電動汽車電驅動系統標準體系研究

0 引言

隨著電動汽車行業的快速發展, 電驅動系統行業也有了巨大進步。產品技術水平持續提升、產業發展規模進一步擴大,新材料新工藝不斷涌現,集成化發展趨勢明顯。

由于電動汽車的行駛需求和工作條件的復雜性,傳統電驅動系統性能已經無法滿足電動汽車的使用需要,高電壓、高轉速、高效率的電驅動系統成為電動汽車用電驅動系統的主要特性。為保障電動汽車用電驅動系統的使用性能和安全性能,提升產品的技術水平,我國構建了較為完善的驅動電機標準體系, 在促進電機產品技術改進,加速安全性提升,保障有效測試等方面起到規范和引導的作用。同時隨著產品技術的不斷進步,標準也需要不斷完善更新。

1 電驅動系統結構

電動汽車電驅動系統包括動力輸出的驅動電機、電能變換的功率變換器(逆變器)以及電機控制器,是電動汽車的主要驅動源, 用于實現車輛各種復雜狀況的驅動、加速、減速、倒車等功能。電動汽車驅動電機控制器通常由直流鏈路、 功率電子電路和電子控制單位三部分構成,如圖 1 所示。

圖 1 交流驅動電機驅動系統的結構

電機控制器通過接收通信接口或踏板模擬量輸入以及驅動電機的轉子位置傳感器和冷卻溫度傳感器的輸出信號,和駕駛員操作命令和車輛狀態信息,并經處理后將反饋信息傳遞給功率電子電路, 功率電子電路將電能傳遞給驅動電機,實現驅動電機正常工作,保證驅動電機的可控運行。

2 我國電驅動系統標準體系現狀

現階段我國已經形成較為完善的電動汽車標準體系,包括基礎通用、電動車輛整車、關鍵系統及零部件和接口及設施四大領域 。電驅動系統標準體系是電動汽車標準體系的重要組成部分,屬于關鍵系統及部件。

圖 2 電動汽車電驅動系統標準體系圖

電驅動系統標準體系包含了基礎通用類、 產品規范類、測試方法類等三個方面標準。以上標準的實施從產品、檢測、管理三個維度保證了電驅動產品的質量水平和技術深度。

2.1 基礎通用類標準

基礎通用類標準是對電驅動系統通用的技術要求、故障分類及系統接口等內容的規范,是電驅動系統的基本功能及安全性的保證。

2.1.1 電驅動系統耐電壓特性

現階段, 我國電動乘用車電壓平臺在 300V-500V左右,商用車電壓平臺在 500V-800V ,電驅動系統是高壓電能的直接使用系統, 驅動電機繞組及功率電子電路需要耐受高壓電能的沖擊, 而電壓的瞬時變化和浪涌等現象使得功率部件的耐壓要求遠高于直流母線的額定電壓值, 表 1 為現階段功率部件的耐壓的主流水平。

表 1 電驅動系統功率部件耐壓水平

為保證在驅動電機內部的繞組導線之間、 繞組與機殼、繞組與溫度傳感器的短路現象發生時,電驅動系統不受損傷, 使得驅動電機的耐壓能力能夠滿足電動汽車的使用要求, 國家標準規定了驅動電機和電機控制器的耐壓性, 分別為驅動電機繞組的匝間沖擊耐電壓和工頻耐電壓要求,如表 2 所示,標準中明確規定了不同部位所應耐受的交流電壓的有效值或最高值的計算方法。

表 2 標準對驅動電機系統的耐電壓部位

2.1.2 電驅動系統電安全特性

電驅動系統長期工作于高壓環境下,電安全是系統關注的重點。為防止人員觸電,系統中設置了絕緣電阻,使得即使在發生短路的情況下,仍能保證人身安全。

絕緣電阻是人員與電動汽車高壓電路形成回路時,系統對人體防護的最后保障,絕緣電阻值的確定是在人員安全的基礎上確定的。國家標準對驅動電機和驅動電機控制器進行了絕緣電阻值的規定。

表 3 標準對驅動電機系統絕緣電阻的規定

為保證電驅動系統直流側與交流側之間的負載平衡,電驅動系統中安裝有支撐電容,用于實現電路的濾波和電能的貯存,為保護人身安全,逆變器的支撐電容一般會設置放電電路,以降低直流側電容的電壓。標準中規定,當驅動電機控制器有被動放電要求時,被動放電時間應不大于 5 分鐘,有主動放電要求時,標準中要求應在 3 秒內將直流側電容的電壓下降至 60V 。

2.1.3 電驅動系統故障分類及系統接口

驅動電機需要實現電子信息的通信、 電氣信號的輸入和機械動力的輸出, 以上信息都需要驅動電機系統對外的交流, 而接口的不一致將引起產品的互換性和兼容性問題, QC/T 896-2011 《電動汽車用驅動電機系統接口》為行業提供了電氣接口的通用要求、動力電氣接口的連接方式、 控制信號接口的連接方式等內容的參考。

