新能源电驱系统标准解读与拓展：防尘防水防接触
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导语：带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE)，反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命，与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列，为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。ISO16750/ISO19453中对此有所定义，但是"标准能否反映整车寿命?","整车寿命与PTCE又是如何等效的?"值得我们探讨。
为了回答导语中的问题，我们分四部分来解读这个话题：
1. 什么是PTCE？
2. ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?
3. 怎么定义PTCE，以等效于整车全寿命要求？
-PTCE考核对象和范围
-产品生命周期和负荷要求
-Coffin-Manson 加速模型
-PTCE加载曲线的定义
4. 展望
1. 什么是PTCE？
带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE)，反映的是动力总成 在生命周期内温度循环条件下的运行寿命 ，与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列（#文章末尾有相关文章的传送门#），为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。
由此可知，EDS必须在整个测试运行期间承受与实际车辆寿命相当的损伤等级。这个所谓的"损伤等级"由两部分来确认：1)生命周期内的温度谱；2)生命周期内的里程数与载荷谱。因此，我们后续的分析都是基于这两个基本量来进行。
2. "ISO16750/ISO19453中关于PTCE的定义能否反映整车寿命?"
ISO16750-4 5.3.2 和ISO19453 5.2.1 中关于带载温度循环耐久(PTCE)的要求类似，均源于IEC 60068-2-14，所不同的是对一个温度循环中持续时间的定义。
本文仅参考ISO19453进行说明， 详细 测试方法如下:
其中，关于温度循环加载曲线定义如下：
其中，关于mode的定义如下 ：
测试通过指标如下 ：
划重点：高温下运行电负荷、典型工况、>30min，33次循环。
那么问题来了：ISO16750/ISO19453 能否覆盖整车的工况和寿命需求？答： 从目前了解信息来看，两标准虽较GB/T 18488有所强化，但是仍不足以表征整车生命周期内温度循环条件下的耐久寿命。具体原因见后续分析。
那么?，"究竟要如何对带载温度循环耐久进行定义，可以等效整车全生命周期呢？"，这就引出下面两个话题。
3. "怎么定义PTCE，以等效于整车全寿命要求?"
在回答这个问题之前，首先对PTCE的目的、范围和对象做下解读。
带载温度循环耐久(PTCE)，顾名思义， 反映的是整车 生命周期 内，在经历 一定次数 的外部 温度变化 后， 子系统及其组件 带载运行中的耐久性能 。因此，从关键词中可以在设计试验之前，要明确两个问题：
1). 从EDS角度，明确PTCE的考核对象和范围
2). 从整车角度，明确产品寿命周期和负荷类型
考核对象和范围
从PTCE的定义可以看出，其模拟的是系统和组件在热-机械应力作用下的老化情况，因此，PTCE的主要考核对象和失效模式如下：
-功率器件和电子器件的焊层和焊点
-电机绕组绝缘层
-电机绕组焊点
-密封圈的粘结层
-轴承的润滑和形变
-油封疲劳老化
-壳体疲劳开裂
-齿轮的焊接
-……（#欢迎留言补充，集思广益#）
生命周期和负荷要求
从整车角度来看，产品的生命周期和负荷要求主要有以下几方面：
? 寿命里程，如15年30万公里
? 主要目标对象及用途：28~35岁上班族，假设每天往返，单程路程1小时
? 路谱信息：工况要求及对应的时间和循环数，据此计算获得总的运行时间，一般为7000~10000h
? 温度谱信息：一般来自整车输入，或者参考标准根据安装位置进行定义，下图为示意说明；
据此，我们可以计算获得产品的"寿命"目标：
→ 设计寿命：15年
→ 运行寿命：2*365*15=10950h
→ 温度循环次数：2*365*15=10950 cycle
→ 存储寿命：24*365*15-10950=120,450h
到此，我们对EDS在全寿命中的服役环境和周期有了初步定义，但是 台架不可能执行全寿命的测试 。因此，为了提高试验效率、降低时间和费用的成本，我们引入适用于温度循环试验的加速模型：?Coffin-Manson模型.
