從全球的技術(shù)動(dòng)向來看，800V高壓是電動(dòng)汽車未來要走的必經(jīng)之路。

但要知道，800V帶來的不只是更快的充電效率和更長(zhǎng)的續(xù)航里程，還有和400V系統(tǒng)相比，更嚴(yán)峻的絕緣和安全挑戰(zhàn)。

今天我們就通過10個(gè)問答Q&A的形式，來探討800V平臺(tái)下新能源汽車的絕緣設(shè)計(jì)問題。

01

問

800V平臺(tái)下，電機(jī)為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣？

答

在GB/T 20220.1（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41）關(guān)于電機(jī)是否為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣的描述：

Ⅰ型繞組絕緣預(yù)計(jì)其壽命期間不承受PD（局部放電）；Ⅱ型繞組絕緣在壽命期間可以經(jīng)受PD，額定電壓700V以下的電機(jī)可能是Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣，額定電壓為700V以上的電機(jī)通常為Ⅱ型絕緣。

GB/T 20220.2（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-42）對(duì)比了Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣的區(qū)別：

Ⅱ型絕緣的驗(yàn)證試驗(yàn)比Ⅰ型絕緣苛刻

Ⅰ型絕緣可以沒有耐暈結(jié)構(gòu)，Ⅱ型絕緣設(shè)計(jì)需要增加耐暈結(jié)構(gòu)

耐暈結(jié)構(gòu)（云母帶，半導(dǎo)體絕緣帶綁扎還是很需要時(shí)間的）會(huì)導(dǎo)致定子制造工藝復(fù)雜，成本增加，不利于大批量生產(chǎn)。

下圖為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣繞組的區(qū)別，上面為Ⅱ型絕緣繞組，為了防止電暈產(chǎn)生的放電，在漆包線外面綁扎上防電暈層，而下面的Ⅰ型絕緣則不需要（雖然Ⅰ型絕緣漆包線漆膜有防電暈涂層，但是這種耐電暈一般不超過200h，是為了考慮變頻器過電壓情況下導(dǎo)致的PD）。

因此提高電機(jī)的PDIV，使其在800V平臺(tái)下通過Ⅰ型絕緣測(cè)試才是新能源電機(jī)需要考慮的方向。

02

問

400V平臺(tái)絕緣設(shè)計(jì)與800V平臺(tái)有什么不同？

答

由于母線電壓上升，電機(jī)在絕緣設(shè)計(jì)上區(qū)別于400V的點(diǎn)在于幾個(gè)參數(shù)：PDIV、電氣間隙與爬電距離。

其中PDIV主要是涉及到漆包線選型，電氣間隙與爬電距離涉及到電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（基本上電氣間隙和爬電距離增加一倍）。

對(duì)于扁線電機(jī)，因?yàn)槠淅@組末端需要焊接，因此扁線電機(jī)端部會(huì)存在裸銅，400V平臺(tái)電機(jī)可以通過充足的電氣間隙去規(guī)避放電；

800V需要電氣間隙太大，一般是通過涂敷，利用環(huán)氧粉末去增強(qiáng)端部絕緣。

03

問

如何確立電氣間隙與爬電距離？

答

IEC 60664-1有具體怎么去確定電氣間隙與爬電距離，一般而言新能源電機(jī)電壓屬于低壓，不考慮加強(qiáng)絕緣。

下面列一下爬電距離與電氣間隙需要考核的參數(shù)：

電氣間隙：瞬態(tài)過電壓、再現(xiàn)峰值電壓、污染等級(jí)、海拔、環(huán)境；

爬電距離：電機(jī)工作電壓、CTI、污染等級(jí)、環(huán)境

這里需要說明關(guān)于海拔因素，海拔會(huì)影響大氣壓，而大氣壓對(duì)空氣中的放電存在影響，因此在考慮PDIV時(shí)候也需要將海拔因素考慮進(jìn)去。

