燃料電池系統(tǒng)冷卻回路絕緣電阻設(shè)計(jì)及分析

李紅信，王 忠，朱平平

燃料電池系統(tǒng)冷卻回路絕緣電阻設(shè)計(jì)及分析

李紅信，王 忠，朱平平

（雄川氫能科技（廣州）有限責(zé)任公司，廣東廣州 510700）

在燃料電池冷卻系統(tǒng)中，冷卻液直接與高壓電接觸，為保證高壓安全，必須確保冷卻系統(tǒng)具備高絕緣阻值。文章針對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)，分析了燃料電池冷卻系統(tǒng)可能存在的漏電部件，旨在提升燃料電池冷卻系統(tǒng)的絕緣性能。通過對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)中的中冷器與板式換熱器設(shè)計(jì)絕緣保護(hù)，有效降低了冷卻系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險(xiǎn)，較好地提升了燃料電池系統(tǒng)的高壓安全性能，為今后燃料電池冷卻回路設(shè)計(jì)提供參考，更好地保護(hù)人身安全。

絕緣電阻；燃料電池；高壓電；用電安全

隨著中國新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展，目前中國已確定純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫燃料電池汽車這三個(gè)發(fā)展方向，以逐步降低石化燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的市場占有率，達(dá)到碳中和目標(biāo)。氫燃料電池系統(tǒng)作為近年發(fā)展起來的新能源行業(yè)，在研發(fā)過程中遇到了非常多的問題，尤其是高壓電安全設(shè)計(jì)方面，燃料電池絕緣性能一直是高壓電安全的重要性能指標(biāo)，所以對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)非常重要[1]。根據(jù)國家電工手冊(cè)，高壓電的危害程度會(huì)危害到人員生命安全，所以必須對(duì)高壓電加以防護(hù)，其主要防護(hù)措施有兩類：基本防護(hù)與單點(diǎn)失效防護(hù)。基本防護(hù)主要是針對(duì)零部件，采取絕緣遮攔或外殼保護(hù)設(shè)計(jì)，將高壓與人員進(jìn)行物理隔離，防止人員與帶電部位接觸。單點(diǎn)失效防護(hù)主要是等電位均衡與絕緣阻值保護(hù)。對(duì)于絕緣電阻保護(hù)，《電動(dòng)汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)》（GB/T 18384.3－2015）對(duì)最小瞬間絕緣電阻做了明確定義：在最大工作電壓（直流1 000 V或交流660 V）下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100 Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500 Ω/V。如果需滿足燃料電池絕緣電阻要求，需要為其絕緣阻值設(shè)定為準(zhǔn)確的參考指標(biāo)，燃料電池電壓范圍為450～750 V，按最大直流工作電壓1 000 V計(jì)算，高壓電路部分的絕緣阻值必須大于100 kΩ[2-3]。

1 燃料電池冷卻系統(tǒng)工作原理

燃料電池冷卻系統(tǒng)原理如圖1所示，其控制原理為：1）通過水泵轉(zhuǎn)速控制冷卻液流量；2）通過風(fēng)扇控制電堆進(jìn)出口冷卻液溫度；3）節(jié)溫器控制冷卻系統(tǒng)大、小循環(huán)。

當(dāng)注入冷卻液后，冷卻液流經(jīng)通路主要為高壓水泵、散熱器、節(jié)溫器、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）制熱系統(tǒng)、過濾器、電堆、中冷器、板式換熱器，而其中金屬件為中冷器與板式換熱器，高壓水泵，散熱器、節(jié)溫器、PTC、過濾器、燃料電池電堆內(nèi)部已作絕緣處理，冷卻液通路對(duì)地絕緣阻值能達(dá)到要求，但中冷器與板式換熱器內(nèi)部并未做絕緣處理，絕緣阻值并不能達(dá)到高壓電防護(hù)要求。另外對(duì)于冷卻液，必須采用去離子水，通過增加去離子樹脂來降低水的電導(dǎo)率，從而提高燃料電池冷卻系統(tǒng)的絕緣電阻值。電堆雙極板直接與冷卻液導(dǎo)通，同時(shí)冷卻液經(jīng)過食品級(jí)硅膠管路進(jìn)入了高壓水泵及外散熱器，另外還需對(duì)中冷器與板式換熱器進(jìn)行熱交換，但因中冷器與板式散熱器直接安裝在電堆上，導(dǎo)致其絕緣電阻值大幅降低。技術(shù)指標(biāo)規(guī)定冷卻液的電導(dǎo)率低于5 μS/cm。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率為1 μS/cm時(shí)，系統(tǒng)絕緣阻值會(huì)大于600 kΩ，但如果當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率升高至5 μS/cm時(shí)，系統(tǒng)絕緣阻值會(huì)下降到100 kΩ水平，如果冷卻液電導(dǎo)率再次升高至20 μS/cm時(shí)，系統(tǒng)絕緣阻值會(huì)降為20 kΩ，遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的100 kΩ，會(huì)危及人身安全[4-5]。