Coffin-Manson 加速模型
计算公式如下：
其中：
? ΔT_Field，指的一个循环中平均的温度差异，一般由整车来定义，本文案例是40℃；
? ΔT_Test，指的是温度谱中最高温度和最低温度的差值，本文案例是80℃-(-40℃)= 120℃；
? C，是CoffinManson系数，由整车厂定义，指的是温度变化的加速度常数，这个常数和失效模式相关；
上述三个参数清楚后，可以获得A_CM值为15.59。根据该数据，结合第3部分获得的寿命相关的温度循环次数：10950，则可以根据下面公式获得加速后的循环数为702次。
循环次数确认了，下面来确认单个循环所需要的时间。
假设温度变化速率为4℃/min，高低温温度保持时间>15min；考虑到零部件条件温度的浸透时间，额外增加15min，因此，总的高低温温度保持时间均为30min，则可以根据下面公式获得单个循环时间为120min。
综上，总的PTCE运行时间为702*120min=1404h。
PTCE加载曲线
根据上述分析，可以得到详细测试循环曲线如下图所示（#请放大查看#）：
其中, II.a 代表被测样件不带载工作，II.c代表被测样件带载工作。
综上，导语中的问题有了答案：
1）ISO16750/ISO19453标准中对带载温度循环耐久的定义不能覆盖整车全寿命；
2）可以依据整车生命周期和负荷要求，通过Coffin-Manson模型对PTCE耐久加速，完成PTCE试验的等效设计。
4. 展望
PTCE试验设计的拓展
上述案例上述案例相对简单，实际PTCE的设计应用中，还需考虑以下几个方面：
a). 水温温度谱：如果考虑水温温度谱，试验应该如何定义？
b). 驾驶模式：本文仅考虑驱动模式(driving)，如果有充电(charging)、驻车(parking)等模式，需要如何考虑？
c). 温度变化速率：一般由整车定义，如若没有可以通过前置试验，这个试验要怎么做？
d). HVDC端电压：可按照一定比例的"最高电压-额定电压-最低电压"进行分配。
PTCE评判标准的定义
标准中对测试pass的评价标准定义就一句话，如下：
这显然是不够的，国外主机厂一般会在leg最后增加关键参数和泄露测试，以验证其机械部件、功能和性能的完整性。那么问题来了，这里面具体是指的哪些测试呢？为什么要做这些测试？留给我们思考。
写在最后：
关于PTCE和HTOE，在现有标准和文献中并没有系统性的表述可供参考，以上内容是根据多方面碎片信息，结合标准和工作经验做的总结，有理解不对或片面的地方，请指正，非常期待能听到大牛们的意见！
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防止与动力电路系统中带电部件直接接触，高电压动力电路系统应满足下列要求（非高电压动力电路系统本标准不做要求）。
a．车辆不得含有暴露的导线、接线端、连接单元。动力电路系统的带电部件，应通过绝缘或使用盖、防护栏、金属网板等来防止直接接触。这些防护装置应牢固可靠，并耐机械冲击。在不使用工具或无意识的情况下，它们不能被打开、分离或移开。
b．在乘客舱及行李箱中，带电部件在任何情况下都应由至少能提供IPXXD防护等级的壳体来防护。
c．发动机舱中的带电部件应设计为只有在有意接近的情况下，才有可能接触到。
d．打开机盖后，与系统连接的部件应具有IPXXB防护等级。
e．车辆其他地方的带电部件，应提供IPXXB防护等级。上述IPXXB和IPXXD防护等级分别是指通过铰接试指、试线与危险部件的接触。
f．车辆标志 动力蓄电池包及容易接触的带电部件的防护罩等应清楚地标注图7-3规定的标志，标志应清晰牢固。高电压配线绝缘层应统一由橙色和／或橙色套管构成。②院止与动力电路系统中外露可导电部件的间接接触，高电压动力电路系统需满足下列要求（非高电压动力电路系统本标准不做要求）
a．所有电气的设计、安装应避免相互摩擦，防止绝缘失效。
b．应通过绝缘的方法来防止间接接触，并且使车载的外露可导电部件电联接在一起，达到电位均衡。
(3)动力电路系统和燃料供给系统
燃油系统设计的安装位置及管路应避开温度较高的热源以及动力电路系统等可能产生电弧的地方，尤其不能在一个密闭的空间内。动力电路系统和燃油供给系统设计的安装位置及线路、管路走向应保证两个系统具有安全距离或保证有效隔离。车辆在各种使用条件下，供油管路与其接头不允许有泄漏。一旦发生燃油泄漏，设计上应保证绝不允许流到动力蓄电池和高电压电路系统。对于使用汽／柴油之外燃料的车辆，燃料供给系统须满足其相应燃料车辆标准的安全要求。
