业电机在技术上的区别、电机标准体系建设及标准重点内容等方面进行了综合分析，重点说明了标准在外特性、温升、高压安全、碰撞后安全和振动及噪声等方面的要求，并提出了车用驱动电机的开发关键点及相应的技术解决措施，为电动汽车驱动电机设计提供了依据。

1 前言

随着国家能源战略导向、四阶段油耗法规[1]、碳排放积分制[2～6]以及电动汽车补贴政策[7～9]的出台，电动汽车将在未来占据更大市场。电动汽车以混合动力和纯电动汽车为主，混合动力总成除了传统发动机以外还有驱动电机（下称电机），用以联合驱动和制动能量回收，而纯电动汽车唯一的动力驱动装置就是电机[10]，可见，未来电机的地位可与传统发动机持平甚至可能取而代之。

电机作为电动汽车整车动力源，不仅是一个传动件，而且还是一个高压件，车用电机工作电压基本都超过安全电压60 V，有的甚至达到500 V，存在高压安全风险；另外，电机还是一个法规件，每个车用电机都需要做公告试验并备案。因此，电机既是一个动力源、传动部件还是安全件和法规件，在电动汽车中的地位也越来越重要。据发改委的一项调查数据显示，2015年我国主要的12家电机和控制器企业的产能已达到70万套/年，而2016年的电动汽车产销量已达50万辆，我国已成为世界上最大的电动汽车市场。在电动汽车产品大规模进入市场前，相应的法律法规应提前制定，以便规范和引领行业发展。本文将从车用电机与工业电机的区别、电机标准体系及重点标准几个维度进行综合分析，从标准和法规角度给出车用驱动电机的开发关键点及相应的技术解决措施。

2 车用电机与工业电机的区别

我国的电机产品主要应用于工业领域，近十年来才在电动汽车中广泛应用，工业电机与车用电机虽有诸多共通之处，但也存在以下几方面的差异。

a.供电电压：工业电机供电一般取自工业380 V电网，电压相对稳定，而车用电机一般由动力电池组供电，由于驱动功率不断变化，导致供电电压波动范围非常宽。

b.控制方式：工业电机一般采用恒压频比的标量控制，而车用电机多采用磁场定向的闭环矢量控制，具有高性能、高可靠性等特点。

c.工作点：工业电机工作点一般为额定点，控制目标变化缓慢，常规PI控制即可满足要求，而车用电机工作点遍布整个电机外特性区域，控制目标瞬变，控制响应和跟随要求极高。

d.控制特性：工业电机无需精确控制，响应要求低（伺服等高端应用领域除外），而车用电机则需要进行精确控制，对控制精度、控制响应、控制稳度要求很高，还包括低力矩纹波要求，以保证乘员舒适性。

因此，电机系统作为电动汽车的核心部件，应具有功率密度高、调速范围宽、转矩指标高、过载能力强、高效区大等特性，此外，还要求可靠性高、环境适应性强、结构简单、成本低、维护方便、适合批量生产等，这些特性是实现电动汽车各种工作模式的关键，将直接影响车辆的动力性、经济性、环保性和稳定性。从标准体系角度看，工业电机的部分标准也不再适用，车用电机需要新的标准体系作为支撑。

3 驱动电机系统标准体系

全国电动车辆领域的标准化工作由电动车辆分技术委员会（简称电动车辆分标委）负责组织编制，电动车辆分标委直接受国家标准化委员会和工业与信息化部管理和指导，秘书处设在中国汽车技术研究中心，该分标委下设驱动电机工作组，负责车用驱动电机的标准工作，目前已建立了电机的基础类、产品类、通用要求类标准体系架构，如图1所示。

图1 驱动电机标准体系

在驱动电机标准体系中，基础类标准包括接口与互换性、可靠性试验方法、故障分类和判断、系统噪声和电磁兼容性；产品类标准包括永磁同步电机和交流异步电机行业标准，用于统一行业产品的基本规格；通用标准主要是GB/T 18488.1和GB/T 18488.2，该标准被《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》所采用，是电机产品准入公告试验标准。

