劉金鋒 王斯博 徐德才 趙慧超 黃智昊

一種注塑疊層母排內(nèi)部缺陷的檢測方法

劉金鋒 王斯博 徐德才 趙慧超 黃智昊

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

新能源汽車要求電動機(jī)逆變器功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、電磁干擾低，為滿足這一要求，內(nèi)部導(dǎo)電母排通常進(jìn)行母排疊層設(shè)計(jì)，一體化注塑疊層母排具有定位精度高、裝配方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，有較高的使用價值。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，新能源車用疊層母排多采用拼裝模式，采用一體化注塑方式相對較少，主要原因是疊層母排內(nèi)部缺陷難以檢測，為解決該問題，本文提出一種一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測方法。

疊層母排；一體注塑；內(nèi)部缺陷

0 引言

由于新能源汽車用電機(jī)逆變器安裝空間狹小、使用環(huán)境惡劣，通常對其功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊性及電磁兼容性等有較高的要求[1]。疊層母排具有電路雜散電感小、集成度高及電磁兼容性良好等特點(diǎn)，能夠較好地滿足車用逆變器需求，故疊層母排被廣泛應(yīng)用于車用逆變器[2]。通過對目前可見的文獻(xiàn)及行業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對疊層母排的缺陷檢測多集中于外觀缺陷[3-5]，如填充不足、收縮痕、水絲、流痕、熔接線和遲滯現(xiàn)象等，鮮有提及疊層母排內(nèi)部缺陷的檢測方法。由于疊層母排的相鄰母排間距離較近的特點(diǎn)，一旦疊層母排內(nèi)部出現(xiàn)絕緣問題，后果極其嚴(yán)重。本文主要通過對一體化注塑疊層母排工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行原因分析排查，根據(jù)分析產(chǎn)生的原因，調(diào)整生產(chǎn)工藝，制定試驗(yàn)方案，最后順利將產(chǎn)生的缺陷問題解決?；诖顺晒Π咐岢鲆环N一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測思路，以期在產(chǎn)品早期開發(fā)階段排查出一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷，避免不必要的損失，確保產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性。

1 疊層母排優(yōu)勢及實(shí)現(xiàn)形式

1.1 疊層母排優(yōu)勢

疊層母排是由導(dǎo)體層和絕緣層交替疊層排列而成。根據(jù)趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體層的電流集中在母排內(nèi)部相近的兩個平面上[6]，且方向相反，其對外磁場在一定程度上相互抵消，使線路上的雜散電感大幅減小[7]。另外，將導(dǎo)線做成扁平截面，相同截面積下，導(dǎo)線越薄越寬，其寄生電感就越小[8]。除了以上特點(diǎn)外，與傳統(tǒng)電纜相比[9]，疊層母排還具有更好的載流能力和散熱能力、較低的制作成本、裝配簡單且節(jié)省空間、較高的安全性與可靠性等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1.2 疊層母排實(shí)現(xiàn)形式

目前車用逆變器中母排疊層的實(shí)現(xiàn)方式主要有母排套熱縮管方式、母排浸塑方式、母排裹附絕緣膠帶方式、母排與獨(dú)立絕緣支架拼裝方式及母排與絕緣材料一體化注塑成型方式等。其中，母排套熱縮管、母排浸塑、母排裹附絕緣膠帶的方式雖然設(shè)計(jì)比較靈活，無注塑模具成本，工藝相對簡單，但是定位精度差，需人工裝配，不適合大批量自動化生產(chǎn)。另外，母排套熱縮管和母排裹附絕緣膠帶這兩種方式不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅排方案，比如帶有折彎結(jié)構(gòu)的銅排在折彎位置處的絕緣。

母排與獨(dú)立絕緣支架拼裝方式是目前比較常用的方案，適合結(jié)構(gòu)相對簡單的母排疊層設(shè)計(jì)。絕緣支架作為獨(dú)立部件，其成型工藝相對簡單且缺陷較易發(fā)現(xiàn)，絕緣可靠。但是，該拼裝方式需要人工預(yù)合裝；另外，由于母排和絕緣件有一定串動量，定位精度一般，當(dāng)母線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，絕緣件結(jié)構(gòu)可能會非常復(fù)雜或者需要多個絕緣件拼裝組合，除此之外，由于拼裝方式邊緣無法完全封閉，有異物或者凝露水滴進(jìn)入的可能，一旦安全裕量不足，有絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)。

