電動汽車驅動電機系統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業發展的重要方向，其規模化發展勢在必行。驅動電機系統是電動汽車實現能量轉換與動力輸出的關鍵，扮演著傳統汽車“智能發動機”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，對驅動電機系統的功率密度、轉矩密度、工作效率、高效區及環境適應性等提出了更高的要求。近年來，驅動電機系統呈現出了高速化、永磁化、集成化及一體化的發展態勢，特別是高速化及集成化對驅動電機系統的測試提出了新的要求和挑戰。另外，隨著電動汽車驅動系統構型的多元化，現有單一測試標準也暴露其局限性與不完全適用性。文章在解析現有國內測試標準及對比國內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，為完善驅動電機系統測試方法及標準提供了支撐，提升了驅動電機系統產品質量，推動了電動汽車整體技術發展。

1　標準體系及國內外標準對比

近年來，國內的科研院所和企業圍繞電動汽車用驅動電機系統及其關鍵技術，進行了測試評價方法和標準的研究和完善。從整車開發需求和驅動電機系統自身特性出發，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，推動了行業技術進步和規范化管理。目前已有7項驅動電機系統相關標準發布，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版正在執行。

表1　驅動電機系統相關標準統計表

相較之下，國外的標準體系和國內有一定區別，以行業規范為主，發布的標準較少，但各個企業內部有更嚴格的標準或方法。歐洲對外發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速區間的最大功率、凈功率及溫升情況。日本的強制性法規與歐洲類似，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《旋轉電機-通用要求》，以滿足新能源汽車驅動電機的測試需求，該標準主要從安全角度出發，規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，該標準對驅動電機系統的輸入輸出特性提出了更多要求，要求提供測試更多的數據，關注系統的效率分布，提高系統在高低溫等環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示出某驅動電機系統按照GB/T 18488.1—2015和GB/T 18488.2—2015測試的電動及饋電狀態下的效率分布，部分展示出該驅動電機系統靜態工作效率分布狀況，基于該效率分布圖可采用擬合法或者統計法計算出系統的靜態高效區百分比。

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

圖1　某驅動電機系統效率分布圖

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《電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法》[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動電機系統。此方法參考了發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。理論溫度加速系數采用163，此時的電機繞組理論溫升為121 K。針對可能出現的高轉速運行，專門設計了2 h的最高轉速額定功率試驗。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速試驗，累計進行402 h。圖2示出可靠性試驗工況。

圖2　某驅動電機系統可靠性試驗工況圖

經大量試驗發現，驅動電機系統在實際經過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示出某驅動電機系統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　某驅動電機系統可靠性試驗前后輸出功率及效率變化曲線圖

因此，在后續驅動電機系統可靠性試驗方法中，宜從以下方面進行優化：

1）試驗工況：在國標GB/T 29307基礎上，參考實際車輛中驅動電機的運行工況，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動系統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，更容易導致產品失效，對驅動電機系統的耐振性能提出了更高的要求。表3示出目前標準規定的隨機振動測試條件。GB/T28046.3—2011主要適用于安裝在傳統汽車上的低壓電器產品，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動電機系統的振動情況，圖4示出某混合動力汽車驅動電機在試驗場實際采集的振動加速后與標準規定的振動條件對比，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動電機系統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規定的隨機振動測試條件匯總表

圖4　GB/T 18488規定與某驅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規定的技術條件及試驗方法沒有明確區分電動汽車中驅動系統的分布構型。有別于傳統汽車中發動機的中央驅動結構，電動汽車不僅有中央驅動結構，并且有典型的分布式驅動結構，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行，但由于其使用環境較中央驅動電機惡劣得多，其耐環境性能將對其安全性及使用可靠性產生極大影響，因此，應在一般性環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境。

3　測試技術新挑戰

如前文所述，高速化及集成化是目前驅動電機系統的重要發展趨勢。

為了提高驅動電機系統的轉矩密度，目前已經有很多驅動電機的最高工作轉速達到了16 000 r/min，極少部分產品的最高工作轉速甚至超過了17 500 r/min，按照IEC的相關要求，產品在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，為了節約車輛內有限的安裝空間及降低能量傳導損耗，越來越多的產品出現了將電機、電機控制器、DC/DC變換器及減速器等集成于一體的產品方案，此種設計也更加符合車輛上的最終使用狀態，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　結論

文章針對當前電動汽車用驅動電機系統測試標準及方法，提出了當前存在的問題與不足，結合當前產品的發展態勢，提出了一些新的測試模式與方法，為產品開發與驗證提供了參考。