4 标准重点内容

从电机国家标准角度对车用电机开发重点和解决措施进行说明。首先，标准GB/T 18488.1和GB/T 18488.2规定了整车产品上公告时驱动电机必做的试验项目，其技术条件和试验方法一一对应，主要规定了电机系统的外特性、温升和安全等几方面内容。其次，由于电动汽车所用电机具有高压特性，因此在高压安全方面具有相应的标准，目的是避免高压部件出现故障，保证人身安全。

4.1 外特性

电机的外特性是电机在特定电压和工作温度下的最大工作区域，在整车运行中，电机工作点都应该在外特性的外包络线之内。对于纯电动汽车，电机峰值转矩决定了整车加速性能和爬坡能力，峰值转速和持续功率决定了整车最高车速[11]，电机系统效率决定了整车续驶里程和高压蓄电池的功率容量，因此，电机外特性对整车功能和性能的实现至关重要，也是车用电机必做试验项目之一。

因车用电机工作电压变动范围非常大，在最低电压下，电机仍需要输出峰值功率，而在最高电压下需要保证系统安全工作，不产生过压或过流损坏，因此最高电压和最低电压下的外特性都需要测试。在外特性试验中也需测量电机堵转转矩和持续时间，因长时间堵转可能导致电机过温损坏。另外，电机系统在整车中以转矩和转速控制模式为主，其转速和转矩响应特性对整车功能（如换挡调速和高速巡航等）实现非常重要，因此电机响应特性也在外特性试验中一并测量。

4.2 温升

电机运行时会产生各种损耗，这些损耗将转变成热量而使电机各部件发热，导致温度升高。电机中的某些部件，特别是电机的绝缘材料，只能在一定的温度限值内才能保证可靠工作，为维持电机的合理寿命，需采取冷却措施使电机的热量散发出去，使其在允许的温度下运行。通常绝缘材料热老化的原因是氧化，因氧化能使聚合物链断裂、消耗增塑剂以及聚合物解聚而使绝缘变脆。由于这些过程都是化学反应，遵循化学反应速率定律，可用速率关系将绝缘劣化与时间和温度结合起来，根据阿累尼乌斯方程[12]，提出热老化模型为：

式中，L为绝缘寿命；tN为绝缘的额定温度；t为绝缘实际使用的持续温度；m为常数，对于B级绝缘，m取10，对于F和H级绝缘，m分别取12和14。

电机发热对绝缘寿命的影响非常关键，在额定温度下，持续运行的合理寿命是6～8年。由式（1）可知，对B级、F级和H级绝缘材料，当温度分别每上升10℃、12℃和14℃时，绝缘寿命将缩短1/2。另外，电机发热对某些金属材料性能也有一定影响，如常用的电解铜，当其温度超过220℃时硬度迅速下降，当达到280℃时，硬度几乎只有原来的1/2。含银铜线具有较好的导电特性和力学特性，但工作温度也不能超过300℃。即使工作温度低于150℃，但持续时间长也能造成金属软化，当电机局部温度超过160～170℃时，就需要考虑热变形和热应力的影响。我国电机温升限值标准与IEC 60034—1《旋转电机定额和性能》标准一致，因此标准GB/T 18488中也引用了该标准，温升试验一般是测试在持续工作制下电机内部各零件热平衡情况，即是否超过了温升限值。

4.3 高压安全

相对于传统内燃机汽车而言，电动汽车上一般有高达上百伏的电气系统，超过了直流安全电压范围,所以必须进行合理的设计与防护，以有效保证高压安全。在电动汽车高压电安全标准的制定方面，国际的两大标准化组织ISO、IEC和美国、欧洲、日本都早已开展了相关工作，并相继发布了一些标准。我国的国家标准委员会依据我国现状发布了一系列有关电动汽车安全的国家标准，在高压安全方面应考虑高压安全标识、高压接触防护、绝缘电阻、耐电压、电位平衡、高压放电、漏电保护和碰撞后安全等技术要求。