2011 年發布的 QC/T 893-2011 《電動汽車用驅動電機系統故障分類及判斷》 規定了驅動電機故障模式的確認原則和故障分類, 通過規范性附錄的形式對驅動電機系統故障模式進行了規定, 包括損壞型故障模式、退化型故障模式、松脫型故障模式、失調性故障模式、 堵塞與滲漏性故障模式以及性能衰退或功能失效型故障模式。隨著技術的發展該標準中規定的故障種類已經無法完全覆蓋行業的需求, 電機控制中涉及到的通信類故障以及相應的故障診斷要求都是現階段所需求的。

2.2 產品類標準

電驅動系統產品類標準是在基礎通用標準基礎上,對于產品的特性問題進行規定,是電驅動系統標準體系的主體。隨著電驅動系統集成水平的不斷加深,集成類產品已經作為單獨的產品類型應用于整車上,標準的制定順應行業的發展需求, 電驅動系統產品類標準可分為單體類產品標準和集成類產品標準兩大類。

2.2.1 單體類產品標準

電機單體種類較多, 標準僅針對現階段使用范圍最為廣泛以及技術方向較為明顯的異步驅動電機、永磁同步驅動電機和具有充放電功能的電機控制器進行了規定。

現階段使用最為廣泛的是異步驅動電機和永磁同步驅動電機, 因此專門制定了適用于以上產品的行業標準,為行業提供相應的產品要求。兩項標準分別規定了異步驅動電機區別與其他驅動電機的空載電流容差和堵轉電流容差等內容的要求和相應試驗方法, 永磁同步驅動電機的最大空載反電勢限值、 空載反電勢容差、驅動電機系統空載損耗、永磁體老化退磁等要求和相應試驗方法。

對外放電已經成為電動汽車的一項重要功能,而使用電機控制器實現對外放電是實現放電功能的主要技術路線之一, 為保障具有放電功能的電機控制器使用性能, QC/T 1088-2017 《電動汽車用充放電式電機控制器技術條件》 該標準除了規定控制器的一般要求外,增加了對 V2G 、 V2L 、 V2V 等放電模式電氣性能的規定,為電動汽車放電應用的相關技術方向進行引導、規范。

2.2.2 集成類產品標準

集成化是電驅動重要的發展方向,電驅動系統集成化產品具有體積小、重量輕、成本少等特點,有利于整車性能的提升。針對集成類產品目前發布了 QC/T 1022-2015 《純電動乘用車用減速器總成技術條件》 和 QC/T1086-2017 《電動汽車用增程器技術條件》兩項標準。QC/T 1022-2015 規定了減速器總成的基本參數,同時對減速器的基本要求、 臺架試驗要求以及清潔度等內容提出了指標要求, 并規定了相應的試驗方法;QC/T 1086-2017 適用于由內燃機和發電機及控制器組成的車載式增程器,規定了增程器的外觀、輸出特性、響應特性、環境適應性、電氣安全性、能量轉換率等技術內容,其中對于系統無法統一規定的項目,如環境適應性、系統密封性等,標準中將內燃機和發電機及控制器兩者分別規定,保證了標準的可操作性。

2.3 測試方法類標準

測試方法類標準是技術要求落地的保障, 對于電驅動系統標準提供了通用要求試驗方法、 可靠性試驗方法、電磁兼容( EMC )試驗方法。

2.3.1 可靠性測試

驅動電機系統可靠性是產品開發中關注的重點,國家標準提供了基于試驗臺架的驅動電機系統可靠性試驗方法??煽啃栽囼灠凑镇寗与姍C系統所應用的車輛的類型進行區分,主要分為純電動商用車、純電動乘用車、混合動力汽車三大類,根據不同種類車輛的工作特點, 設置相應的循環工況, 按照標準規定的試驗順序,共計運行時間為 402h 。轉矩符合循環按照圖 3 和表4 進行。

圖 3 電動汽車用驅動電機系統可靠性測試循環示意圖

表 4 電動汽車用驅動電機系統可靠性測試循環參數表

2.3.2 電磁兼容性測試

根據上文分析, 可以發現驅動電機系統包含大量大功率電力電子裝置,相對于其他車輛電氣電子器件,其電磁發射更大,更容易影響車載電子設備、車外附近電子設備和其他道路車輛的正常工作而危及道路的安全性。另外,一旦驅動電機系統的控制部分受到干擾,對車輛駕駛造成影響,進而可能會危及道路的安全性。因此對于驅動電機系統 EMC , 國家標準主要從電動汽車驅動電機系統電磁輻射發射 ( EMI ) 和抗擾度( EMS )兩方面進行要求,用于評價電驅動系統在模擬驅動條件下的電磁兼容性。同時標準中給出了采用雙錐天線測量輻射發射試驗、 采用 BCI 法的發射抗擾度試驗和使用頻率在 1GHz 以上時使用喇叭天線的輻射抗擾度試驗的布置示例。

