車用燃料電池系統絕緣性能分析與優化

【摘要】為了提升燃料電池系統的絕緣性，針對零部件的結構特性、材料特性以及安裝方式進行優化設計。首先，對絕緣路徑進行電路和水路的失效分析；然后，改善電堆內部絕緣設計及電堆倉結構，優化了電子元件保護策略，同時，更換了水泵、水暖型加熱器等高壓供電冷卻回路的零部件材料，調整了散熱器、中冷器以及傳感器等零部件的加工工藝和安裝方式。最后，通過絕緣電阻測試，新型車用燃料電池系統的靜態絕緣電阻超過5 MΩ（500 V測試電壓下），運行狀態下的絕緣電阻超過3 MΩ（在線監測狀態下）。

主題詞：燃料電池系統 絕緣性能 失效分析 系統設計 零部件設計

中圖分類號：TM911" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230869

Insulation Performance Analysis and Optimization of Fuel Cell System for Vehicle

Wang An， Liu Changlai， Xia Shizhong， Chen Nian

（Camel Group Wuhan Optics Valley Ramp;D Center Co.， Ltd.， Hubei 430075）

【Abstract】To improve the insulation performance of fuel cell systems， the components are optimized based on their structural characteristics， material properties， and installation methods. Firstly， this paper conducts a failure analysis of the insulation path for both electrical and water circuits; Then， the internal insulation design and stack compartment structure of the fuel cell are improved， the key components and protection strategies inside the power electronic devices are optimized， the materials of high-voltage power supply cooling circuits such as water pumps and water heaters are replaced， and the installation methods and material processing technology of components such as radiators， intercoolers， and sensors are adjusted. Finally， after insulation resistance testing， the static insulation resistance of the new vehicle fuel cell system exceeds 5 MΩ （under 500 V test voltage）， and the insulation resistance during operation exceeds 3 MΩ （under online monitoring）.

Key words： Fuel cell system， Insulation performance， Failure analysis， System design，Component design

1 前言

車用燃料電池系統作為燃料電池汽車的核心組成部分，其絕緣性能是保證設備運行和乘員安全的關鍵。燕希強[1]等提出使用絕緣電阻檢測儀檢測燃料電池電堆的絕緣電阻，并在測試中發現液態水對電堆的絕緣性能影響較大。Yu[2]等分析了冷卻水對電池組、系統等絕緣性能的影響，認為冷卻水離子濃度應處于較低水平。柯小軍[3]建立燃料電池絕緣電阻模型，通過增加絕緣墊、離子吸收器等方式，提高電堆冷卻液絕緣電阻。左力[4]根據電堆測試，發現燃料電池的工作溫度、放電強度等對絕緣性能的影響較小。上述研究在一定程度上推動了燃料電池絕緣性能的發展，但仍無法解決現有車用燃料電池系統絕緣性能較差的問題。

從燃料電池系統的整個生命周期來看，燃料電池系統絕緣失效可分為絕緣性能衰減和絕緣故障兩方面。其中，絕緣性能衰減是系統在長期運行過程中，零部件的絕緣措施逐漸失效，導致系統絕緣性能緩慢下降，從而引起絕緣失效；絕緣故障則是因零部件出現非絕緣故障，引起絕緣失效，從而引發系統絕緣性能急劇下降。

為解決上述問題，本文詳細闡述包含燃料電池電堆、直流-直流（DC/DC）變換器、水泵等燃料電池系統關鍵零部件的設計原理、材料特性等對系統絕緣性的影響，并通過測試驗證其合理性。

2 絕緣失效路徑分析

在車用燃料電池發電系統中，燃料電池電堆作為系統的唯一能源供給，其內部的冷卻液流道與正、負極為一體化設計。因此，可通過電堆的正極電路、負極電路、冷卻液流道水路及其他零部件，分析燃料電池系統絕緣失效問題。

