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用于电动汽车应用中电机绕组可靠性评估的改进老化增强因子
Improved Aging Enhancement Factor for Reliability Assessment of Motor Windings in Electric Vehicle Applications
| 作者 | Yatai Ji · Paolo Giangrande · Weiduo Zhao · Jing Zhang · Pinjia Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 局部放电 热老化增强因子 局部放电起始电压 电动汽车 风险评估 |
语言:
中文摘要
电动汽车应用中使用的逆变器供电电机越来越容易出现局部放电(PD)现象,尤其是在 800 V 动力系统中。因此,准确评估局部放电风险对于确保无局部放电设计和保证可靠性至关重要。IEC 60034 - 18 - 41 中引入了多个增强因子,以考虑影响因素对局部放电活动的影响。然而,准确确定热老化增强因子仍然是一个具有挑战性的问题。本文在三个加速老化温度水平下进行了超过 10 个老化子周期的局部放电起始电压(PDIV)变化测量。然后利用这些数据推导出一般温度条件下局部放电起始电压的变化率,最后基于速率理论和阿伦尼乌斯定律,推导出考虑寿命约束和温度的热老化增强因子。有了这个因子,在设计阶段就可以轻松、准确地考虑热寿命约束来确定局部放电风险,并且本文给出了一个汽车应用案例,以有效说明所推导增强因子的应用。
English Abstract
Inverter-fed electrical machines used in electric vehicle applications are increasingly prone to experiencing partial discharge (PD), particularly in 800 V powertrains. Therefore, a precise assessment of PD risk is crucial for ensuring a PD-free design and guaranteeing reliability. Several enhancement factors are introduced in IEC 60034-18-41 accounting for the effect of influencing factors on PD activities. However, an accurate determination of the thermal aging enhancement factor remains a challenging issue. In this paper, PDIV variations are measured under three accelerated aging temperature levels with more than 10 aging sub-cycles. The data are then used to deduce the changing rate of PDIV at generic temperature conditions and finally, the thermal aging enhancement factor considering lifetime constraints and temperature is derived based on the rate theory and Arrhenius law. With this factor, PD risk could be easily and accurately determined considering thermal lifetime constraints during the design stage, and an automotive study case is presented to effectively illustrate the application of the derived enhancement factor.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对电动汽车电机绕组局部放电(PD)风险评估的研究具有重要的跨领域应用价值。虽然论文聚焦于800V电动汽车动力系统,但其核心技术原理与阳光电源的高压光伏逆变器、储能变流器等产品面临的绝缘可靠性挑战高度相关。
该研究的核心价值在于建立了基于阿伦尼乌斯定律的热老化增强因子精确模型,通过多级加速老化实验量化了温度对局部放电起始电压(PDIV)的影响规律。这对阳光电源1500V甚至更高电压等级的光伏逆变器设计具有直接借鉴意义。当前光伏系统向高电压、高功率密度发展,IGBT模块和变压器绕组的绝缘应力持续增加,局部放电风险已成为制约产品25年全生命周期可靠性的关键因素。
技术应用前景方面,该方法可整合到阳光电源现有的热管理和可靠性设计流程中。通过建立特定绝缘材料在不同温度梯度下的PDIV衰减数据库,能够在设计阶段精确预测产品在沙漠、高原等极端环境下的长期绝缘性能,优化散热设计与绝缘裕度配置,避免过度设计或可靠性不足。
主要挑战在于光伏逆变器的工作模式与电动汽车存在差异:光伏系统经历昼夜温度循环和季节性负载变化,需要针对性地修正加速老化模型参数。此外,IEC 60034-18-41标准主要面向旋转电机,其在静止电力电子设备中的适用性需要验证。建议阳光电源联合高校开展针对性研究,建立光伏逆变器专用的热老化评估体系,将此技术转化为差异化的可靠性竞争优势,特别是在储能系统等要求20年以上运行寿命的应用场景中。