电动汽车驱动电机绝缘故障改善方案

周成显，郭深深，王金鑫，郭昕海

电动汽车驱动电机绝缘故障改善方案

周成显，郭深深，王金鑫，郭昕海

（潍柴新能源商用车有限公司，山东 烟台 265215）

为了解决电动汽车在整车应用层面出现的驱动电机绝缘故障，特别是驱动电机电气盒结构状态易于引发凝露现象。文章首先从电机设计、电机装配和整车应用等层面进行分析，然后对其潜在可能原因进行分析并开展风险评估，通过试验验证对电机绝缘故障的产生与处理进行详细分析，并确定电机绝缘的故障原因所在。通过驱动电机台架密封性测试，验证改善措施的有效性，通过调整驱动电机电气盒透气塞位置，从根本上解决驱动电机工作的凝露现象，确保驱动电机运行良好，解决了纯电动汽车因驱动电机绝缘问题而引发的无法行驶问题。

电动汽车；绝缘故障；凝露现象；密封性测试；驱动电机

驱动电机作为电动汽车的核心部件，能否正常运行至关重要，电机的绝缘问题是驱动电机的主要故障，严重影响驱动电机的正常运行。高压电机在运行中所处的环境较为恶劣，在煤粉、潮湿以及不通风等环境中运行会导致高压电机发热，尤其是处于高温环境中，更是会导致高压电机的绝缘出现老化情况[1]，以上这些因素都会导致电机绝缘性能下降甚至发生故障。调查数据显示，电动汽车驱动电机因各种因素造成的绝缘故障已占到驱动电机各种故障的60％以上，同时相比其他故障，驱动电机绝缘故障对电动汽车影响更严重，甚至引发安全事件的可能性更大且危害更高。

在长期电机运行中，由于受到电气故障、温度、摩擦和机械振动的共同作用以及不同外部环境条件的影响，电机绝缘性能要求对内部绕组、漆包线、绝缘纸等各种方面提出很高的要求，电动汽车使用的永磁同步电机同样如此，及时排查驱动电机的绝缘故障，识别故障现象、分析故障原因，从而从根本上解决绝缘故障。本文对某款电动汽车接线盒有水珠导致绝缘故障为案例，从电机设计、电机装配和整车应用等层面进行分析并制定预防措施，经试验验证措施有效。

1 故障现象

整车高压无法上电现象造成行驶故障，同时电动汽车仪表出现故障提示，即车辆绝缘值低于设置值，经排查锁定为现电机绝缘值不合格，电机外形及接线盒示意图如图1、图2所示。

图1 电机外形

图2 电机接线盒

首先打开电机接线盒，在接线盒盖板、高压线护套上都附着大量水珠，水珠情况如图3和图4所示。水珠造成电机绝缘值下降（低于整车设定值），从而造成整车高压无法上电的问题。

图3 电机接线盒内部

图4 电机接线盒盖板

2 原因分析

根据故障现象从电机设计、电机装配和整车应用等方面，对造成电机绝缘故障的原因进行排查和分析，遵循从外到内，从简单到复杂的逻辑进行，具体过程如下：

1）高压线密封性能：高压线束密封不严导致水汽进入电机高压接线盒内部，进而造成水珠凝集，从现场拆卸的高压线外观以及格兰头密封性来看，U、V、W三相线未出现破损、老化等线束，如图5所示。

图5 三相高压线

2）透气阀密封性：电机透气阀为防水透气膜，凭借透气薄膜极高的透气量实现不断的内外气体交换，从而促使内外气压相等能够起到平衡密闭腔体内外压力的作用，有效防止有害气体积聚[2]。透气阀堵塞或者出现碰撞造成透气阀密封不严，水汽通过透气阀进入电机接线盒造成水珠凝集，从拆卸的透气阀检测，透气阀外观正常，未出现磕碰歪斜的问题，同时经过通气测试，透气阀未出现堵塞的问题，如图6所示。

图6 电机透气阀

3）电机壳体密封性能：电机生产工艺要求电机装配前需对电机壳体、散热水道进行密封测试，确保电机的密封性能。通过对电机生产制造系统（Manufacturing System, MS）进行生产工艺追溯，结果显示，生产记录气密检测正常，同时对电机的密封性能进行整机密封测试，由结果可知气体泄漏量符合技术要求。

4）定子吸潮测试：在高湿度下，电气设备的表面易受潮，一旦出现受潮反应，会大大降低电气设备的表面电阻率，对绝缘电阻数值检测也带来很大的影响[3]。通过电机生产MS进行生产工艺追溯，追溯排查定子生产与电机组装间隔小于48 h，无长时搁置现象。

5）透气阀设置不合理：电机透气阀的作用是保持电机内部与外界气压一致，透气阀隔绝大分子液态水，但无法隔绝水汽，且电机冷热交替，水汽交换。因为透气阀设置在电机接线盒上，所以接线盒壁上冷热交换的大量水汽（热水汽）在外部冷空气冷却下形成凝露，覆着于高压线、盖板等，如图7所示。

图7 高压线表面覆着水珠

6）高压线安全距离设置不合理：高压线安装座与接线盒壁合理的安全距离≥40 mm，现有产品设置偏小，存在风险，如图8所示。

图8 安全距离

3 改进措施及测试

成熟驱动电机内部的温度、摩擦、交变应力、漆包线材料等造成的电机绝缘问题不在本次改进和测试之列[4]，研究主要针对主机厂层面的电机绝缘降低问题，分析其出现问题的原因并提出改进措施，并对其进行测试验证。