2.1 電路分析

車用燃料電池系統高壓回路與整車供電網絡示意見圖1。蓄電池負極與整車車架相連，作為車輛“接地點”，連通燃料電池系統的高壓電纜屏蔽層、高壓供電零部件的外殼與電堆倉。電堆產生的高壓電通過DC/DC變換器升壓向空氣壓縮機、循環泵、正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器、水泵及整車高壓配電箱供電。電池電壓巡檢器（Cell Voltage Monitor，CVM）連接電堆中各單電池。

2.1.1 電堆絕緣失效

以質子交換膜燃料電池的電堆為例，其內部流道結構如圖2所示，其中，僅絕緣板和管路接頭為非金屬材質，具備一定的絕緣能力。

當燃料電池電堆冷卻液流經電堆端板時，其電導率升高，電堆單電池產生電壓，最終造成漏電。由于電堆端板壓緊各單電池，同時起到支撐、固定作用，而未進行絕緣的固定電堆極易連通支架，令與整車“接地點”相連的電堆倉帶電，導致燃料電池的絕緣性能明顯下降，從而引發系統絕緣故障。

在燃料電池系統組裝過程中，電堆倉內部會存有部分空氣，并在系統運行過程中形成冷凝水，附著于金屬表面，腐蝕金屬及其鍍層。同時，冷凝水附著于絕緣材料表面，導致絕緣間隙減小，絕緣介質性能下降。即使電堆穩定運行，過程中也會出現少量對外泄露現象，泄露源包含氫氣、氧氣等，此類物質的泄露同樣損害系統的絕緣性能和安全性能。

在燃料電池系統長期運行過程中，由于電堆的裝排結構緊密且自身較重，其主體無法承受應力，因此，電堆各單電池缺乏電堆端板水平方向的緊固力束縛，導致其抗震性能較差。復雜路況下，電堆極易因密封失效、震動開裂，出現漏氣、漏水現象，不僅影響系統性能，也會引起絕緣故障。

2.1.2 CVM絕緣失效

CVM由電堆的連接部分、轉接部分以及電路模塊組成。其中，電堆的連接部分由金屬插片直接插入電堆雙極板的凹槽中，轉接部分使用轉接模塊固定，并通過線束連接電路模塊。根據CVM結構原理，其絕緣失效主要分為線束絕緣失效和電路絕緣失效。

線束絕緣失效受所用電纜線的絕緣強度影響，燃料電池運行過程中，電堆正、負極電位差可達幾百伏，當電堆的最高電壓超過電纜線的絕緣等級時，線束與電堆倉殼體接觸極易出現絕緣失效。部分電纜線在強行擠壓、扭曲工況下，其絕緣層易破損，導致銅芯裸露，從而引起絕緣失效。

由于CVM模塊的設計更注重電壓采集功能，忽略了供電模塊、通信模塊以及信號采集模塊絕緣性。當CVM電路板裸板置于電堆倉內時，電路板易受潮出現跨區域短路現象，導致系統絕緣失效。

2.1.3 高壓電纜絕緣失效

在燃料電池系統設計和試制過程中，為避免系統電磁兼容性（Electomagnetic Compatibility，EMC）和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），多選用耐高壓的雙層屏蔽電纜作為系統傳輸高壓電的載體。但高壓電纜屏蔽層的不規范處理容易令纜線內層的銅芯與屏蔽層導通，致使高壓傳輸中，部分電荷經過屏蔽層直接進入系統“接地點”，造成系統絕緣失效。

2.1.4 升壓DC/DC變換器絕緣失效

通常，燃料電池的升壓DC/DC變換器使用多路并聯的直流升壓電路，其關鍵元件包含大功率電容、電感、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊以及控制電路。隨著燃料電池系統集成度的提高，變換器的功能逐步被開發，其內部功能拓撲如圖3所示。

