關(guān)于絕緣材料及測(cè)試方式的研究

摘 要：隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，采用的電機(jī)、電池等核心部件已進(jìn)入800V平臺(tái)，而電驅(qū)系統(tǒng)作為核心部件正面臨新的挑戰(zhàn)，三電合一驅(qū)動(dòng)總成系列因其高功率高效高安全性，所以電機(jī)內(nèi)部的絕緣材料性能將尤為重要，此時(shí)新能源油液的性能和要求將逐漸提高，需要同時(shí)具備潤(rùn)滑功能、散熱功能以及絕緣功能。新能源油液在工作過(guò)程中，與電機(jī)內(nèi)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(yīng)及化學(xué)反應(yīng)，需要用新能源油液與絕緣材料的兼容性指標(biāo)來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 絕緣材料 測(cè)試

1 關(guān)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(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，采用的電機(jī)、電池等核心部件已進(jìn)入800V平臺(tái)，在800V平臺(tái)下電暈腐蝕出現(xiàn)概率增加，電暈腐蝕會(huì)對(duì)電機(jī)造成重大危害特別是在高頻電壓下尤為嚴(yán)重，電驅(qū)系統(tǒng)作為核心部件，正面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。其中三電合一驅(qū)動(dòng)總成系列，具有高功率、高效、高安全性，集成方導(dǎo)體電機(jī)、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(dá)300kW，總成采用主動(dòng)潤(rùn)滑和油水復(fù)合冷卻技術(shù)，可增強(qiáng)系統(tǒng)在高速階段功率的持續(xù)輸出為整車(chē)提供源源不斷的動(dòng)力，此時(shí)新能源油液的性能和要求將明顯提高，需要同時(shí)具備潤(rùn)滑、散熱以及絕緣功能。

電機(jī)在工作過(guò)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(yīng)及化學(xué)反應(yīng)，需要對(duì)新能源油液和絕緣材料的兼容性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。因電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，絕緣材料可能出現(xiàn)老化、開(kāi)裂及性能劣化等情況，導(dǎo)致絕緣失效引發(fā)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)降低使整車(chē)動(dòng)力下降，甚至因?yàn)榻^緣材料性能下降或者失效出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整車(chē)的穩(wěn)定性和安全性[1]。新能源油液與絕緣材料兼容性測(cè)試，是對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)中的絕緣材料、塑料、橡膠等零部件與油液之間長(zhǎng)期接觸影響的測(cè)試，以確保絕緣材料與各零部件的性能和使用壽命。為進(jìn)一步完善新能源油液在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和行業(yè)的影響力，進(jìn)而開(kāi)發(fā)新能源油液模擬測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)展新能源油液與絕緣材料的兼容性測(cè)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(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，當(dāng)下驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可靠性和高功率密度的重要基礎(chǔ)，是持續(xù)發(fā)展高頻、高壓、高溫內(nèi)油冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)支撐[2]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和絕緣系統(tǒng)是汽車(chē)的“心臟”50%以上的電機(jī)故障是由絕緣失效引起的，導(dǎo)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(dǎo)致的絕緣失效，比如汽車(chē)使用中因劇烈駕駛，頻繁出現(xiàn)電壓超過(guò)臨界值，因電壓超過(guò)絕緣材料所能承受的水平，使通過(guò)電介質(zhì)中的電流劇增，導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生破裂或分解，最終失去絕緣能力。

由此可見(jiàn)，絕緣材料及絕緣系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行壽命，可靠性至關(guān)重要就電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，將會(huì)直接影響車(chē)輛安全駕駛及車(chē)內(nèi)人員的安全。尤其是絕緣材料的技術(shù)性能受油冷技術(shù)發(fā)展的影響，迫使絕緣材料行業(yè)不斷升級(jí)創(chuàng)新，迎接新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈全國(guó)化發(fā)展趨勢(shì)，滿足未來(lái)新能源汽車(chē)發(fā)展的技術(shù)要求[3]。

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)頻繁啟動(dòng)、變速、變矩、機(jī)械震動(dòng)強(qiáng)，此時(shí)就要求絕緣樹(shù)脂在浸漬過(guò)程中具有較高的掛漆量和粘結(jié)強(qiáng)度。較高的掛漆量能夠保障絕緣樹(shù)脂有效填充線圈繞組中，減少絕緣缺陷的同時(shí)繞組還能成為牢固的整體提高可靠性，防止電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于頻繁震動(dòng)導(dǎo)致線圈繞組松動(dòng)散開(kāi)進(jìn)而燒蝕失效[2]。較高的掛漆量通常會(huì)帶來(lái)更高的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提升電機(jī)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(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度逐步提升，耐電暈漆包扁線將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)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(jī)行業(yè)將會(huì)出現(xiàn)圓線引向扁線。（圖3，圖4，圖5）

