燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻設(shè)計及分析

摘要：介紹了燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻保護原理，分析了絕緣電阻的設(shè)計要點，對于提高燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻設(shè)計水平具有良好的借鑒意義，可以有效提升燃料電池汽車的高壓電安全性能。

關(guān)鍵詞：高壓電;燃料電池系統(tǒng);絕緣電阻

0 引言

我國新能源汽車發(fā)展迅猛，確立了以燃料電池汽車、混合動力汽車和純電動汽車三種車型為三縱，以多能源電力總成、電動汽車驅(qū)動電機、電動汽車動力電池三種共性技術(shù)為三橫的研發(fā)布局。燃料電池汽車作為終極能源解決方案，在發(fā)展過程中遇到了諸多問題，尤其高壓電安全設(shè)計一直是難點，絕緣電阻是考量高壓電安全性的重要指標。因此，燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻設(shè)計顯得尤為重要。

1 絕緣電阻保護原理

對于高壓電而言，其觸電防護直接關(guān)系到人身安全，主要的防護措施包括基本防護和單點失效防護?；痉雷o主要是零部件的防護設(shè)計，通過絕緣、遮攔或外殼設(shè)計，防止人員與帶電部分直接接觸。單點失效防護主要是電位均衡和絕緣電阻防護。對于絕緣電阻防護，標準規(guī)定在高壓系統(tǒng)最大工作電壓下，直流電路的絕緣電阻最小值為100 Ω/V，交流電路的絕緣電阻應(yīng)大于500 Ω/V。為滿足整車對絕緣電阻的要求，根據(jù)高壓部件的數(shù)量，每個組件應(yīng)有更高的絕緣電阻。對于燃料電池汽車，標準規(guī)定組合電路的絕緣電阻至少達到500 Ω/V，如果交流電路中應(yīng)用了附加防護方法來避免單點失效后的觸電事故，則絕緣電阻值可以降低至100 Ω/V。

2 絕緣電阻分析

電堆絕緣電阻模型如圖1所示，其中R1表示正極端板對地的絕緣電阻、R2與R3表示冷卻液對地的絕緣電阻、R4表示負極端板對地的絕緣電阻。R1和R4由高壓母排與框體的爬電距離、絕緣材料決定。導(dǎo)電的雙極板與冷卻液直接導(dǎo)通，冷卻液又經(jīng)過管路、散熱器直接與車身相連，冷卻液的電導(dǎo)率決定了Rp2（R1與R2并聯(lián)后的等效電阻）、Rn2（R3與R4并聯(lián)后的等效電阻）的大小。在冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮將零部件與車身進行隔離，并使用非金屬材料，采用去離子水，增加去離子樹脂來降低冷卻水的電導(dǎo)率，從而提高絕緣電阻值。雙極板直接與冷卻液導(dǎo)通，冷卻液經(jīng)過硅膠管路進入水泵及散熱器，鋁制散熱器安裝在車身上，絕緣電阻會大幅降低，一般要求冷卻液的電導(dǎo)率小于5 μS/cm。實驗表明，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率為1 μS/cm時，系統(tǒng)絕緣電阻在600 kΩ，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率大于5 μS/cm時，絕緣電阻值下降至100 kΩ，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率接近20 μS/cm時，絕緣電阻值為20 kΩ。

分配頭采用非金屬加鋁合金制成，與電堆連接的端板采用鋁合金材料，保證足夠的支撐強度，在鋁合金材料中間內(nèi)嵌的三腔流道，分別對應(yīng)空氣、氫氣、水，冷卻液與塑料分配頭接觸，提高了冷卻回路的絕緣電阻值。在空氣和氫氣管路中，高濕氣體也會對絕緣電阻產(chǎn)生影響，塑料材質(zhì)的分配頭會提高電堆的絕緣性能。溫度對絕緣電阻值也有影響，隨著溫度的升高，絕緣體中的原子、分子活動增加，原來的分子結(jié)構(gòu)變得相對松散，離子不斷增加。帶電的離子在電場作用下產(chǎn)生移動而傳遞電子，絕緣性能下降，絕緣電阻降低。實驗表明，溫度40 ℃時，絕緣電阻大約為600 kΩ，當(dāng)溫度升高到70 ℃，電阻值下降至450 kΩ。