為了提升升壓DC/DC變換器此類大功率高壓元件的EMC性能，可在高壓回路的輸出端增加濾波電路，如圖4所示，減小對外輻射，緩解電磁干擾，提高系統穩定性[5]。當電路中出現電磁干擾時，濾波電路會處于充、放電過程并持續循環，此過程將大幅縮減電容和電感的壽命。此外，若濾波回路與干擾波型不匹配，高頻電壓沖擊信號可引起電路震蕩，造成電路過壓或元器件過熱，導致絕緣故障。

IGBT模塊作為升壓DC/DC變換器的核心元件，其電氣性能受實際的生產使用環境、設計參數等因素影響，該模塊內部結構如圖5所示。簡化其絕緣電路后，進入IGBT的高壓回路與升壓DC/DC接地點的絕緣路徑主要包含導熱絕緣膠和直接覆銅（Direct Bond Copper，DBC）層。

IGBT的可靠性受應力、循環壽命、導熱等因素影響，該模塊封裝的翹曲及殘余應力對機械強度產生較大影響，使得DBC層發生形變；與散熱器貼合時，生成較大的拉伸殘余應力，導致DBC層內部損壞，影響IGBT模塊絕緣性能[6]。

對于長期運行的升壓DC/DC變換器，循環壽命影響IGBT內部焊料的金屬蠕變特性，降低焊料壽命[7]。同時，IGBT的鍵合線和半導體與銅板接觸區的內阻增加，其他鍵合線過載使IGBT內部結溫急劇上升，導致DBC絕緣失效，系統觸發絕緣故障[8]。

當DBC出現絕緣故障時，IGBT散熱設計不合理會導致發熱模塊結溫急劇升高，破環IGBT內部結構，影響其絕緣性能。采用IGBT配合絕緣導熱膠及自然冷卻（或水冷）散熱片進行大功率散熱，其中，絕緣導熱膠對IGBT不僅具有熱傳導功能，對IGBT基板與散熱器間具有絕緣作用[9]。以環氧樹脂為基材，加入氧化鋁顆粒，制成高導熱絕緣膠粘劑，能夠大幅提升其絕緣性和導熱性[10]。盡管如此，當絕緣導熱膠涂抹分布不均或IGBT使用于高低溫循環變化工況時，膠體常因受熱不均而加速老化，從而降低IGBT的散熱效果，影響IGBT的絕緣性能。

2.1.5 空氣壓縮機絕緣失效

燃料電池系統的空氣壓縮機為離心式，多數使用空氣箔片軸承提高效率和動態調節能力。以兩級壓縮的空氣軸承離心式空壓機為例，其內部剖面結構如圖6所示[11]。

空氣箔片軸承通過壓縮軸承腔中空氣，實現軸承懸浮。若空氣中液態水進入軸承，在壓力作用下，液態水將向電機繞線電纜移動。而在高溫、高壓以及潮濕的環境中，電纜絕緣層極易被腐蝕，導致空氣壓縮機出現絕緣故障。

2.1.6 循環泵絕緣失效

燃料電池的氫氣循環泵通常采用羅茨式真空泵，包含羅茨泵頭和電機，其內部結構如圖7所示[12]。

現有的羅茨式循環泵工作時會產生高頻的機械振動，降低泵體的密封性和穩定性，導致在燃料電池氫氣供給回路中，極端情況下，泵體會漏油和滲水，從而使電機的繞線電纜發生絕緣故障。

2.2 水路分析

燃料電池系統的冷卻回路，包含內循環和外循環回路[13]，系統的冷卻回路管道流程如圖8所示。其中，水箱、去離子器及三通閥等塑料材質絕緣性較好，而電堆倉的絕緣性上文已分析，此處不再贅述，可通過冷卻液回路的其他零部件（水泵、PTC等）分析其絕緣失效路徑。

2.2.1 水泵絕緣失效

燃料電池系統的冷卻水泵具有體積小、流量大、揚程高且價格低等優勢，但傳統車用水泵的絕緣性能較差。通常，在水泵的電源端（或電機接線端）增加濾波電路，抑制水泵的電磁噪聲，典型的電子水泵電路及其絕緣路徑，如圖9所示。

