800V平台下新能源汽车的绝缘设计技术探讨

  但要知道，800V带来的不只是更快的充电效率和更长的续航能力，还有和400V系统相比，更严峻的绝缘和安全挑战。

  今天我们就通过10个问答Q&A的形式，来探讨800V平台下新能源汽车的绝缘设计问题。

  在GB/T 20220.1（国际标准IEC 60034-18-41）关于电机是否为Ⅰ型绝缘还是Ⅱ型绝缘的描述：

  Ⅰ型绕组绝缘预计其寿命期间不承受PD（局部放电）；Ⅱ型绕组绝缘在寿命期间可以经受PD，标称电压700V以下的电机可能是Ⅰ型绝缘和Ⅱ型绝缘，标称电压为700V以上的电机通常为Ⅱ型绝缘。

  耐晕结构（云母带，半导体绝缘带绑扎还是很需要一些时间的）会导致定子制造工艺复杂，成本增加，不利于大批量生产。

  下图为Ⅰ型绝缘还是Ⅱ型绝缘绕组的区别，上面为Ⅱ型绝缘绕组，为避免电晕产生的放电，在漆包线外面绑扎上防电晕层，而下面的Ⅰ型绝缘则不需要（虽然Ⅰ型绝缘漆包线漆膜有防电晕涂层，但是这种耐电晕一般不超过200h，是为了考虑变频器过电压情况下导致的PD）。

  因此提高电机的PDIV，使其在800V平台下通过Ⅰ型绝缘测试才是新能源电机需要仔细考虑的方向。

  由于母线电压上升，电机在绝缘设计上区别于400V的点在于几个参数：PDIV、电气间隙与爬电距离。

  其中PDIV主要是涉及到漆包线选型，电气间隙与爬电距离涉及到电机绝缘结构的设计（基本上电气间隙和爬电距离增加一倍）。

  对于扁线电机，因为其绕组末端需要焊接，因此扁线V平台电机能够最终靠充足的电气间隙去规避放电；

  IEC 60664-1有具体怎么去确定电气间隙与爬电距离，一般而言新能源电机电压属于低压，不考虑加强绝缘。

  这里需要说明关于海拔因素，海拔会影响大气压，而大气压对空气中的放电存在影响，因此在考虑PDIV时候也需要将海拔因素考虑进去。

  对于电机，污染物等级一般取等级3；对于电控，一般取等级2。造成差异的两个原因是制造环境和工作特点。

  电控制造环境一般是无尘电子环境，电机制造车间往往达不到无尘环境（即使油冷电机可能达到无尘，但是考虑到ATF油的存在的颗粒往往会对电机造成污染）。

  电机部件存在油脂物（轴承、浸渍漆），在电机工作当中可能会因为热或者相对运动有少量挥发。

  因此一般考虑污染物等级，电控一般是2级，电机是3级，下面是污染等级的定义：

  上文讲到新能源的驱动电机定义为Ⅰ型绝缘，理论上那么就不允许存在PD，也就是电机的PDIV要高于电机实际承受的电压。

  PDIV通常是一定值，它的测量具有较好的重复性，主要根据试样的绝缘厚度和介电常数。相同材料时绝缘厚度越大的试样，PDIV越高。

  如下图，逆变器PWM控制输出的电压存在尖峰，要远高于母线电压（工作电压），具体多少要看逆变器的能力，一般而言定义为母线倍。

  除此之外，根据标准IEC 60034-18-41中，考虑到热老化影响，需要加上经验系数1.3（当然如果有更多实测数据最好，比如漆包线℃的PDIV衰减，老化后的衰减）。

  另外，还需要仔细考虑高海拔情况下放电，根据文献《海拔对局部放电特性的影响》，放电起始电压与气压呈直线关系，随气压降低而降低。

  因此考虑到海拔因素，需要再加上安全余量1.5（根据测试地点不同修正该参数）。

  因此这样计算下来，选取的漆包线V以上的漆包线就属于高PDIV），这个水平的漆包线V要考虑耐电晕需求？

  之前说Ⅰ型绝缘是在生命周期不产生局部放电，按理是不需要非常考察耐电晕的，那为什么400V不需要考察耐电晕，800V还要特别强调耐电晕？

  解答这样的一个问题前，要谈谈逆变器输出波形。能够正常的看到逆变器输出的尖峰电压实际上并不一致，也就是在于尖峰系数没办法做到统一，对于400V电机，大可做到采用保守的尖峰系数；

  但对于800V电机，如果采用保守的尖峰系数，那么所选用的漆包线V，这样基本上就没有了选择型，况且高PDIV漆包线漆膜较厚，如果是扁线电机，会导致制造工艺困难。

  因此选择一个合适的尖峰系数（大多数尖峰达到的值），采用兼顾PDIV和耐电晕性能漆包线是很不错的一个选择。

  主要不同之处在于漆膜，如下图，一般普通漆包线漆膜存在一层漆膜，成分为聚酰亚胺PI、聚酰胺酰亚胺PAI。

  而耐电晕的漆包线会再刷一层耐电晕涂层提高其耐电晕效果。通过加以此耐电晕涂层，耐电晕漆包线h（普通漆包线小时），虽然比不上云母带漆包线（Ⅱ型绝缘电机），但是在800V环境下使用是比较不错的。

  直流电压施加于电介质，经过一段时间极化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻称为绝缘电阻。

  绝缘电阻的测试示意图如下所示，主要测试相间绝缘电阻、相对地绝缘电阻、相对NTC绝缘电阻。

  判定标准：大体上分为冷态绝缘电阻和热态绝缘电阻，如果按照GB/T18488，冷态绝缘电阻需要大于20MΩ

  当然电机绝缘电阻也会用吸收比或极化指数表达。吸收比为试验电压施加60s时的测量值与施加15s时的测量值的比值。

  PS：这一项测试我发现没新能源电机厂商关注，我也不知道原因，有能够解释的可以私信留言。

  什么样的漏电流叫做符合规定标准？这个和测试电压紧密关联，正确做法需要大量耐电压数据，通过统计来判断，但是目前做新能源电机都知道，周期比较短，大多数拍着脑袋出来的。

  匝间耐压测试目的是评价匝间绝缘耐过电压的冲击能力和检验匝间绝缘中的薄弱点，用冲击波形其测试原理图如下：

  上述原理为使用一个高压窄脉冲施加于被测绕组的两端，此脉冲能量在绕组与匹配电容之间产生一个并联自激振荡，由于绕组直流电阻的存在， 此谐振为一种衰减振荡波并较快趋近于零。

  分析被测绕组振荡波形与标准绕组振荡波形之差异，即可判断被测绕组是不是存在匝间短路或匝间绝缘不良的问题，如下图为匝间耐电压波形典型示意图。

  关键字：引用地址：800V平台下新能源汽车的绝缘设计技术探讨上一篇：不同电控参数下新能源汽车驱动电机绝缘系统测试研究

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