4.3.1 高压安全标识

高压部件（除高压电线束）所有防触电接触的外壳都必须具备高压标识，并保证在其装配完成后也能够明显看见。对于可拆分的外壳，应分别粘贴高压标识。高压安全标识的设计遵循ISO 3864—1《图形符号.安全色和安全标志.第1部分在工作场所和公共领域中的安全标志》、ISO 3864—2《图形符号.安全色和安全标志.第2部分产品安全标签的设计原理》、ANSI Z535.3—2007《安全符号标准》和ISO 7000《设备用图形符号.注册符号》等标准。依据GB/T 18488.1的规定，在“当心触电”的警告标志旁边还应注明必要的安全操作提示。

4.3.2 高压接触防护

逆变器内部具有直流母线电容，在电容内部电荷没有完全泄放的情况下，接触到电容的高压端子将导致触电，为避免用户或维修人员接触到这些带电的高压部件，一般在设计中采用外壳或罩盖对高压部件进行屏蔽，而外壳和罩盖需要通过螺栓与逆变器壳体相连。在拆卸时，如果直流母线电容具有足够的时间放电，就能够满足高压接触防护的要求，即拆卸高压部件时应采取复杂拆卸的措施。复杂拆卸即是指必须使用工具拆卸逆变器外壳，并采用下列两种方式之一进行拆除：

a.在不使用专用工具的情况下，在拆卸过程中更换不同型号的工具以延长拆卸时间；

b.使用配套的专用工具除去外壳。

其它高压接触防护措施如下：

a.高压互锁：高压互锁就是将高压部件通过一个低压回路连接起来，该互锁回路首尾连接在自动断开装置上，当高压电气回路上任何一个高压防护罩或插接件从回路上断开，就会触发一个低压电信号，高压立即被切断，且高压系统不能再次上电。

b.延迟接触：延迟接触就是通过执行两个独立的操作才能接近带电部件，即第1步操作必须保证可靠切断高压系统，第2步操作时高压部件电压应降低到安全电压范围内。

4.3.3 绝缘电阻

逆变器本身绝缘电阻应大于500 Ω/V，连接到高压系统后，高压系统的绝缘电阻也要大于500 Ω/V。依据标准GB/T 18488.1的规定，逆变器动力端子与外壳、信号端子与外壳、动力端子与信号端子之间的冷态及热态绝缘电阻均应不小于1 MΩ。

4.3.4 耐电压

逆变器应按高压系统最高工作电压进行试验，电压施加时间历时1 min，不应存在绝缘击穿或闪络现象。依据标准GB/T 18488.1的规定，逆变器动力端子与外壳、动力端子与信号端子之间，应能耐受2 000 V的工频试验电压（均方根值），逆变器信号端子与外壳之间应能耐受500 V的工频耐电压试验。逆变器动力端子与外壳、动力端子与信号端子、信号端子与外壳间的工频耐电压试验持续时间为1 min，无击穿，无飞弧现象，漏电流限值应符合产品技术文件规定。对于逆变器信号地与外壳短接的情况，只需进行逆变器动力端子与外壳间的工频耐电压测试。耐压电压测试时，逆变器整机漏电流限值小于10 mA，对内部各零部件的漏电流限值要更严格。

4.3.5 高压放电

在电机系统从高压回路断开后，由于逆变器内部存在储能器件，如直流母线电容等，电机系统内部高压并不会立即消失，而是慢慢下降，在常规维护或售后维修时可能导致高压电击，造成人员伤亡。因此，为避免如上事故，电机系统需同时具备主动放电和被动放电功能，即使主动放电失效，被动放电依然有效，且在规定时间内必须降到安全电压以下，具体要求如下：

a.主动放电：主动放电功能被激活后，电压应在3 s内降到60 VDC以下。

b.被动放电：当动力电池与高压部件断开后，放电电路应在2 min内将电压降到60 VDC以下。此功能必须始终有效，而非被触发后才有效。

4.3.6 漏电监测及保护

在电动汽车中,由于直流高压系统实质上也属于不接地的电气系统,所以也较多地使用对地电压型漏电监测装置进行检测,通过检测动力系统正、负极母线对车身地的电压来判断是否存在绝缘故障。该类装置通过一定的方法改进后，还能够检测出动力系统正、负极母线对车身地的绝缘电阻，即为绝缘电阻监控装置，该装置原理可参考文献[13～16]。在高压回路中安装漏电监测装置,以监测车内直流母线对车身地的绝缘状况。

