电动汽车驱动电机系统标准及测试问题分析

何鹏林 黄炘 孔治国

（中国汽车技术研究中心有限公司）

电动汽车是未来汽车产业发展的重要方向，其规模化发展势在必行。驱动电机系统是电动汽车实现能量转换与动力输出的关键，扮演着传统汽车“智能发动机”的角色，其地位与重要性不言而喻。伴随着电动汽车整车技术的进一步成熟与完善，对驱动电机系统的功率密度、转矩密度、工作效率、高效区及环境适应性等提出了更高的要求。近年来，驱动电机系统呈现出了高速化、永磁化、集成化及一体化的发展态势，特别是高速化及集成化对驱动电机系统的测试提出了新的要求和挑战。另外，随着电动汽车驱动系统构型的多元化，现有单一测试标准也暴露其局限性与不完全适用性。文章在解析现有国内测试标准及对比国内外标准体系的基础上，针对一些普遍存在的典型测试问题进行了分析，并提出一些目前测试技术面临的新挑战，为完善驱动电机系统测试方法及标准提供了支撑，提升了驱动电机系统产品质量，推动了电动汽车整体技术发展。

1　标准体系及国内外标准对比

近年来，国内的科研院所和企业围绕电动汽车用驱动电机系统及其关键技术，进行了测试评价方法和标准的研究和完善。从整车开发需求和驱动电机系统自身特性出发，对其输入输出特性、EMC特性、安全保护、可靠性及耐久性等方面进行了深入研究，制订了多项标准，推动了行业技术进步和规范化管理。目前已有7项驱动电机系统相关标准发布，如表1所示。其中GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015是目前新能源汽车公告准入强制要求的测试标准，替代2006版正在执行。

表1　驱动电机系统相关标准统计表

相较之下，国外的标准体系和国内有一定区别，以行业规范为主，发布的标准较少，但各个企业内部有更严格的标准或方法。欧洲对外发布的强制性电机测试标准有ECE R85电机净功率的测量，要求模拟实车条件测量电机在整个转速区间的最大功率、净功率及温升情况。日本的强制性法规与欧洲类似，也是进行功率和温升的测试，其他方面暂无强制。美国UL针对电动汽车的电机，于2011年更新了UL1004-1《旋转电机-通用要求》，以满足新能源汽车驱动电机的测试需求，该标准主要从安全角度出发，规定了电机的电气安全、性能、温度、机械强度及湿度等测试项目。

表2示出GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015测试项目，与2006标准相比，该标准对驱动电机系统的输入输出特性提出了更多要求，要求提供测试更多的数据，关注系统的效率分布，提高系统在高低温等环境下正常工作的要求，增加随机振动测试，提高对机械强度的要求等[1-2]。图1示出某驱动电机系统按照GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015测试的电动及馈电状态下的效率分布，部分展示出该驱动电机系统静态工作效率分布状况，基于该效率分布图可采用拟合法或者统计法计算出系统的静态高效区百分比。

表2　GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015测试项目明细表

图1　某驱动电机系统效率分布图

2　典型测试问题及分析

2.1　可靠性测试

目前，GB/T18488.1—2015及GB/T 18488.2—2015中引用的可靠性试验方法是GB/T 29307—2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》[3]，该方法是基于绕组绝缘加速老化模型提出的，适用于设计纯电动和混合动力车的驱动电机系统。此方法参考了发动机可靠性试验方法，采用了400 h的截尾试验。采用了比实际加强的工况，运行功率为额定功率的1.2倍。理论温度加速系数采用163，此时的电机绕组理论温升为121 K。针对可能出现的高转速运行，专门设计了2 h的最高转速额定功率试验。测试分成4个阶段进行，分别为额定工作电压试验、最高工作电压试验、最低工作电压试验及最高工作转速试验，累计进行402 h。图2示出可靠性试验工况。

图2　某驱动电机系统可靠性试验工况图

经大量试验发现，驱动电机系统在实际经过402 h可靠性试验后，其温升远未达到121 K，绝缘性能的老化也较为微弱，其他性能指标变化也较小，图3示出某驱动电机系统可靠性试验前后输出功率及效率变化情况，从图3可以看出变化较小。因此，该标准可靠性测试方法加速效果并不理想。