水泵的絕緣路徑主要發生在下列位置：

a. 電堆的電極通過熱交換流體到達水泵蝸殼。由于水泵蝸殼為金屬材料，與泵體外殼相連時，熱交換流體的電導率上升，使水泵外殼帶電。

b. 水泵外殼與燃料電池系統連接支架處。若水泵的安裝支架與燃料電池系統支架間未進行絕緣處理，此時，路徑A產生高壓，并與系統支架連通，導致熱交換流體的電導率驟增，系統絕緣性能下降。

c. 水泵內部電路。為了消除電子水泵控制電路的電磁噪聲，通常將水泵負極與外殼直接相連，或者對水泵的輸入/輸出電路進行濾波[14]。對于低壓供電水泵，其濾波元件的耐壓值為50 V，燃料電池電極對外的傳導電勢為400 V，若水泵濾波電路元件長期處于耐壓極限狀態，極易導致濾波電路與外殼直接連通，造成絕緣故障。

此外，在燃料電池系統長期運行過程中，冷卻液回路容易產生雜質，阻塞水泵渦輪及轉子，同時，由于摩擦產生高溫，水泵密封件極易損壞。此時，冷卻液會直接進入電機轉子的帶電區域，腐蝕線圈鍍層，引發絕緣故障。

2.2.2 PTC的絕緣失效

電加熱器PTC由控制電路、加熱模塊和熱交換模塊組成，廣泛用于新能源汽車供暖系統。目前，為提升PTC加熱器性能，大多采用改進百葉窗翅片結構、優化正溫度系數參數等方式[15-16]。

燃料電池系統用的PTC加熱器為水暖式，主要通過高壓電加熱電堆內部的冷卻液。若PTC加熱器缺乏對溫度、加熱功率的精確控制，將會產生溫度波動以及能量浪費，降低燃料電池系統的性能[17]。

PTC的電路設計與升壓DC/DC變換器存在同樣的絕緣風險，盡管直插式PTC加熱器具有較高的加熱效率，但未與熱交換流體進行隔離，將導致加熱器絕緣性能降低[18]。

現有PTC單體的內部結構如圖10所示，高壓電與熱交換流體間增加了接地電極，可避免高壓電與熱交換流體間因絕緣失效而發生危險。圖10a中，PTC加熱體緊貼高壓供電電極，高壓電極通過絕緣導熱層I與接地電極片貼合。若絕緣導熱層I出現絕緣失效，必然導致高壓回路中接地點漏電，造成絕緣故障；若導熱膠以及絕緣導熱層II出現絕緣失效，電堆電極直接連通PTC外殼，與系統接地點連通，造成絕緣故障。此時，電堆電極的電勢約400 V，在PTC高壓直流電的作用下，直接擊穿絕緣導熱層I，電堆電極與PTC高壓電回路間將發生短路，導致電堆損壞、設備故障。

2.2.3 傳感器的絕緣失效

燃料電池系統冷卻液回路中使用的溫度、壓力和離子濃度檢測等傳感器均為低壓供電元件，未考慮燃料電池系統的絕緣特性。現有傳感器的安裝座多為金屬材料，其內部電路將供電負極（或濾波電路）與金屬外殼直接相連，非隔離型傳感器絕緣路徑如圖11所示。

當傳感器位于燃料電池冷卻液流道中，通過熱交換流體與傳感器金屬外殼相連，若控制器檢測電路未進行隔離，整車低壓供電負極通過冷卻液與電堆電極連接，在冷卻液電導率較低的情況下，導致絕緣故障。

當傳感器的信號輸入燃料電池控制器時，控制器內部常會將此類信號與控制器供電回路進行隔離。基于零部件自供電的電壓平臺，傳感器的濾波電路、控制器內部的隔離電路的耐電壓為50 V，燃料電池冷卻液回路傳導的電勢約400 V，此類傳感器和燃料電池控制器的絕緣性將無法滿足燃料電池系統的需求。

