燃料電池客車高壓絕緣方案對比研究

黃愛軍

（揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225116）

1 燃料電池客車簡介

燃料電池基本原理是電解水的逆反應，即把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極，放出電、熱并生成水［1］。燃料電池客車是在純電動客車技術平臺上集成一臺氫燃料電池發動機和供氫系統而成，增裝的氫燃料電池發動機用于車輛行駛過程中功率和能量的補充［2］。燃料電池技術路線是與純電、混合動力并列的新能源汽車三大技術路線之一，其具有效率高、無污染、噪音低等優點，被認為是新能源汽車的終極環保技術［3］。

2 燃料電池客車高壓絕緣安全要求

高壓電安全是電動客車關鍵特性之一，GB／T18384.3-2015電動汽車安全要求第3部分 （人員觸電防護）［4］要求：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻最小值應大于100Ω／V，交流電路最小值應大于500Ω／V，如果直流和交流的B級（UDC＞60 V，UAC＞30 V）電壓電路可導電地連接在了一起，則必須滿足大于500Ω／V或交流電壓電路采取加強絕緣或附加防護措施后滿足大于100Ω／V。B級電壓防觸電安全原理如圖1所示。

防護原理簡述如下：人體觸電時，對人體產生傷害的是電流 （I），限制觸電電流I不超過安全值即可保證系統電安全。

式中：I——觸電電流；U——系統電壓；R——絕緣電阻；R1——觸電電阻。

GB／T3805-2008安全電壓［5］規定，人體觸電的安全電流是10 mA，交流電流對人體傷害大于直流電流。

圖1 B級電壓防觸電安全原理圖

按式 （1）計算，當系統電壓為直流時，R＞100Ω／V，觸電人體電阻R1＞0，則：IDC=U／（R+R1）＜10 mA，符合安全標準。

當系統電壓為交流時，R＞500Ω／V，觸電人體電阻R1＞0，則：IAC=U／（R+R1）＜2 mA?10 mA，符合安全標準。

3 燃料電池客車高壓絕緣方案研究對比

本文以YBL6818HFCEV燃料電池客車為例，對燃料電池客車幾種高壓絕緣方案進行研究對比，擇優選用，并探討技術改進的方向。

YBL6818HFCEV配置一臺30kW氫燃料電池發動機，采用兩只140片電堆串聯，額定功率下電堆輸出180VDC，系統輸出576VDC。根據電動汽車安全技術要求，YBL6818HFCEV有3種方案進行高壓絕緣適標設計，分別介紹如下。

1）方案1：全車高壓絕緣達到500Ω／V，具體如圖2如示。

燃料電池客車系統中燃料電池、動力電池等電源及儲能裝置屬直流電壓電路，驅動電機、方向助力電機、制動打氣泵電機等屬于交流電壓電路。如果沒有特殊措施，屬于直流和交流的B級電壓電路可導電地連接在了一起，應執行500Ω／V的絕緣標準。

圖2 方案1高壓絕緣示意圖

燃料電池系統由于雙極板材料受工藝限制，目前無法對冷卻水道進行絕緣處理，整個系統的絕緣電阻受冷卻液電導率影響較大。經檢測，280片石墨雙極板30 kW燃料電池系統絕緣阻值最高在400 kΩ左右，穩定運行一般在360 kΩ，并聯上車載其它高壓總成以后，整車絕緣阻值R1在310 kΩ左右，勉強達到整車300 kΩ （整車電壓平臺按600 V計算）要求，冗余量較小，系統穩定性差。

2）方案2：對整車交流電壓電路進行加強絕緣或附加防護后整車達到100Ω／V，具體如圖3如示。

圖3 方案2高壓絕緣示意圖

由于整車交流電壓電路包括電驅動高壓電路，方向助力電機高壓電路及氣制動空壓機高壓電路，布置分散、空間不規則、實施加強絕緣或附加防護難度較大且影響車輛維修接近性，施工及保持難度較大。

3）方案3：將燃料電池與其它高壓電路進行隔離，各隔離區分別滿足絕緣標準，具體如圖4所示。

圖4 方案3高壓絕緣示意圖

由于采用隔離式DCDC，使得電堆部分直流電壓電路與車載其他B級交流電壓不發生可導電連接，則此部分電路按直流標準100Ω／V即可確保安全，另電堆輸出電壓較動力平臺電壓較低 （YBL6818HFCEV為180VDC），按燃料電池系統穩定絕緣電阻360 kΩ （實際測量值）計算：

遠高于標準值100Ω／V。

圖中R1部分為技術成熟可靠的純電動零部件總成，組成系統后實測絕緣阻值約1 800 kΩ左右：

R1=1 800 kΩ ／600 V=3 kΩ／V

遠高于標準值500Ω／V。

由于R1及R2均遠高于標準值，所以系統穩定，安全性高。但是，這種方案也存在以下缺點：①成本高，整車系統需兩套絕緣監測設備，比第1、第2方案增加一倍；②效率低，由于隔離式DCDC效率總體低于非隔離式DCDC，導致系統總體效率偏低；③體積大，由于隔離式DCDC體積比非隔離式DCDC偏大，導致整車布置難度變大。

4 結論及技術展望

對比以上3種方案，優選系統穩定、安全性高的第3方案，且采用隔離方案后，系統的EMC性能也得到較大改善。

隨著技術的不斷發展，近來出現了在雙極板冷卻水道表面及散熱器水道內壁涂絕緣層的技術探索［6］，相信隨著新材料新技術的不斷應用，燃料電池客車高壓絕緣將會出現更可靠、更安全、更易實現也更經濟的方案。