3 國際標準法規動態

電動汽車用電驅動系統標準是標準化工作的研究重點。國際上, ISO 、 IEC 、日本汽車技術法規以及 ECE 法規對電機及電機控制器標準研究方面開展了大量工作。

3.1 ISO 標準

國 際 標 準 化 組 織 ( International Organization for Standardization, ISO )重視新能源汽車標準的研究,在道路車輛標準化技術委員會( ISO/TC22 )下成立了電動車輛分技術委員會( ISO/TC22/SC37 ),主要對電動汽車整車、動力系統和動力蓄電池包標準(包括整車性能、安全、能耗、操縱性、電池包性能與安全、驅動系統性能與可靠性能等)進行研究。ISO/TC22/SC33 下設 4 個工作組, 其中 WG4 是連接到電驅動系統的系統和部件標準研究工作組, 目前ISO 正在制定 ISO 21782 《電力驅動道路車輛—電驅動部件測試規程》系列標準,主要包括通用要求、驅動電機系統、電機及逆變器、 DC/DC 轉換器性能測試和負載測試等內容。

表 5 ISO 標準最新動態

3.2 IEC 標準

國 際 電 工 委 員 會 ( International Electrotechnical Commission , IEC )是早期開展電驅系統標準制定的組織之一。

IEC/TC 69 是該機構的電動道路車輛和電動工業車輛技術委員會, 主要開展電動車輛基礎設施相關的標準研究工作。IEC 針對電動汽車用電力驅動系統進行了大量工作,制定了 IEC 60349 《電力驅動 軌道和道路車輛用旋轉電機》系列標準,規定了道路車輛使用的除電子變流器供電的交流電動機之外的交流電機、 電力變流器供電的交流電動機、 用損耗總和法來確定變流器供電的交流電動機的總損耗、 電子變流器永磁同步電動機四部分的試驗方法。

3.3 日本汽車技術法規

日本國土交通省 ( Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism , MLIT ) 是日本中央省廳之一,由其負責制定了日本汽車技術法規(安?;鶞剩┦侨毡酒囆袠I所必須遵守的法律法規。

日本汽車技術法規(安?;鶞剩?14-5-1 及 14-5-1-commentary 《電動汽車驅動電機額定輸出功率試驗規程》和 14-5-2 及 14-5-2-commentary 《電動汽車驅動電機最大輸出功率試驗規程》兩項法規,分別規定了電動汽車電機在控制器相連接的條件下額定輸出功率及最大輸出功率的測試方法。

3.4 ECE 法規

聯合國歐洲經濟委員會 ( Economic Commission of Europe , ECE )汽車法規由聯合國世界車輛法規協調論壇( WP.29 )負責起草,制定了多項規范電動汽車國際法規。

其中 ECE R85 Rev1-Amendment5 《用于驅動 M 類和 N 類機動車輛的內燃機凈功率和電驅動系統最大30min 功率測量方法的統一規定》該法規修訂案是在原ECE R85 基礎上進行了補充, 增加了對電力驅動系的要求, 同時在測試凈功率的基礎上增加了對三十分鐘最大功率的測試。

4 結束語

電驅動標準體系是電動汽車標準體系中重要的組成部分, 從電動汽車的使用角度出發對于電驅動系統的安全性、 技術要求、 測試方法等方面做出引導和規范,從標準層面引領電驅動系統整體水平的不斷提升。

本文對我國電動汽車電驅動系統標準體系進行詳細解讀,從基礎通用、產品規范和測試方法三類標準出發,對現行標準中電驅動系統耐電壓特性、電安全特性和部分重要試驗方法的關鍵內容進行標準分析。

從目前的標準體系可以發現, 現階段電驅動系統相關標準多是以單個部件為考核對象, 隨著電驅動系統集成化水平的不斷提升, 集成類產品將逐漸成為市場主流,對于集成產品的測試標準目前仍不夠成熟,因此有必要加強對集成產品測試方法的標準化研究。

本文同時介紹了 ISO 、 IEC 、日本汽車技術法規(安?;鶞剩┮约?ECE 法規等,不同國家以及國際標準法規制定組織的電驅動系統標準法規制修訂動態。其中ISO/TC22/SC33 下的 WG4 連接到電驅動系統的系統和部件標準研究工作組現階段正在制定多項國際標準,而電動汽車用 DC/DC 變換器、電驅動系統可靠性試驗方法等國家標準目前也在同期制修訂過程中, 在學習

借鑒國際先進經驗的同時, 也可以以此為契機加深我國對 ISO 標準的參與力度, 提升我國對于國際標準的影響程度。


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