2.2.4 散熱器絕緣失效

散熱器是電堆冷卻液進行熱交換的重要部件，燃料電池系統要求散熱器離子析出率低、流體溫度上限高、散熱功率大、體積小。

依據QC/T 468—2010《汽車散熱器》標準，散熱器一般由鐵質護風罩、鋁制散熱片和流道、鐵質支架制成[19]。當電堆冷卻液的離子濃度上升時，未經絕緣處理的散熱器與整車車架連接，從電堆雙極板上傳導過來的電勢，再通過散熱器傳導至整車車架，引發漏電而造成絕緣故障。

2.3 石墨顆粒對絕緣性能的影響

燃料電池電堆由石墨雙極板疊裝而成，經機械加工后形成的缺陷位置（燃料以及冷卻液流道）受到燃料腐蝕及冷卻液流動沖刷（或外部振動）的應力，將持續析出微米級甚至納米級石墨顆粒，該顆粒在冷卻液流道中循環流動并吸附于零部件和管路的內表面。雖然石墨析出對電堆能量輸出的影響效果甚微，但石墨的導電性對系統絕緣性的影響不可忽視[20]。

目前，在燃料電池系統的冷卻液回路中，通過增加離子濃度傳感器，定期監測冷卻液的離子濃度，降低絕緣風險。而系統在長期運行中，監測離子濃度的電極會被石墨顆粒覆蓋，導致電極無法接觸陰、陽離子，從而降低傳感器性能，嚴重影響系統對絕緣風險的判斷。隨著燃料電池系統運行時間的增加，石墨的大量析出將整個冷卻液回路變成一個良導體。因此，在設計燃料電池系統時，應將整個冷卻回路視作帶電導體。

3 優化設計

本文通過分析燃料電池系統的絕緣失效路徑，從材料、結構及電路設計等方面，對新一代燃料電池系統進行優化和完善。

3.1 電堆優化方案

新一代電堆的優化設計集中于電堆的前端絕緣板、端板以及管路，將從以下方向進行優化：

a. 絕緣板材料。將原有的環氧樹脂玻璃纖維層壓板更換為混合聚苯硫醚的玻璃纖維。相較于原有壓板，該材料表現出良好的疏水性，其切割面無任何水漬殘留，且測試其上、下表面的電阻值均可達到測試儀器上限。同時，該材料可以適應螺栓力矩對剪切面的剪切應力，受力后不易出現裂痕。

b. 絕緣板流道。將原始流道的水平通孔更改為組合管道，并調整端板的開孔結構，避免了進、出電堆的流體與電堆端板發生接觸，配合組合管道固定和密封，優化結構如圖12中綠色所示。

c. 電堆倉。一方面，增加電堆倉的空氣吹掃管路，使用干燥的空氣將倉內水蒸氣吹出，避免水蒸氣遇冷形成液態水，引起絕緣材料失效；另一方面，通過傳感器監測電堆倉內氫氣濃度，避免氫氣濃度過高，保證電堆的安全。

正常使用狀態下，優化后的電堆絕緣板能夠確保電堆端板不帶電，提高絕緣性能的同時，簡化了電堆、電堆支架以及電堆倉底板間的絕緣設計，降低了結構設計的復雜度和系統的整體質量。

3.2 CVM優化方案

燃料電池電壓巡檢模塊的優化主要分為電路設計和線束設計。

燃料電池電壓巡檢模塊的內部電路，采用美國ANALOG DEVICES公司研制的燃料電池電壓檢測專用芯片LTC6806，配合隔離芯片LTC6820和LTC2883-5S，可實現電壓采樣、電源供電及電路板控制回路隔離，能夠有效提升電路絕緣性能。

燃料電池電壓巡檢線束材質選用交聯聚烯烴，相較于傳統聚氯乙烯，該材質的抗張強度、阻燃等級和環境耐受性能均有所提升，且擠壓環境中不易損壞。同時，其電壓等級能夠由低壓電纜的60 V提升至450 V，進一步增強了線束部分的絕緣性能。