04

問

污染物等級(jí)參數(shù)怎么選擇？

答

對(duì)于電機(jī)，污染物等級(jí)一般取等級(jí)3；對(duì)于電控，一般取等級(jí)2。造成差異的兩個(gè)原因是制造環(huán)境和工作特點(diǎn)。

電控制造環(huán)境一般是無塵電子環(huán)境，電機(jī)制造車間往往達(dá)不到無塵環(huán)境（即使油冷電機(jī)可能達(dá)到無塵，但是考慮到ATF油的存在的顆粒往往會(huì)對(duì)電機(jī)造成污染）。

電機(jī)部件存在油脂物（軸承、浸漬漆），在電機(jī)工作當(dāng)中可能會(huì)因?yàn)闊峄蛘呦鄬?duì)運(yùn)動(dòng)有少量揮發(fā)。

因此一般考慮污染物等級(jí)，電控一般是2級(jí)，電機(jī)是3級(jí)，下面是污染等級(jí)的定義：

05

問

漆包線PDIV的選擇？

答

對(duì)于800V平臺(tái)，漆包線的選型與400V平臺(tái)截然不同，不同點(diǎn)在于漆膜厚度與漆膜材料。

上文講到新能源的驅(qū)動(dòng)電機(jī)定義為Ⅰ型絕緣，理論上那么就不允許存在PD，也就是電機(jī)的PDIV要高于電機(jī)實(shí)際承受的電壓。

PDIV通常是一定值，它的測(cè)量具有較好的重復(fù)性，主要取決于試樣的絕緣厚度和介電常數(shù)。相同材料時(shí)絕緣厚度越大的試樣，PDIV越高。

如下圖，逆變器PWM控制輸出的電壓存在尖峰，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母線電壓（工作電壓），具體多少要看逆變器的能力，一般而言定義為母線電壓的1.3~1.8倍。

除此之外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41中，考慮到熱老化影響，需要加上經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.3（當(dāng)然如果有更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最好，比如漆包線20℃~180℃的PDIV衰減，老化后的衰減）。

另外，還需要考慮高海拔情況下放電，根據(jù)文獻(xiàn)《海拔對(duì)局部放電特性的影響》，放電起始電壓與氣壓呈直線關(guān)系，隨氣壓降低而降低。

因此考慮到海拔因素，需要再加上安全余量1.5（根據(jù)測(cè)試地點(diǎn)不同修正該參數(shù)）。

因此這樣計(jì)算下來，選取的漆包線的PDIV=2300V左右的水平（一般1500V以上的漆包線就屬于高PDIV），這個(gè)水平的漆包線相對(duì)比較保險(xiǎn)。

06

問

為什么800V要考慮耐電暈需求？

答

之前說Ⅰ型絕緣是在生命周期不產(chǎn)生局部放電，按理是不需要特別考察耐電暈的，那為什么400V不需要考察耐電暈，800V還要特別強(qiáng)調(diào)耐電暈？

解答這個(gè)問題前，要談?wù)勀孀兤鬏敵霾ㄐ??？梢钥吹侥孀兤鬏敵龅募夥咫妷浩鋵?shí)并不一致，也就是在于尖峰系數(shù)無法做到統(tǒng)一，對(duì)于400V電機(jī)，大可做到采用保守的尖峰系數(shù)；

逆變器輸出波形

但對(duì)于800V電機(jī)，如果采用保守的尖峰系數(shù)，那么所選用的漆包線的PDIV遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2300V，這樣基本上就沒有了選擇型，況且高PDIV漆包線漆膜較厚，如果是扁線電機(jī)，會(huì)導(dǎo)致制造工藝?yán)щy。

因此選擇一個(gè)合適的尖峰系數(shù)（大多數(shù)尖峰達(dá)到的值），采用兼顧PDIV和耐電暈性能漆包線是很不錯(cuò)的一個(gè)選擇。

07

問

耐電暈漆包線與普通線有什么區(qū)別？

答

主要區(qū)別在于漆膜，如下圖，一般普通漆包線漆膜存在一層漆膜，成分為聚酰亞胺PI、聚酰胺酰亞胺PAI。

而耐電暈的漆包線會(huì)再刷一層耐電暈涂層提高其耐電暈效果。通過加以此耐電暈涂層，耐電暈漆包線耐電暈?zāi)苓_(dá)到100h（普通漆包線一般20-30小時(shí)），雖然比不上云母帶漆包線（Ⅱ型絕緣電機(jī)），但是在800V環(huán)境下使用還是比較不錯(cuò)的。