3.1 改进措施

由于电机接线盒对应透气塞设置不合理，造成电机接线盒在运行过程中出现凝露现象，从而造成电机绝缘下降和电机绝缘故障问题，具体失效原因及改进措施如表1所示。

表1 失效原因及改进措施

序号失效原因改进措施 图示 1接线盒易水汽凝结：电机空气经过接线盒透气阀排气，故易在接线盒凝露透气阀从接线盒处调整到电机端盖处 2因接线盒与电机腔体相通，故电机腔体空气集中于接线盒三相出线采用密封环实现接线盒与电机腔体完全密封[5] 3线束端子安全距离H较小接线盒取消透气阀，并增加其安全距离，即IPT线束端子后移20 mm

注：IPT：集成式贯通连接器（Integrated Pass Through connector）。

3.2 绝缘测试（凝露测试）

3.2.1测试条件

在环境仓内进行试验时连接匹配线缆和控制器，其中母线电压为540 V，电机冷却液入口温度为65 ℃，流量为20 L/min，电机通冷水进行冷却，保持电机和控制器共地。试验中先进行高湿载荷，然后进行低温载荷[6]。

环境仓要求：湿度稳定在90%～95%，温度稳定在（10±2）℃；电机运行要求：1）峰值转矩运行30 s之后，按额定功率/0.9峰值转速运行，绕组温度稳定在（130±2）℃运行1 h；电机停机持续9 h并关闭冷却水。按照上述要求循环2次，总时间为20 h。2）峰值转矩运行30 s之后按额定功率/0.9峰值转速运行，绕组运行2 h，且温度稳定在（130±2）℃；电机停机8 h，并关闭冷却水。按照上述要求，循环2次，总时间为20 h。

3.2.2高湿载荷和低温载荷测试结果

凝露试验方案通过且测量最小绝缘阻值为0.2 GΩ，远大于标准要求1 GΩ。试验过程与结束后的绝缘阻值测量数据如表2、表3所示。

表2 绝缘阻值试验数据 单位：GΩ

序号运行前绝缘阻值运行后绝缘阻值 U相V相W相U相V相W相 循环111.011.011.0 循环22.92.72.710.911.011.0 循环32.12.02.05.45.55.2 循环41.61.61.64.64.74.9 循环50.60.60.61.11.11.1 循环62.42.52.60.20.20.2 循环72.92.92.70.91.01.0 小循环83.73.53.30.50.50.6

表3 试验结束后绝缘阻值数据 单位：GΩ

测量工况 相线 U相V相W相 拆盖前2.42.42.3 拆盖后0.80.70.6 螺钉拆除后的IPT线束端子0.53.03.6 螺钉拆除后11.011.011.0

3.3 气密性测试

根据整机气密要求测量电机气密，其试验结果符合要求，如图9所示。

图9 气密性测试

4 结论

本案例是由于电机透气阀设置位置和安全距离不合理，导致电机接线盒出现凝露现象，进而造成电机出现绝缘故障。针对驱动电机绝缘故障的问题，从电机设计、电机装配和整车应用等方面进行分析，同时从故障入手分析电机绝缘故障原因所在，彻底解决驱动电机在整车使用环节的绝缘问题。

[1] 程习亮,王玉柱,齐顺.高压电机绝缘低问题的解决方案[J].科学技术创新,2019(29):174-175.

[2] 高素欣,罗玉淋,言艳毛.电机控制器用防水透气阀的计算及选型方法[J].客车技术与研究,2016(6):37-38.

[3] 李康民,苏竹青,张明明.高湿度下机车车辆绝缘性能测试方法研究[J].电子测试,2022(11):100-102.

[4] 王湄.变频电机用漆包线耐电晕电､热老化性能的分析研究[J].电子制作,2017(18):57-58.

[5] 付平,丁忠军,宿晓峰,等.用Workbench对深海电机密封圈进行有限元分析[J].橡胶工业,2019,66(4):290- 291.

[6] 王鹏,陈逸雯.变频电机绝缘失效机理及测试技术研究现状[J].大电机技术,2021(3):1-13.

The Insulation Fault Improvement Scheme of Electric Vehicle Drive Motor

ZHOU Chengxian, GUO Shenshen, WANG Jinxin, GUO Xinhai

( Weichai New Energy Commercial Vehicle Company Limited, Yantai 265215, China )

In order to solve the insulation failure of the drive motor in the application of electric vehicle, the structure of the drive motor electrical box is easy to cause condensation phenomenon.This paper first analyzes the motor design, motor assembly and vehicle application, and then analyzes the potential possible causes and carries out risk assessment.Through test verification, the generation and treatment of motor insulation failure are analyzed in detail, and the cause of motor insulation failure is determined. Through the tightness test of the drive motor bench, the effectiveness of the improvement measures is verified.By adjusting the position of the ventilation plug of the drive motor electrical box, the condensation phenomenon of the drive motor is fundamentally solved to ensure the good operation of the drive motor, and the problem that the pure electric vehicle could not run due to the insulation problem of the drive motor is solved.

Electric vehicle; Insulation fault; Condensation phenomenon;Tightness test;Drive motor

U469.3

A

1671-7988(2023)12-18-04

周成显（1979－），男，工程师，研究方向为新能源汽车驱动系统集成开发，E-mail:10538997876@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.004