3.3 高壓電纜優化方案

高壓電纜的優化主要為線束制作，按照國家標準GB/T 37133—2018《電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術要求》[21]，選取相應的接插件和電纜線，根據裝配指導書進行線束加工，并進行測試。

當電壓為1 000 V，時間為60 s，測試線束中導體和外殼、導體和屏蔽層以及導體和不相連導體間的絕緣電阻。根據上述標準，測試部位的絕緣電阻均需超過100 MΩ，才能進行后續拉力試驗和導通試驗。上述試驗均通過后，線束方可投入使用。

3.4 升壓DC/DC變換器優化方案

系統的升壓DC/DC變換器將從濾波電路和電流變換單元兩方面進行優化。

升壓DC/DC變換器的濾波電路主要由電阻、電感和電容組成，各元件均與升壓DC/DC變換器的輸入、輸出端相連。因此，在進行絕緣性能檢測時，通過檢測濾波電路電阻、電感和電容等參數，預測各元件壽命，更換異常零件，從而保證系統的絕緣性能。

為了降低IGBT失效率，將IGBT的材質從硅基更換為電氣性能更優的SiC，通過設置內部熱敏電阻，監測IGBT內部金屬連接處散熱性能。

使用絕緣導熱膠將IGBT與升壓DC/DC變換器的冷卻流道貼合，使IGBT充分散熱，提高其使用壽命。同時，通過改變環氧樹脂中Al2O3比例，提升絕緣導熱膠的導熱性能和絕緣性能[22]。

由于升壓DC/DC電流變換電路上的電容和電感高頻率、長時間充放電，其發熱量較高。雖然此類元件具有較強的絕緣性能，但在高頻率、大電流狀態下，其使用壽命有限。為了避免過熱條件下元件內部發生降解，在條件允許的情況下，可通過監測電感和電容的發熱部位溫度，降低升壓DC/DC變換器內部故障風險。

3.5 空壓機優化方案

為了避免液態水滲入空壓機空氣軸承的轉子區域，通過優化燃料電池系統的空壓機安裝結構，選用帶排水孔的空氣過濾器，將其安裝在空壓機的進氣口前端。過濾器的尾部同樣設置排水孔，并保持豎直朝下，保證空壓機的進氣口附近干燥。

此外，在空壓機的進氣口安裝濕度傳感，當空氣濕度過高時，通過控制策略停止運行空壓機，異常處理完畢后，可再次啟動空壓機。

3.6 氫氣循環泵優化方案

安裝循環泵體時，使用抗震性較強、帶有防滑鋸齒的絕緣減震墊，可有效緩解系統中零部件振動對循環泵的影響。為了降低燃料電池系統中氫氣循環泵的振動噪聲，采用分級式超前調節，降低轉速調節的超調量，最終實現降低轉速調節引起的振動噪聲。

通過優化燃料電池凸輪式氣體循環泵轉子幾何參數、增加轉子葉型數和轉子螺旋角，可效降低循環泵出口的振動及噪聲，提升循環泵的穩定性[23]。

3.7 水泵優化方案

燃料電池系統的冷卻水泵絕緣性能將從以下3方面進行優化：

a. 冷卻液與水泵殼體間絕緣。為了隔絕冷卻液對其他零部件的影響，水泵的蝸殼和葉輪可采用非金屬材料，保證絕緣性能的同時，減輕水泵的質量。

b. 水泵控制電路與外殼間絕緣。選用耐電壓超過500 V的元器件，提高水泵供電回路中濾波電路的耐電壓能力，增強水泵控制電路的絕緣性，同時保證水泵的EMC性能。此外，使用高壓（600 V）供電控制的水泵，其濾波電路的耐電壓等級需超過1 500 V。

c. 水泵外殼與系統框架間絕緣。由于水泵外殼多為金屬材質，在外殼與系統框架間使用絕緣性能較高的減震墊，安裝水泵時配套絕緣板。

3.8 PTC優化方案

燃料電池系統的PTC加熱器主要優化PTC加熱體和熱交換流道。

PTC加熱體可選擇陶瓷加熱片，既能提升熱轉換效率，又可大幅減小其質量和體積。在PTC加熱器的熱交換流道外，增加一個帶有安裝孔的非金屬外殼，避免熱交換流道與燃料電池系統支架直接接觸。設計PTC熱交換流道和控制電路的固定座時，通過絕緣墊片將接地電極片與熱交換流道分離，提高PTC加熱器的絕緣性能。