母排與絕緣材料一體化注塑成型方案的定位精度高，裝配方便，雖然母排構(gòu)型非常復(fù)雜，但整體設(shè)計(jì)及成型工藝相對簡單，且母排層疊區(qū)域完全被注塑絕緣材料包覆，能有效防止異物侵入，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。但該方案也有一定缺點(diǎn)，由于整個部件一體成型，且缺陷主要出現(xiàn)在絕緣材料層，無法通過如X光或工業(yè)成像技術(shù)等常規(guī)探測手段檢測，一旦帶缺陷部件裝機(jī)運(yùn)行，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故和召回事件。因此，有必要對一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測方法進(jìn)行研究，進(jìn)而提高產(chǎn)品可 靠性。

2 一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測方法

2.1 常規(guī)檢測

目前，針對一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷進(jìn)行的常規(guī)檢測措施主要有兩種：

1）通過X光或計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查母排的變形情況，進(jìn)而判斷樣件受力支撐點(diǎn)位是否合理。

2）常規(guī)耐電壓試驗(yàn)。該試驗(yàn)的電壓值主要用于考察常規(guī)電氣絕緣設(shè)計(jì)，依據(jù)測試所需絕緣規(guī)格設(shè)定，一般根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

通過上述常規(guī)檢測，一般可以排查出絕緣件內(nèi)部較大的缺陷，但是無法檢測出絕緣件內(nèi)部較小的缺陷，如微裂紋、二次注塑件邊緣形成的熔接線處缺陷等，這些小的缺陷會隨時間進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致母排間絕緣擊穿。針對這種小的缺陷，目前行業(yè)內(nèi)尚無較好的檢測方法。

2.2 耐壓擊穿試驗(yàn)

針對上文常規(guī)檢測無法檢出的小的缺陷，本文提出一種適合一體化注塑疊層母排絕緣件的缺陷檢測思路，即利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對注塑成型后材料進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，通過擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷一體化注塑樣件內(nèi)部是否存在缺陷。其中，注塑材料本身絕緣耐電壓可以通過制作絕緣材料樣件（無缺陷或少缺陷，厚度與母排間絕緣件厚度一致）并檢測其耐電壓獲得，也可將絕緣件物性表中絕緣電壓或者材料供應(yīng)商已經(jīng)進(jìn)行的檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為 參考。

本文提供一種缺陷檢測的基本思路，針對不同樣件缺陷檢測方案的確定，還需要根據(jù)具體樣件特點(diǎn)及產(chǎn)生失效的原理確定是否需要補(bǔ)充其他輔助 試驗(yàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 問題出現(xiàn)

以某款逆變器開發(fā)過程中一體化注塑疊層母排出現(xiàn)開裂問題為例。逆變器在進(jìn)行整機(jī)高溫高濕試驗(yàn)和加減速冷熱沖擊試驗(yàn)中均出現(xiàn)注塑疊層母排開裂現(xiàn)象，損壞樣件如圖1和圖2所示，開裂現(xiàn)象相同，均為負(fù)極母排向外側(cè)有明顯塑性變形，且負(fù)極母排與正極母排之間有明顯的放電燒蝕痕跡。

圖1 開裂件放電燒蝕

圖2 開裂件拆機(jī)

3.2 問題分析

針對注塑疊層母排開裂問題進(jìn)行原因排查，主要從兩個方面著手分析：

1）由于母排先變形導(dǎo)致塑料件開裂，最后造成絕緣失效。

2）由于母排間絕緣先失效，正負(fù)銅排間由于放電作用導(dǎo)致母排變形，因母排變形量較大，最終導(dǎo)致塑料件被撐裂。

根據(jù)上述思路對故障原因進(jìn)行一一排查，排查結(jié)果見表1。

表1 故障原因排查結(jié)果

對表1中可能的故障原因6和7，初步無法實(shí)現(xiàn)排除，所以需開展進(jìn)一步排查工作，具體措施如下：

1）損壞樣件拆解檢查，發(fā)現(xiàn)故障位置一致，均位于夾持定位柱邊緣。

2）故障復(fù)現(xiàn)。取6個全新樣件，進(jìn)行2 500V絕緣檢測，全部通過；之后對6個樣件進(jìn)行模擬高溫高濕試驗(yàn)后，2 500V耐壓復(fù)測，1個樣件絕緣突破，拆解后發(fā)現(xiàn)與損壞樣件擊穿點(diǎn)位置相同。

