800V高压系统对于电机绕组绝缘的挑战

800V应用最核心最苛刻的是什么？电动车自充电220V的交流电通过车载充电机到直流的800V电池，再从电池通过变频器供电给电机，变频器供电采用PWM技术，交流调速系统将直流电转化为交流电，产生了几个问题，一是绝缘的反向电场叠加，另一个是PWM波行波效应，电缆、电机、逆变器阻抗不匹配使反射波加之到电机端，一波还未平息，一波又来侵袭，理论上电机入波电压到2倍的工作电压。同时IGBT及SiC等高开关频率技术的运用，工作频率会达到20KHz及以上，据研究传统的变频和普通的工频，同样的绝缘电机寿命会差10倍。追本溯源，变频器供电电压的稳定性非常核心，有些厂家可以控制到1.5倍有些厂家做到1.2倍，对线材的挑战也会变低，但是我们的目标要将原材料做得更为稳妥，给电机设计的客户带来更大的设计裕度。

可以看到在800V电机采用高压、高频、水冷、油冷，从微观上看电机线材的工作环境犹如水煮油烹，这样一个恶劣的环境里，如何防止局部放电，避免电机寿命的缩短。如何提高线材的耐电晕性能，技术路线来看日本最早偏向提高PDIV指标，本土品牌更多是在耐电晕时间的指标要求，部分厂家提出了两个指标的性能要求。我们对比了PAI耐电晕、PI以及PEEK线这方面性能，温度上升后我们对比了PDIV的衰减情况，PEEK线衰减相对最小。这里是PDIV的峰值数据，三类线的衰减有所不同，表现最好的是PEEK线，耐电晕属性比较低，PI次之。再看下PEEK厚度和PDIV的关系，PDIV值同漆膜厚度成正比，和材料的介电常数呈反比，因此为了提高PDIV，可以增加材料厚度和降低材料的介电常数来实现，日本主流漆包线路线走的是降低介电常数，材料方面PEEK本身有比较低的介电常数，同时厚度层面上，由于工艺不同，可以轻松地实现厚漆膜。而漆包线工艺特点决定了实现厚漆膜需要多道涂覆，因此会产生热老化及机械性能问题。

再从耐电晕的角度看一下这个指标上我们有什么样的发现。通过PAI以及PI加入电晕层，主要成分为无机纳米粒子，由于无机材料介电常数较高，首先伤害的是无机纳米粒子层，从而对绝缘漆包层做到了有效保护，采用无机纳米粒子的耐电晕方案是比较传统也比较成熟的解决方案。下面这张表，我们对比了测试，现在看到实验条件1是国标，实验条件2是我们自己家故意把它的电压升高的，用苛刻测试条件表明，800V架构条件下采用PEEK线可以轻松达到耐电晕的要求。通过这些测试数据，我们可以看到提高耐电晕时间的两种有效方案，一个是提高PDIV值，一个是增加耐电晕层，日本的设计思路主要是采用提高PDIV值，增加PDIV值就好像是我们把安全距离扩大了，好有一比，普通流感原来属于一种温和的形式呼吸传染，变频供电让呼吸变得急促、高压让病毒的剂量加大，两种解决方式，一种方式是增加安全距离，你打不到我。第二个就是戴口罩的方式，你打到我，但是打到的是我的口罩，伤不到我的身体，“打不到”和“打不倒”----这两条思路。

再来看下其他性能，800V直流母线电压经过处理急剧放大，但是不管漆包线方案还是PEEK方案，对于击穿电压来说都是可以满足要求的。这里可以看到击穿电压90度折弯耐压的衰减测试，可以看到PEEK衰减程度，相比漆包线PEEK线的衰减更低，但漆包线方案一样可以达到耐电压这一个指标的要求。我们做了老化4x7天老化测试，PEEK依然是衰减最小的。这里分析了温度上升和BDV的关系，也是可以满足使用要求的。扁线还有两个核心指标，一个是可绕性，一个是附着性。800V电机测试的时候，又提出了不同的挑战，它的折弯半径小，且360度折弯，对折弯的要求更大。我们模拟1、2倍线宽，1倍线宽对线材的折弯性能要求很高，实验可见这三款线上都可以做到1倍线宽，但是BDV衰减各有不同。接下来是清洗测试，通过这个实验我们看到了几个方向。第一，低功率、高功率都可以完成清洗，漆包线在传统应用的清洗环节是非常成熟的，对于PEEK即使是用漆包线的传统方案一样可以去掉，但是需要的时间很长，我们试了30瓦，用了38秒。有些Tier1、电机厂已经开始布局兼容800V、400V架构电机生产的自动化生产线，我们也发现有些客户用的是物理去漆。此次激光发生器用的是红光，绿光的效率更高，但成本更大。我们也做过二氧化碳发生器清洗，一样可以达到效果。我们再看下现在比较苛刻的耐油测试，在这里感谢嘉实多和我们共同完成的测试，按照团标要求的测试，实验过程严格控制水分的控制，PEEK线有很好的表现，完全可以满足我们800V应用的要求。 