(4)车辆碰撞的特殊要求
除了按照国家强制性标准的规定进行相关的碰撞试验，满足其相关的要求，混合动力汽车按照《混合动力电动汽车安全要求》应满足下列要求。
①乘员保护 进行碰撞试验时应满足下列要求。
a．如果车载储能装置安装在乘客舱的外部，进行碰撞试验中和试验后，动力蓄电池包及其部件（动力蓄电池、蓄电池模块、电解液>不得穿入乘客舱内。
b．如果车载储能装置安装在乘客舱内，车载储能装置的任何移动应确保乘客的安全。
c．进行碰撞试验中和试验后均不能有电解液进入乘客舱。
d．进行碰撞试验中和试验后储能装置不能出现爆炸、着火。
②第三方保护 进行碰撞试验时，动力蓄电池包及其部件（动力蓄电池、蓄电池模块、电解液）或超级电容器等储能装置不能由于碰撞而从车上甩出。
③防止短路 进行碰撞试验时，应防止造成动力电路的短路。
混合动力电动汽车的功能安全要求
(1)启动程序
应通过一个钥匙开关启动车辆。对于需要外接充电的车辆，当车辆与外部电路（例如，电网、外部充电器）连接时，不能通过其自身的驱动系统使车辆移动。防止车辆在钥匙开启状态和换挡器在“行驶”和“倒挡”位置时开动车辆。而且，应提供必要的互锁装置，除非换挡器位置选择在“停车”或“空挡’’，在任何其他位置时控制器都不能向车辆传输移动的最初动力；启动钥匙只有点火开关在“关’’的状态，且换挡装置在“停车’’的状态时才能够拔掉。
(2)行驶和停车
车辆应通过一个明显的信号装置提示驾驶员车辆可以起步行驶，这个信号装置可以是GB/T 4094. 2-2005中规定的“运行准备就绪”信号装置。车辆行驶时产生的氢气要求符合GB/T 18384.1的规定。当车辆处于停车，发动机不工作时，如果车辆仍处于“可行驶”状态，或只通过一个操作动作就可使车辆处于“可行驶’’状态时，则应通过一个信号（声学或光学信号）明显地提醒驾驶员。“可行驶”状态：在这种状态，当踩下加速踏板时，车辆可能行驶。如果车辆装有在紧急情况时（例如，某部件过热）可限制操作的装置，则应通过一个明显的信号通知车辆使用者。当车辆在停车状态以及钥匙开关在“关”位置时，车辆不得自动启动发动机给动力蓄电池充电。需要外部充电的车辆，车辆充电时氢气测量及要求应符合GB/T 18384.1的规定。
(3)手动开关
应配备一个手动开关来断开车载动力电源（例如，动力蓄电池）o当车辆因维修保养或故障，不能确保高压系统绝缘时，该开关能够切断高压动力电路系统。混合动力电动汽车的故障防护要求混合动力汽车非特有的系统和部件出现故障应同内燃车辆一样处理；电气连接件任何不期望的断开都不应导致车辆产生危险。当电流过大时，应使用一个电路保护器、切断装置或熔断器断开动力电路。
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导语：小明看着窗外的暴雨，它来的悄无声息，已经下了足足一天一夜，吹散了沪城的燥热，但并没有吹散小明心头的忧郁，看着楼下刚刚提好的Model 3，心中是五味杂陈。犹豫着是否能开出？能不能涉水？又会不会漏电？室外充电是否安全？回想起销售提到的防护等级IP68，也是一头雾水。
IP防护等级在我们的日常生活中会经常遇到，日常使用的手机，如Mate30Pro、iPhone11等达到IP67及以上的防护等级。那么针对电动汽车，特别是对三合一电驱动系统而言，都叫IP防护等级，又有什么异同呢？ 普通消费者购买电动汽车最优先考虑的问题就是安全问题。 为了保证高压部件不进水、不漏电，高压部件的IP防护等级应该达到什么等级呢？
今天，我们就来聊聊电动汽车防护等级"IPXX"，分三部分解读这个话题 ：
1. IP防护的标准介绍
2. 什么是IPXX？
3. 三合一电驱动系统总成要求，主要解答以下几个问题：
a). 三合一电驱动系统总成的防护等级一般怎么定义？
b). 三合一电驱动总成防护等级IP67&IP6k9k，减速器也需要达到该要求吗？
c). IP试验一般什么时候进行？
d). 防尘防水(P67)和防接触(IPXXB/IPXXD)是否都需要进行测试？
1. IP防护标准介绍
来来来，直奔重点，一张图搞清楚IP防护等级的来龙去脉：
图1 IP防护等级的标准及其引用关系
由此可知，当前针对电动汽车高压部件的IP防护等级，一般参考的是《GB/T 30038-2013 道路车辆 电气电子设备防护等级(IP 代码)》，该标准与《GB/T 4208-2017 外壳防护等级》出处一致，均源于IEC 60529，主要的区别就在于30038中有一些特殊的代码要求(带K,如6K)，且测试方法略有不同。
2. 什么是IPXX?