普通漆包線與耐電暈漆包線區(qū)別

08

問

絕緣電阻測(cè)試

答

直流電壓施加于電介質(zhì)，經(jīng)過一定時(shí)間極化過程結(jié)束后，流過電介質(zhì)的泄漏電流對(duì)應(yīng)的電阻稱為絕緣電阻。

絕緣電阻的測(cè)試示意圖如下所示，主要測(cè)試相間絕緣電阻、相對(duì)地絕緣電阻、相對(duì)NTC絕緣電阻。

測(cè)試電壓：500Vdc（根據(jù)電機(jī)額定電壓）

持續(xù)時(shí)間：5s

判定標(biāo)準(zhǔn)：一般分為冷態(tài)絕緣電阻和熱態(tài)絕緣電阻，如果按照GB/T18488，冷態(tài)絕緣電阻需要大于20MΩ

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?

測(cè)試電壓與電機(jī)額定電壓關(guān)系

這里簡(jiǎn)單講解下為什么用直流電，如下圖，絕緣電阻是絕緣電壓除以總電流，交流電對(duì)電容電流影響較大（頻率），直流電機(jī)會(huì)沒什么影響。

當(dāng)然電機(jī)絕緣電阻也會(huì)用吸收比或極化指數(shù)表達(dá)。吸收比為試驗(yàn)電壓施加60s時(shí)的測(cè)量值與施加15s時(shí)的測(cè)量值的比值。

PS：這一項(xiàng)測(cè)試我發(fā)現(xiàn)沒有新能源電機(jī)廠商關(guān)注，我也不知道原因，有能夠解釋的可以私信留言。

09

問

工頻耐電壓測(cè)試

答

工頻耐電壓是國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)電壓的頻率是50Hz。

測(cè)試電壓：1000+2Umax（電池包最大工作電壓），50Hz

持續(xù)時(shí)間：1min

判定標(biāo)準(zhǔn)：漏電流符合標(biāo)準(zhǔn)。

什么樣的漏電流叫做符合標(biāo)準(zhǔn)？這個(gè)和測(cè)試電壓密切相關(guān)，正確做法需要大量耐電壓數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)來判斷，但是目前做新能源電機(jī)都知道，周期比較短，大多數(shù)拍著腦袋出來的。

10

問

匝間耐壓測(cè)試

答

匝間耐壓測(cè)試目的是評(píng)價(jià)匝間絕緣耐過電壓的沖擊能力和檢驗(yàn)匝間絕緣中的薄弱點(diǎn)，用沖擊波形其測(cè)試原理圖如下：

匝間耐壓測(cè)試示意圖

測(cè)試電壓：1.7*工頻耐電壓值

上述原理為使用一個(gè)高壓窄脈沖施加于被測(cè)繞組的兩端，此脈沖能量在繞組與匹配電容之間產(chǎn)生一個(gè)并聯(lián)自激振蕩，由于繞組直流電阻的存在， 此諧振為一種衰減振蕩波并較快趨近于零。

分析被測(cè)繞組振蕩波形與標(biāo)準(zhǔn)繞組振蕩波形之差異，即可判斷被測(cè)繞組是否存在匝間短路或匝間絕緣不良的問題，如下圖為匝間耐電壓波形典型示意圖。

匝間耐電壓波形典型示意圖

a) 標(biāo)準(zhǔn)波形? ?b) 有較小差異波形

c) 有較大差異波形?d)?有匝間短路放電波形

e) 兩相都存在匝間短路或鐵芯接地不良

以上是新能源電機(jī)尤其是800V絕緣測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容。

編輯：黃飛

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