4.3.7 碰撞后安全

根据标准GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》的要求，电机系统应满足如下安全要求：

a.电能要求：高压母线上的总电能应小于0.2 J；储存在Y电容器里的总电能也应小于0.2 J；

b.物理防护：为了防止直接接触高压带电部位，碰撞后应有IPXXB级别的防护；

c.特殊安全要求：碰撞30 min内不应爆炸、起火。

4.3.8 电机振动

电机的振动不仅影响电机自身的运行安全，而且还会影响周边的结构噪声和环境振动。产生振动的主要原因如下：

a.电机转子的静和动不平衡；

b.磁场产生的径向力和（或）轴向分力；

c.临界转速时由于转子集中质量导致转子弯曲而产生的振动；

d.轴承引起的振动；

e.换向器、电刷装置产生的振动；

f.变频器的谐波，特别是1/2主频导致的振动；

g.同步电机旋转磁场切向力有时产生的扭振。

为保证电机安全运行，控制电机对环境振动和结构噪声的影响，确保电机产品质量，我国颁布了行业标准QC/T 413《汽车电气设备基本技术条件》，该标准规定了汽车电气设备（电机、电器和电子产品）技术要求和试验方法。在扫频振动试验方面，要求产品应能经受X、Y、Z3个方向的振动。根据安装部位，其扫频振动的严酷度等级应符合表1要求。

表1 扫频振动试验严酷度等级

在随机振动方面，要求电机及控制器应经受X、Y、Z3个方向的随机振动试验，若无特殊规定，根据安装部位，电机及控制器随机振动的严酷度限值及试验持续时间应参考标准GB/T 28046.3—2011的规定。电机及控制器通常在不工作及正常安装状态下经受试验，当需要在工作状态下试验时，应在产品技术文件中做出规定。振动试验的检测点一般定为试验夹具与试验台的接合处，当检测点有特别要求时应在产品标准中规定。电机及控制器经振动试验后，零部件应无损坏，紧固件应无松脱现象，应能在额定电压、额定转速、额定功率下正常工作。

4.4 环境适应性

车用电机的使用环境无论是温度范围、湿度范围、盐雾、污染物等都比普通工业电机要恶劣，而且是多种环境叠加在整个使用生命周期内，因此，环境适应性试验是考核电机产品是否能够满足车用工作环境要求的必做试验。国家推荐性标准GB/T 28046《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验》对电气负荷、机械负荷、气候负荷和化学负荷等方面进行了详细规定。标准GB/T 18488也对驱动电机的环境适用性试验进行了规定，包括低温贮存、低温工作、高温贮存、高温工作和湿热试验，这些项目是电机产品公告试验项目，其它的设计验证性试验可以参照标准GB/T 28046执行。

5 结束语

我国新能源汽车经过十几年的发展，在国家政策的引导下进入了一个快速发展期，2016年中国已成为全球最大的新能源汽车产销国，其中自主品牌汽车占据了90%以上的新能源市场，随着销量的爆发式增长，产品质量和安全问题也随之而来，因此，一个行业和产业的稳健发展，不仅需要资金和政策支持，更需要标准和法规体系的支撑。我国电动汽车驱动电机法规虽在耐久性和产品追溯性等方面还有不足，但标准体现相对比较完善，从产品技术条件、标准接口、高压安全和环境适应性方面都提出了全面的约束，能够满足电动汽车对电机产品的要求。

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（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为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

电动汽车 驱动电机 标准

U469.72

A

1000-3703（2017）04-0006-05