3）故障復(fù)現(xiàn)。對9件全新件進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，6件內(nèi)部擊穿，具體擊穿電壓值見表2，拆解后發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)與損壞樣件擊穿點(diǎn)位置相似，均位于夾持定位柱邊緣。

說明：因注塑疊層母排正負(fù)母排間最短爬電距離為8mm，進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)時，若疊層母排內(nèi)部無缺陷，當(dāng)電壓升高一定值時，會導(dǎo)致外部爬電距離先失效，若內(nèi)部先失效，則判斷存在缺陷。

4）注塑成型工藝分析。母排定位示意圖如圖3所示，正負(fù)母排間定位柱預(yù)先成型，通過定位柱對正負(fù)母排相對位置定位后進(jìn)行整體注塑，雖然定位柱與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問題，熔接線處可能產(chǎn)生缺陷。

表2 故障復(fù)現(xiàn)耐壓擊穿試驗(yàn)

圖3 母排定位示意圖

綜上所述，確定出現(xiàn)故障的主要原因?yàn)槎ㄎ恢A(yù)先成型，雖與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問題，熔接線處易產(chǎn)生缺陷，由于行業(yè)內(nèi)目前缺乏對疊層母排注塑件內(nèi)部缺陷檢測的有效手段，初期未排查出樣件存在缺陷；次要原因?yàn)楦邷馗邼窦皽囟冉蛔儗?dǎo)致注塑料缺陷擴(kuò)展和材料性能下降。

3.3 改善措施及驗(yàn)證

1）改善措施：取消預(yù)成型定位柱，改為由頂針及模具直接固定正負(fù)銅排，母排改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，然后進(jìn)行一體注塑。

圖4 母排改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖

2）試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）確定注塑材料本身絕緣耐電壓

正負(fù)母排間絕緣件設(shè)計(jì)厚度為1mm，通過材料物性表及材料廠家試驗(yàn)得知，該疊層母排注塑材料（無缺陷或少缺陷）在惡劣環(huán)境下耐壓15kV/mm以上。

（2）改善后樣件耐壓擊穿試驗(yàn)

選取改善后樣件5個，并對其進(jìn)行特殊處理以保證試驗(yàn)?zāi)褪軗舸╇妷合虏粫蛲獠肯扰离姸鴮?dǎo)致?lián)舸╇妷涸囼?yàn)失敗。耐壓擊穿電壓均在20kV以上。

（3）根據(jù)樣件自身特點(diǎn)，制定針對該樣件內(nèi)部的缺陷檢測方案

由于樣件在正常室溫環(huán)境下，表面爬電距離失效電壓約10kV，即使正負(fù)母排間絕緣材料存在缺陷，如果外部爬電距離先失效，可以認(rèn)為該缺陷不會影響樣件絕緣效果。另外，因該失效件在逆變器整機(jī)高溫高濕和冷熱沖擊試驗(yàn)條件下失效，因此增加附加高溫高濕和冷熱沖擊的順序環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)樣件數(shù)量根據(jù)來料質(zhì)量、設(shè)備穩(wěn)定性及工廠環(huán)境等因素綜合確定。

基于以上前提條件，制定樣件內(nèi)部缺陷檢測判斷標(biāo)準(zhǔn)：耐壓擊穿試驗(yàn)中樣件是否內(nèi)部先擊穿，即若樣件外部爬電距離先失效，則樣件合格，若內(nèi)部先擊穿，則樣件存在不可接受缺陷，繼續(xù)進(jìn)行整改。本次試驗(yàn)方案為：選取9個改善后樣件，首先進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測，若樣件全部合格，繼續(xù)對該批次樣件進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，冷熱沖擊試驗(yàn)后再次進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測，若樣件全部合格，最后進(jìn)行高溫高濕環(huán)境試驗(yàn)，高溫高濕試驗(yàn)完成后，再次進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測，若檢測結(jié)果全部合格，則認(rèn)為該批次樣件合格，可以正常供貨。若在整個試驗(yàn)中出現(xiàn)不合格樣件，則需對不合格樣件進(jìn)一步分析，繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整。