2 燃料電池絕緣電阻測(cè)量理論

絕緣監(jiān)測(cè)工作原理主要包括電流傳感法、對(duì)稱電壓測(cè)量法、橋式電阻法、低頻信號(hào)注入法等，其中低頻信號(hào)注入法應(yīng)用最為廣泛。脈沖注入式測(cè)絕緣阻值原理如圖2所示。

圖2 絕緣電阻測(cè)量原理

絕緣監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的低頻方波脈沖信號(hào)，幅值為±15 V。在燃料電池系統(tǒng)直流母線與汽車底盤（大地）之間注入脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過限流電阻串x、采樣電阻s與待測(cè)正極對(duì)地絕緣電阻iso+、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻iso-構(gòu)成回路。利用s上的實(shí)時(shí)采樣信號(hào)，通過微控制單元（Microcontroller Unit, MCU）算法即可得到待測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車底盤（大地）的絕緣電阻值iso+、iso-、iso。絕緣電阻有兩種輸出方式：一種輸出正極和負(fù)極分別對(duì)地絕緣電阻值iso+和iso-；一種輸出正極、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值iso。兩種絕緣電阻輸出方式，如圖3、圖4所示。

iso+和iso-，分別指電池組正極BUS+對(duì)汽車底盤（大地）和電池組負(fù)極BUS-對(duì)汽車底盤（大地）的絕緣電阻值，方便區(qū)分正、負(fù)極對(duì)地絕緣故障。正、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值iso指所有絕緣電阻的并聯(lián)值，其故障接地位置通過電壓1和2表示：1為電池組正極BUS+對(duì)接地點(diǎn)的電壓，2為接地點(diǎn)對(duì)電池組負(fù)極BUS-的電壓，1+2為電池組直流電壓值DC。用戶可以通過讀取1的數(shù)據(jù)，方便查找確定電池組內(nèi)部的絕緣故障點(diǎn)位置[6]。

圖3 正極和負(fù)極分別對(duì)地絕緣阻值

圖4 正極和負(fù)極對(duì)地絕緣并聯(lián)阻值

3 提升絕緣阻值臨時(shí)設(shè)計(jì)策略

目前我司生產(chǎn)的燃料電池系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在試裝完成后，在注入冷卻液后進(jìn)行測(cè)試過程中，絕緣電阻測(cè)試儀通過控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線向上位機(jī)報(bào)絕緣阻值過低故障碼，絕緣阻值僅25 kΩ，遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的100 kΩ。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是中冷器與板式換熱器在注入了冷卻液后，直流母線絕緣阻值過低導(dǎo)致，因中冷器與板式換熱器直接通過M6×16的螺栓安裝于電堆外箱體之上，之間并未做任何絕緣處理，中冷器與板式換熱器安裝示意如圖5、圖6所示。

圖5 中冷器安裝示意圖

圖6 板式換熱器安裝示意圖

對(duì)中冷器與板式換熱器單獨(dú)用絕緣表測(cè)對(duì)地絕緣阻，會(huì)發(fā)現(xiàn)阻值非常低，遠(yuǎn)低于國家安全標(biāo)準(zhǔn)值。而根據(jù)冷卻系統(tǒng)原理圖，中冷器與板式換熱器均會(huì)流過冷卻液，為提升中冷器與板式換熱器的絕緣阻值，就必須對(duì)此兩個(gè)件的安裝部位進(jìn)行絕緣處理，臨時(shí)的處理策略是加裝隔離墊片，墊片材料選用聚酰胺（Polyamide, PA），PA具有良好的綜合性能，包括力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)藥品性和自潤滑性，且摩擦系數(shù)低，阻燃。尼龍墊片設(shè)計(jì)圖紙如圖7所示。中冷器與板式換熱器加裝尼龍墊片安裝示意圖，如圖8、圖9所示。

圖8 中冷器加裝尼龍墊片示意圖

圖9 板式換熱器加裝尼龍墊片示意圖

中冷器與板式換熱器經(jīng)過加裝尼龍墊片作絕緣處理后，再次用絕緣表測(cè)量板式換熱器與中冷器的對(duì)地絕緣阻值分別為5.2 MΩ與4.6 MΩ，絕緣阻值有大幅提升。中冷器與板式換熱器絕緣阻值如圖10、圖11所示。