3 冷卻回路與絕緣電阻

燃料電池系統(tǒng)散熱時，冷卻液流經(jīng)雙極板、分配頭、散熱器、水泵等部件。當(dāng)冷卻液的電導(dǎo)率較高時，會通過可導(dǎo)電的零部件直接與車身相連，導(dǎo)致絕緣電阻降低。在設(shè)計中，應(yīng)將冷卻回路與車身進行隔離設(shè)計，通過去離子裝置降低冷卻液的電導(dǎo)率，提高絕緣等級。圖2為燃料電池冷卻系統(tǒng)原理圖，電堆、節(jié)溫器、水泵組成冷卻系統(tǒng)的小循環(huán)，中冷器與去離子器串聯(lián)后與電堆并聯(lián)。當(dāng)溫度升高后，大循環(huán)打開，冷卻液經(jīng)過散熱器、電堆后回到水泵。將冷卻系統(tǒng)總成與車身隔離開，通過在散熱器、中冷器、水泵等可導(dǎo)電部件的安裝點上增加絕緣墊進行隔離。

散熱器、中冷器、水泵都是可導(dǎo)電的零部件，為了驗證其離子釋放情況，分別測試散熱器入水口、散熱器出水口、水泵出水口、中冷器出水口4個位置的離子釋放情況。在沒有去離子器的情況下，注入電導(dǎo)率為0 μS/cm的去離子水，每12 h記錄1次測試結(jié)果。電導(dǎo)率測試結(jié)果（表1）表明，散熱器和中冷器是最大的離子釋放源。

4 電堆防護設(shè)計

燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻取決于零部件的絕緣電阻并聯(lián)后的值，其中關(guān)鍵的因素是電堆。在絕緣設(shè)計中，要考慮電堆與框架之間的絕緣防護、高壓連接部分的絕緣防護。另外，冷卻回路的設(shè)計對系統(tǒng)的絕緣電阻值影響很大，要單獨對冷卻回路進行防護設(shè)計，以提高系統(tǒng)的絕緣電阻值。電堆用固定支架安裝在鋁合金框架內(nèi)，電堆的單片是可導(dǎo)電的，為了提高電堆的絕緣等級，在電堆上增加絕緣防護層。絕緣層在可導(dǎo)電部分與金屬框架之間增加防護，又可以起到密封的作用，防止氫氣泄漏到框架中。電堆底部與框架間隙最小的地方，爬電距離大于40 mm。電堆單片電壓采集需要安裝電壓采樣線，為避免可導(dǎo)電部分外露，在電壓采樣點外部設(shè)計了護板，護板采用PA66材料，通過隔離的方式增加絕緣電阻值，防止高壓部分與框架直接接觸。電堆的正負極端子為鍍金材料的導(dǎo)電柱，導(dǎo)電柱選用塑料外殼的高壓連接器來進行防護，通過高壓線束將電堆的正負極輸出到框架本體的連接器上。連接器防護等級為IP67，高壓導(dǎo)線耐壓等級為AC2 500 V。框架本體連接器正負極之間距離為60 mm，同時在連接器的連接處增加塑料材料的防護套，保證連接器與框架支架的絕緣防護效果。

5 結(jié)語

燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻是決定燃料電池汽車整車絕緣電阻水平的關(guān)鍵因素，根據(jù)《電動汽車安全要求》（GB/T 18384—2001）要求，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)零部件的絕緣電阻值，水、氫氣、空氣端板的設(shè)計，水路的絕緣設(shè)計等，另外整車在線絕緣監(jiān)控裝置可以有效監(jiān)控整車以及燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻水平，通過合理的控制策略，確保整車與人員的安全。

收稿日期：2020-07-01

作者簡介：柯小軍（1982—），男，江蘇人，工程師，研究方向：車輛工程。