本文采用DDJ—50kV電壓擊穿試驗(yàn)儀對9個樣件進(jìn)行試驗(yàn)，耐壓擊穿試驗(yàn)檢測如圖5所示。

圖5 耐壓擊穿試驗(yàn)檢測

將兩個測試夾（電壓輸出端和測試端）分別夾在待測樣品測試端之間。

試驗(yàn)一：擊穿電壓試驗(yàn)

選擇全新樣件，在樣件測試端之間加載測試電壓，從2kV一直加至10kV，觀察樣件在此過程是否出現(xiàn)內(nèi)部擊穿或者外部爬電距離失效現(xiàn)象。其余8個樣品依次重復(fù)該試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為外部爬電或者并未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，全部合格，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)二：冷熱沖擊試驗(yàn)

（1）對試驗(yàn)一中的全部樣件進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，按照GB/T 2423.22《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化》中第7項(xiàng)“試驗(yàn)Na：規(guī)定轉(zhuǎn)換時間的快速溫度變化”的要求進(jìn)行試驗(yàn)。放入冷熱沖擊箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)單個循環(huán)：環(huán)境箱內(nèi)溫度為-40℃，持續(xù)時間10min，升溫至85℃，持續(xù)時間10min，溫度轉(zhuǎn)換時間≤3min。試驗(yàn)循環(huán)：300次。

（2）對冷熱沖擊后的試驗(yàn)樣件，再次進(jìn)行擊穿電壓試驗(yàn)，全部合格，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

試驗(yàn)三：高溫高濕試驗(yàn)

（1）將經(jīng)過試驗(yàn)二后的樣件進(jìn)行高溫高濕試驗(yàn)，因試驗(yàn)設(shè)備不具備在高溫高濕試驗(yàn)的同時加載測試電壓的能力，因此未在高溫高濕試驗(yàn)過程中施加電壓干擾。試驗(yàn)條件：樣件進(jìn)行高溫高濕雙85試驗(yàn)，持續(xù)時間336h。

另外，對改善后樣件重新裝機(jī)進(jìn)行整機(jī)高溫高濕和冷熱沖擊試驗(yàn)復(fù)測，未再出現(xiàn)類似故障。試驗(yàn)結(jié)果證明改善后方案及缺陷檢測方案有效。需要說明，一旦模具、材料、工廠環(huán)境或者生產(chǎn)線長期停產(chǎn)重新組織生產(chǎn)等因素變化時，需按該方案重新進(jìn)行試驗(yàn)檢測。

4 結(jié)論

目前行業(yè)內(nèi)缺乏一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測的標(biāo)準(zhǔn)或方法，針對這一難題，本文提出了一種利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對注塑成型后材料進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，通過擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進(jìn)行對比，從而判斷一體化注塑樣件內(nèi)部是否存在缺陷的方法。本文提供了一種缺陷檢測的思路，在確定具體樣件內(nèi)部缺陷檢測方案時，還需要根據(jù)具體樣件特點(diǎn)及產(chǎn)生失效的原理確定是否需要補(bǔ)充其他輔助試驗(yàn)。

應(yīng)用實(shí)例表明，本文所提逆變器用一體化疊層注塑母排內(nèi)部缺陷檢測方法實(shí)用有效。

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A method for detecting internal defects of injection molded laminated busbar

LIU Jinfeng WANG Sibo XU Decai ZHAO Huichao HUANG Zhihao

(New Energy Vehicle Development, China FAW Group Corporation Limited, Changchun 130011)

In order to meet the requirements of motor inverter for high power density, compact structure and low electromagnetic interference, etc, the internal conductive busbar is usually designed as a laminated busbar. The injection molded laminated busbar has the advantages of high positioning accuracy, convenient assembly and simple structure. It is has high use value. However, in engineering application, laminated busbar for new energy vehicles mostly adopt multi-component assembly mode, and relatively few adopt integrated injection molding mode. One of the main reasons is that the internal defects of the laminated busbar are difficult to detect. To solve the problem, in this paper, a method for detecting internal defects of injection molded laminated busbar is presented.

laminated busbar; integral injection molding; internal defect

2020-11-16

2020-12-11

劉金鋒（1988—），男，安徽亳州人，碩士，工程師，主要從事新能源車電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)工作。