圖10 中冷器絕緣阻值

圖11 板式換熱器絕緣阻值

圖12 燃料電池在線絕緣阻值

實(shí)施臨時(shí)設(shè)計(jì)策略后，對(duì)于燃料電池加注冷卻液，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池直流母線絕緣阻值可過到2 000 kΩ以上，可以有效解決冷卻系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險(xiǎn)。

4 提升絕緣阻值優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

以上加裝尼龍墊片，只是臨時(shí)應(yīng)對(duì)策略，類似的臨時(shí)應(yīng)對(duì)策略還可以采用塑料螺母代替金屬螺母等，但此兩類臨時(shí)策略的耐久性和可靠性缺乏驗(yàn)證，所以必須制定優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，優(yōu)化設(shè)計(jì)策略考慮單獨(dú)開發(fā)支撐墊片，支撐墊片為硬質(zhì)塑料件，材質(zhì)可選用聚四氟乙烯（特氟龍：代號(hào)PTFE），其具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性。板式換熱器支撐墊片設(shè)計(jì)示意圖及設(shè)計(jì)尺寸如圖13、圖14所示。中冷器支撐墊片設(shè)計(jì)示意圖及設(shè)計(jì)尺寸如圖15、圖16所示。

實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)策略后，再次給燃料電池注入冷卻液后，由在線絕緣監(jiān)測(cè)儀（GYID-10M36 CANK）對(duì)燃料電池直流母線電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖17所示。

圖14 板式換熱器支撐墊片設(shè)計(jì)尺寸圖

圖15 中冷器支撐墊片安裝示意圖

圖16 中冷器支撐墊片設(shè)計(jì)尺寸圖

實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)策略后，對(duì)于燃料電池加注冷卻液，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池直流母線絕緣阻值可達(dá)到4 400 kΩ以上，同樣可以有效解決冷卻系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險(xiǎn)。

圖17 燃料電池在線絕緣阻值

5 結(jié)論

采取臨時(shí)設(shè)計(jì)策略后，中冷器與板式換熱器對(duì)地絕緣阻值暫時(shí)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以有效解決冷卻系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險(xiǎn)，但僅滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試要求，其穩(wěn)定性及可靠性難以保證，所以必須采用設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，可以一勞永逸地解決燃料電池冷卻系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險(xiǎn)問題。

[1] 趙英汝.燃料電池:事實(shí)與數(shù)據(jù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2021:188-190.

[2] 左力.某型號(hào)氫燃料電池電堆絕緣電阻的理論淺析與試驗(yàn)研究[J].上海汽車,2022(8):4-8.

[3] 宋芳,張宇鵬,梁士福,等.電動(dòng)汽車高壓安全技術(shù)綜述[J].汽車文摘,2022(12):14-21.

[4] 趙狐龍.燃料電池汽車電堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].汽車制造業(yè),2021(3):17-18.

[5] 張少鵬,韋瑾,申彤,等.車用燃料電池冷卻系統(tǒng)電導(dǎo)率分析[J].北京汽車,2021(2):19-21.

[6] 黃雨龍,陳振斌,崔相雨,等.電阻絕緣檢測(cè)中低壓脈沖信號(hào)注入法的算法改進(jìn)[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,38(1):13-19.

Design and Analysis of Insulation Resistance of Cooling Circuit of Fuel Cell System

LI Hongxin, WANG Zhong, ZHU Pingping

( Xiongchuan Hydrogen Technology (Guangzhou) Company Limited, Guangzhou 510700, China )

In a fuel cell cooling system, the coolant is in direct contact with high-voltage electricity. To ensure high-voltage safety, it is necessary to ensure that the cooling system has a high insulation resistance value. This article analyzes the possible leakage components in the fuel cell cooling system in order to improve the insulation performance of the fuel electric cooling system. By designing insulation protection for the intercooler and plate heat exchanger in the fuel cell cooling system, the possibility of leakage in the cooling system is eliminated, and the high-voltage safety performance of the fuel cell system is well improved, providing a reference for future fuel cell cooling circuit design, better protect personal safety.

Insulation resistance; Fuel cell; High-voltage; Power safety

U469.7；TM911

A

1671-7988(2023)21-12-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.003

李紅信（1990－），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槿剂想姵仉姸选⑷剂想姵叵到y(tǒng)及燃料電池汽車，E-mail:11587095925@qq.com。