此外，使用非金屬材質的熱交換流場板，進一步提高PTC絕緣性能的同時，減輕零件質量。

3.9 傳感器優化方案

燃料電池系統中所使用溫度、壓力、流量、離子濃度等傳感器，應盡量使用非金屬材質的安裝外殼，且外殼的絕緣強度需達到兆歐級別。若必須使用金屬安裝外殼，可在傳感器的供電電路與外殼間布置濾波電路或隔離電路，其耐電壓等級需達到500 V。

為了克服傳感器的絕緣弱勢，可對燃料電池的控制器進行電氣隔離，避免冷卻液與燃料電池系統供電負極連通。通常，采用專用電源和信號隔離芯片進行隔離，從而增大冷卻液與燃料電池系統供電負極間的絕緣電阻。

3.10 散熱器優化方案

散熱器的絕緣設計集中于焊接工藝與安裝方式兩方面。焊接散熱器本體流道時，采用真空焊接方式，提高焊點抗腐蝕能力，有效減少散熱器中金屬離子的析出。散熱器主體完成制作后，對散熱器流道內表面進行溫度交變的鈍化工藝處理，進一步降低散熱器的離子析出率。

安裝散熱器時，需要使用帶有絕緣設計的減震墊，保證散熱器固定螺栓與整車車架絕緣。

4 系統測試

根據一系列的優化設計，組裝燃料電池發動機系統，如圖13所示。新系統測試包含電源供電與負載放電系統、燃料供給系統以及散熱系統。

系統安裝完畢后，使用LUKE公司的1508型手持式絕緣檢測儀對各關鍵零部件進行靜態絕緣電阻檢測。檢測前，需將系統冷卻液回路加注去離子水（電阻率lt;18.7 MΩ·cm）并排出空氣，結果如表1所示。

系統完成靜態絕緣檢測后，通過使用BENDER公司的ISO 165C型在線式絕緣檢測儀，檢測系統運行過程中的絕緣電阻。燃料電池內部冷卻液溫度上升至60 ℃時，讀取升壓DC/DC變換器，輸出負極與系統接地點間絕緣阻值，結果如圖14所示。

根據電動汽車安全要求，對燃料電池系統進行多項改進設計，在短期運行狀態下，系統絕緣阻值約為4 MΩ，已經遠超相應國家標準[24]。

為了進一步驗證本文絕緣措施的有效性，連續30日對燃料電池系統進行跟蹤測試，日均運行功率達到100 kW，記錄相應的絕緣電阻值并繪制曲線，如圖15所示。

測試結果表明：在持續30天的測試中，系統絕緣電阻均超過3 MΩ，優化后燃料電池系統的絕緣性能顯著提升。

5 結束語

車用燃料電池系統的絕緣性能不僅影響系統的穩定性，也是乘員安全的第一道防線。本文詳細分析了與系統高壓絕緣相關的關鍵零部件特性，通過優化燃料電池電堆、升壓DC/DC變換器等元件，燃料電池系統的靜態絕緣阻值已經達到5 MΩ以上，在運行狀態下，持續30天的絕緣電阻檢測結果也高于3 MΩ以上。為燃料電池系統設計和零部件設計奠定基礎。

由于本文項目試驗的工況設置和數據選取，與實車系統存在一定的差距，未來，將逐步應用于實車驗證，并通過新型零部件研究，進一步提升系統的絕緣性能。

參 考 文 獻

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年3月13日。