图3　某驱动电机系统可靠性试验前后输出功率及效率变化曲线图

因此，在后续驱动电机系统可靠性试验方法中，宜从以下方面进行优化：

1）试验工况：在国标GB/T 29307基础上，参考实际车辆中驱动电机的运行工况，并在此基础上进行加速，制定合适的试验工况。

2）试验温度：国标GB/T 29307未对试验温度进行详细约束，一般为室温条件下进行，但考虑到温度是可靠性老化的主要应力，可以适当提高试验温度，可选取55，65，80 ℃等典型温度。

3）试验周期：国标GB/T 29307规定的试验周期为402 h，由于其加速老化效果不甚明显，因此可在参考电动汽车整车寿命及驱动系统分解寿命要求的基础上，设计周期更长的可靠性试验，如1 000 h甚至3 000 h等。

2.2　随机振动测试

GB/T 18488.1—2015及 GB/T 18488.2—2015在2006版的基础上增加了随机振动试验，试验条件直接引用了GB/T 28046.3中的相关要求。按照该标准的要求，就乘用车而言，根据不同安装位置，随机振动试验最高频率将达到2 000 Hz，最大加速度将达到96.6 m/s2,每个方向最多将进行22 h振动试验，因此，总体振动条件较为苛刻，更容易导致产品失效，对驱动电机系统的耐振性能提出了更高的要求。表3示出目前标准规定的随机振动测试条件。GB/T28046.3—2011主要适用于安装在传统汽车上的低压电器产品，如ECU、继电器等，GB/T18488—2015直接引用可能和实际承受的振动情况有一定差异。为此，采用了在实际道路上采集振动路谱的方法来研究驱动电机系统的振动情况，图4示出某混合动力汽车驱动电机在试验场实际采集的振动加速后与标准规定的振动条件对比，从图4可以看出，在高频段，实际振动强度比标准规定的更低，二者差异尤为明显。为此，还需要开展针对电动汽车驱动电机系统实际振动条件的研究，使之更符合电动汽车的真实情况。

表3　GB/T 28046.3—2011规定的随机振动测试条件汇总表

图4　GB/T 18488规定与某驱动电机实际采集加速后的振动曲线对比图

2.3　轮毂电机测试

目前GB/T 18488.1—2015及GB/T 18488.2—2015规定的技术条件及试验方法没有明确区分电动汽车中驱动系统的分布构型。有别于传统汽车中发动机的中央驱动结构，电动汽车不仅有中央驱动结构，并且有典型的分布式驱动结构，轮毂电机便是其中的典型代表。对于轮毂电机输入输出性能的考核测试可参考目前标准执行，但由于其使用环境较中央驱动电机恶劣得多，其耐环境性能将对其安全性及使用可靠性产生极大影响，因此，应在一般性环境试验的基础上强化试验条件，增加诸如撞击试验、高低温冲击试验、低温跌落试验及冰水冲击试验等，使之更加符合实际使用环境。

3　测试技术新挑战

如前文所述，高速化及集成化是目前驱动电机系统的重要发展趋势。

为了提高驱动电机系统的转矩密度，目前已经有很多驱动电机的最高工作转速达到了16 000 r/min，极少部分产品的最高工作转速甚至超过了17 500 r/min，按照IEC的相关要求，产品在1.2倍超速后将超过20 000 r/min，因此对目前的测试验证软硬件条件提出了极高要求。

此外，为了节约车辆内有限的安装空间及降低能量传导损耗，越来越多的产品出现了将电机、电机控制器、DC/DC变换器及减速器等集成于一体的产品方案，此种设计也更加符合车辆上的最终使用状态，从而也导致无法将电机及其控制器单独剥离出来而不影响其原始设计，因此原有的测试方式已不能满足。

4　结论

文章针对当前电动汽车用驱动电机系统测试标准及方法，提出了当前存在的问题与不足，结合当前产品的发展态势，提出了一些新的测试模式与方法，为产品开发与验证提供了参考。