散嵌绕组和成型绕组对耐压的要求有什么区别？

散嵌的圆线绕组，由于存在首末匝直接接触的可能，所以导线的绝缘应满足在寿命终点时仍高于运行电压（工频驱动）或过冲电压（IGBT 驱动）。那么在设计的时候，需要考虑的初始击穿电压应高于工作电压的十倍。对于 IGBT 驱动的电机来说，这个工作电压应采用过冲电压。

扁线成型绕组，如目前普遍采用的“发卡式”绕组，同一个槽内的同相多根线间，电流都是同进同出，不存在匝间压降问题，压降主要存在于槽内 2 相之间的电压差（相间电压）以及导体对铁芯之间的电压差（对地电压）。如果槽绝缘和相间绝缘采用绝缘纸等方法进行增强，则漆包扁线可以采用很薄的涂层厚度。没有槽绝缘和相间绝缘（发展趋势）的绕组，相间的绝缘是由双侧导线的漆膜提供的，对地的绝缘则是单侧漆膜，同样的电压条件下优先考虑对地电压的耐受能力。所以在设计时，依据的绝缘能力数据应基于对单侧漆膜的测量结果，假如过冲电压可以控制在额定电压的 1.5 倍，对于 800V 系统，过冲电压为 1200V，则需要扁线单侧漆膜耐压超过 12000V。

1、绝缘老化的 PDIV 和耐电晕

PDIV 和击穿电压的线性关系

对比漆包线击穿电压和 PDIV，有一定的线性关系。膜厚在 0.1mm（双侧）耐电晕漆包圆线，PDIV 值约为 820V，但其击穿电压则高达 12KV，其 220℃老化 2万小时寿命终点的击穿电压高于 1200V。膜厚在 0.13mm 的耐电晕扁线，PDIV值约为 900V，而背靠背的击穿电压高达 14KV。理论上，随着绝缘耐压能力的下降，其 PDIV 值也会相应地下降。当耐 PDIV 值下降到过冲电压以下，局放就会产生，从而出现绝缘加速老化的现象。所以采用高 PDIV 方案时，如何减缓绝缘的老化就变得非常重要。

在取消槽绝缘的情况下，采用高 PDIV 方案时，800V 系统需要单侧 PDIV 达到1200V，按照目前的漆包线材料及制造水平，超厚绝缘的漆包扁线尚有很多难点需要攻克，无法满足这么高的 PDIV 要求，需要在漆包涂层上复合挤塑 PEEK 涂层。

如何保持绝缘能力？

在没有发生局部放电，忽略电老化影响的情况下，绝缘能力的下降主要是由温升决定的。绕组温度越高，绝缘老化速率越大。以 200 级漆包线为例，在 200℃条件下，绝缘能力保持 1/10 初始值的寿命为 20000h，而如果将温度降低 20℃，在 180℃条件下，这个寿命则延长到 100000h，在 160℃条件下，则可以延长到200000h 以上，那么在最初的 20000h 内，绝缘能力只有很小的变化。通过选择比实际使用温度高 1~2 个温度等级的绕组线，可以减少因绝缘老化导致的非预期失效模式，这种方法在传统车用电机上经常被采用。在新能源驱动电机上，“高 PDIV”方案更依赖这种方法。初始 PDIV 值接近绕组过冲电压的电磁线，在老化后将更快出现 PDIV 值低于过冲电压的现象，所以应在预期寿命内尽量避免绝缘的老化。