搞清楚了标准出处，那么所谓的IP代码到底代表着什么含义？一张图来说明这问题：
图2 IP代码含义说明图
其中，
? IP是International Protection的缩写 (refer to ISO20653)
? 第1位特征码代表防尘等级，从0到6K或字母X
? 第2位特征码代表防水等级，从0到9K或字母X
? 附加字母（可选），字母A、B、C、D
? 补充字母（可选），字母M、S
我们一般日常听到最多的是前两个代码,也就是防尘防水等级，如Tesla销售经理告知小明的IP68，有时候也只定义防水等级如IPX7。
一张图说明具体要求（#?以下是标准要求的汇总，方便大家查阅，建议收藏?#）：
图3 IP防护等级具体要求
如果省略前两个特征码，只用附加字母，如IPXXB、IPXXD，这个就是我们常用的接触防护。 实际在国家相关高压电安全标准 （GB/T 18384等）对于接触防护有明确要求：
? 乘员和载货厢中带电零部件的防护等级不应低于 IPXXD；
? 车辆其他部分的防护等级不应低于 IPXXB
下图是接触防护的测试要求示意图：
图4 IPXXB/IPXXD防护要求说明
最后一个可选字母,一般使用的很少，在GB/T 30038中只有两个可选字母： M、S，而在GB/T 4208中有4个可选字母： H、M、S、W。 具体含义可以参见标准。
3. IP等级在电动汽车动力总成中的应用
让我们回到开篇的问题，同时针对IP测试中常见的几个问题进行讨论：
> 三合一电驱动系统总成的防护等级一般怎么定义？
对于三合一电驱动总成，常规要求是IP67，该要求也是上海新能源汽车可以上牌 的?地标要求?，三合一电驱动总成是必须要达到这个标准的。
另一个常用的是IP6K9K,该要求主要是提高了水的温度和压力，具有实际参考意义，一般汽车级高低压接插件都要求达到该防护等级。
> 三合一电驱动总成防护等级IP67&IP6k9k，减速器也需要达到该要求吗？
我们一般所说的三合一电驱动总成是指电机、电机控制器及减速器。电机和电机控制器达到IP67&IP6K9K很好理解，但是减速器一般是达不到该要求的。 主要原因：减速器一般使用的透气阀是?钢球式透气塞?，而电机和电机控制器使用的是?单向膜式通气塞?，前者的价格便宜，且不怕油，而后者贵，且存在被油堵住，无法通气的问题。减速器中是纯机械件，而且透气阀一般布置在比较高的位置，很难进水，即使进一点水是没有关系的。实际上一般减速器透气阀可以达到防护等级IP54，而达不到IP67。
> IP试验一般什么时候进行？
三合一电驱动总成为了保证整个生命周期都可以达到防水防尘的要求，在实际测试中是需要考虑试验的顺序。一般在耐久、振动、化学腐蚀试验后都需要进行IP防护试验，进行IP防护试验以后需要复测绝缘性能以及输出特性。
> 防尘防水(P67)和防接触(IPXXB/IPXXD)是否都需要进行测试？
接触防护等级试验主要是考察的电气部件外壳对于触电的防护。一般是在不便于进行防水防尘测试的设备中进行，如碰撞后整车的高压部件。标准中也有说明，若防尘等级达到4以上时，已可以满足金属线无法进入。也就是说如果部件达到防尘等级6就已经自然满足了IPXXD。
写在最后：
关于电动汽车的安全问题，身边有长辈、朋友问及，想说的是：IP防护等级至关重要，不仅涉及产品安全，更是我们人生安全不得忽视的一个指标；此外，还需要关注系统级的功能要求，如主动放电、高压互锁等，进而又会涉及到多种故障和响应机制的定义。
一句话，判断产品做的是否安全和人性化，需要从系统角度，透过表象挖掘本质。后续我们一起专题来理一理电动汽车的安全性究竟要"看"什么。 感谢你的关注。
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
新能源电驱系统标准解读与拓展:带载温度循环耐久(PTCE)
答：导语：带载温度循环耐久(Power thermal cycle endurance, PTCE)，反映的是动力总成在生命周期内温度循环条件下的运行寿命，与之前写过的高温运行耐久(HTOE)和机械疲劳耐久并列，为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”。ISO16750/ISO19453中对此有所定义，但是"标准能否反映整车寿命?","整车寿命与PTCE...
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