2 關(guān)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作原理及絕緣材料的重要性

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與絕緣材料的關(guān)系

新能源汽車(chē)電機(jī)的工作原理是將電池電能，供應(yīng)給電機(jī)時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能從而可以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前行。因新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，其安全性、可靠性的要求非?？量蹋则?qū)動(dòng)電機(jī)使用漆包線的性能及質(zhì)量要求也是特別嚴(yán)格，產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐電暈性能、耐高溫性能和ATF（自動(dòng)變速箱油）性能等。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)所使用的絕緣材料在通電運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生極化、介質(zhì)發(fā)熱、擊穿等物理現(xiàn)象，在承受電場(chǎng)作用的同時(shí)還要經(jīng)受住機(jī)械和化學(xué)等諸多因素的影響，長(zhǎng)期工作將會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，所以電器產(chǎn)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(jī)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(qiáng)度和耐熱性好，不會(huì)因長(zhǎng)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(jī)械性能還要便于加工等因素。

2.2 新能源油液的性能指標(biāo)

絕緣失效是引發(fā)電機(jī)故障的主要原因，ATF油（自動(dòng)變速箱油）是一種油冷電機(jī)中變速箱油與電機(jī)直接接觸，要求電機(jī)絕緣材料要有良好的電學(xué)性能，熱學(xué)性能和最佳的油品兼容性，且各自功能不受限制更不會(huì)由于化學(xué)或是物理反應(yīng)，發(fā)生兩者不兼容而產(chǎn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)降溫且潤(rùn)滑等功能[5]。

根據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 415－2019測(cè)試新能源油液材料的兼容性和耐油性，首先把試樣放入測(cè)試容器內(nèi)，將新能源油液和去離子水按比例混合（99.5%∶0.5%）加入測(cè)試容器內(nèi)進(jìn)行密封[4]，之后將容器放置于高溫箱內(nèi)按試驗(yàn)要求（150℃±2）進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。測(cè)試容器采用SUS441不銹鋼，根據(jù)樣品尺寸設(shè)計(jì)容器大小，測(cè)試容器可在-45℃～155℃、250Kpa下進(jìn)行高低溫耐久試驗(yàn)，測(cè)試容器采用聚四氟乙烯和法蘭按進(jìn)行密封緊固，防止外泄或外部水分及雜質(zhì)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(yàn)過(guò)程主要是通過(guò)高溫對(duì)油品進(jìn)行加速老化，油品老化后的酸性就會(huì)大大地增加，通過(guò)油液老化中分解的酸性物質(zhì)加速絕緣材料在測(cè)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(zhì)的促進(jìn)下絕緣材料的分解劣化情況。該測(cè)試方法可以快速有效地指導(dǎo)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(jìn)而可以延長(zhǎng)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(duì)電機(jī)的維修頻次，降低運(yùn)行成本和對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)新能源汽車(chē)綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。（圖6，圖7，圖8，圖9，圖10）

通過(guò)模擬電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)際工作高溫環(huán)境，對(duì)絕緣材料與新能源油液進(jìn)行兼容性測(cè)試，觀察測(cè)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(diǎn)，還能為新能源汽車(chē)電驅(qū)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(chǎng)分析

近年來(lái)，絕緣材料產(chǎn)品不斷在向耐高壓、耐高溫、耐電暈、高導(dǎo)熱、低電阻和環(huán)保型等方向發(fā)展，行業(yè)內(nèi)各大企業(yè)也在不斷提升技術(shù)水平、產(chǎn)品性能，從而順應(yīng)下游企業(yè)能夠使用高質(zhì)量的絕緣材料，更好地滿足各項(xiàng)電氣設(shè)備節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

可提升的主要性能指標(biāo)。

（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(jī)運(yùn)行中的過(guò)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(lái)增加漆膜的壽命，通過(guò)延長(zhǎng)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(duì)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(dǎo)體外涂單層、二層或是三層絕緣漆膜。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源其安全性尤為重要，絕緣材料與新能源油液的兼容性對(duì)電機(jī)的使用壽命以及安全性能至關(guān)重要，其兼容性好不僅提升了電機(jī)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(huì)導(dǎo)致絕緣失效，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)降低引發(fā)電機(jī)動(dòng)力削弱，直接影響整車(chē)的穩(wěn)定性和安全性。

從長(zhǎng)期來(lái)看，環(huán)保政策有利于對(duì)絕緣材料行業(yè)進(jìn)一步的規(guī)范和發(fā)展，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)符合環(huán)保規(guī)范的企業(yè)提供更大的市場(chǎng)空間，推動(dòng)行業(yè)內(nèi)各大企業(yè)積極發(fā)展應(yīng)用新的環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)。新能源汽車(chē)的高速發(fā)展有利地促進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)進(jìn)步，既給絕緣材料行業(yè)帶來(lái)重要的發(fā)展機(jī)遇，又提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)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(duì)新能源油液及絕緣材料進(jìn)行測(cè)試方法研究。尤其是驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為核心部件，其內(nèi)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(duì)駕乘人員至關(guān)重要。此時(shí)新能源油液的性能和要求將要逐漸提高，需要同時(shí)具備潤(rùn)滑、散熱以及絕緣功能。新能源油液在工作過(guò)程中，與電機(jī)內(nèi)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(yīng)及化學(xué)反應(yīng)，需要用新能源油液與絕緣材料的兼容性指標(biāo)來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

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