新能源汽車高壓電氣系統(tǒng)絕緣設(shè)計(jì)與測(cè)試方法（附：800V高壓平臺(tái)絕緣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)）

新能源汽車電氣化程度相對(duì)傳統(tǒng)汽車要高，其中高壓電氣系統(tǒng)包括電池包、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓用電輔助設(shè)備、充電機(jī)及高壓線束等，在汽車運(yùn)行的惡劣環(huán)境（汽車振動(dòng)、外部環(huán)境濕度及溫度）影響下，或汽車發(fā)生碰撞、翻轉(zhuǎn)的情況，都有可能導(dǎo)致高壓電路與汽車底盤間的絕緣性能降低，由此可能造成汽車火災(zāi)的發(fā)生，直接影響駕乘人員的生命安全。

高壓電氣系統(tǒng)架構(gòu)

新能源汽車較高的工作電壓對(duì)高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能提出了更高的要求，在高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段考慮各種工況因素，采用高壓絕緣管理策略對(duì)整車高壓電絕緣狀態(tài)的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

1、新能源汽車電氣系統(tǒng)架構(gòu)

新能源汽車高壓電氣系統(tǒng)為汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大功率部件提供電能，根據(jù)不同用途，電氣系統(tǒng)分為高壓電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)及CAN通訊信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

低壓電氣系統(tǒng)構(gòu)成：包括燈光照明系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、雨刷器等常規(guī)低壓用電器及相關(guān)控制回路（整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器及電動(dòng)空調(diào)等）供電。

整車的高壓電氣系統(tǒng)構(gòu)成：動(dòng)力電池組輸出的高壓直流電通過電機(jī)控制器逆變驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過直流電壓轉(zhuǎn)換器或逆變器向空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、或其他高壓部件等提供電能。

CAN通訊信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)整車控制器和電機(jī)控制器、以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、車載充電機(jī)及非車載充電設(shè)備等控制單元之間的相互通信。

新能源汽車高壓電氣系統(tǒng)部件

相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言，純電動(dòng)汽車采用了大容量、高電壓的動(dòng)力電池及高壓電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用了大量的高壓附件設(shè)備（電動(dòng)空調(diào)、PTC電加熱器及DC/DC轉(zhuǎn)換器等）。由此而隱藏的高壓安全隱患問題和造成的高壓電傷害問題有別于傳統(tǒng)燃油汽車。

根據(jù)純電動(dòng)汽車的特殊結(jié)構(gòu)及電路的復(fù)雜性，并考慮純電動(dòng)汽車高壓電安全問題，必須對(duì)高壓電系統(tǒng)進(jìn)行安全、合理的設(shè)計(jì)和必要的絕緣監(jiān)控，是電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的必要保證。

2、新能源汽車高壓電氣系統(tǒng)絕緣設(shè)計(jì)要求

新能源汽車高壓電氣系統(tǒng)最主要的就是要保證充分保證人的安全，從安全設(shè)計(jì)角度來(lái)看，高壓安全的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括三方面：

接觸防護(hù)：防止人員接觸到高壓部件，接觸防護(hù)設(shè)計(jì)包括絕緣設(shè)計(jì)、高壓安全標(biāo)識(shí)、接觸防護(hù)等級(jí)、遮擋設(shè)計(jì)等；

接觸保護(hù)：保障接觸到不會(huì)發(fā)生觸電危害，包括高壓互鎖設(shè)計(jì)、低電能、低電壓和電位均衡等；

安全預(yù)警：在發(fā)生高壓安全危險(xiǎn)、漏電之前，有及時(shí)的預(yù)防和預(yù)警系統(tǒng)，通過對(duì)高壓系統(tǒng)的關(guān)鍵觸點(diǎn)絕緣監(jiān)測(cè)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等杜絕危險(xiǎn)發(fā)生。

電動(dòng)汽車高壓互鎖HVIL

根據(jù)GB/T 18384《電動(dòng)汽車安全要求》以及IEC 60479-1：2005《通過人體電流安全標(biāo)準(zhǔn)》，電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)要求如下：

（1）高壓系統(tǒng)接觸防護(hù)要求：高壓連接器設(shè)計(jì)遮攔或者外殼且具備高壓互鎖功能，避免人員直接接觸；

（2）高壓系統(tǒng)漏電流/電壓要求：漏電流不能超過人體安全閾值（30mA·s），接觸電壓不能超過人體安全電壓（36V）；

（3）高壓系統(tǒng)絕緣要求：電阻阻值除以動(dòng)力電池標(biāo)稱電壓至少大于100Ω/V；

（4）高壓系統(tǒng)功能安全要求：上電時(shí)需具有預(yù)充電過程，以避免接通時(shí)的瞬態(tài)高壓電沖擊；任何工況下，高壓繼電器的斷開時(shí)間應(yīng)小于20ms；高壓系統(tǒng)電源斷開1s后，任何可觸及的導(dǎo)電部分和地之間的交流峰值電壓應(yīng)低于42.4V，直流電壓應(yīng)低于60V，且存儲(chǔ)的能量應(yīng)少于0.2J。

3、電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)試

對(duì)于電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)來(lái)說，高壓系統(tǒng)中所有零部件（如車載充電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)控制器，高壓分線盒，DC/DC 變換器等），均與高壓蓄電池是并聯(lián)關(guān)系，高壓系統(tǒng)的絕緣電阻與整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)密切相關(guān)。

電動(dòng)車高壓系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障導(dǎo)致人觸電主要分為高壓部位直接對(duì)車身的絕緣失效、高壓部位對(duì)設(shè)備外殼的絕緣失效兩大類，絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)動(dòng)力電池和電底盤之間的絕緣電阻進(jìn)行定期地監(jiān)視的系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車的高壓部件是一種并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的絕緣電阻是所有高壓部件絕緣電阻的并聯(lián)值。依據(jù)GB-T 18384-2015電動(dòng)汽車 安全要求中規(guī)定，絕緣電阻最低要求：直流100Ω/V，交流500Ω/V。

新能源汽車絕緣材料

絕緣工程上是為了隔離人、其他帶電或者不帶電結(jié)構(gòu)，在帶電器件表面包裹一層絕緣材料，一般通過絕緣電阻、漏電流比較絕緣材料或系統(tǒng)絕緣能力的高低。

絕緣電阻值為兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間及其周邊連接在一起的各項(xiàng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所形成的等效電阻值，通過檢測(cè)絕緣電阻可以評(píng)估電氣設(shè)備的絕緣性能。

絕緣監(jiān)測(cè)多采用低頻信號(hào)注入法，其基本原理是在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的方波信號(hào)，通過絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀連接端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤之間的絕緣電阻RF構(gòu)成測(cè)量回路，通過對(duì)采樣電阻上分壓的采集，計(jì)算得出RF大小。

絕緣電阻測(cè)試原理圖

依據(jù)絕緣電阻測(cè)試類別分類，絕緣電阻的測(cè)試包括總成級(jí)測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試與整車級(jí)測(cè)試。

按照絕緣電阻測(cè)試方法本身的分類，可以分為不含電源的總成/系統(tǒng)測(cè)試和動(dòng)力電池本身及包含電源的系統(tǒng)測(cè)試。

不含電源的總成及系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)試：采用可以提供測(cè)試電壓的設(shè)備，如絕緣表或者絕緣耐壓測(cè)試儀；

動(dòng)力電池或包含動(dòng)力電池的高壓系統(tǒng)緣電阻測(cè)試：采用可借助本身電壓進(jìn)行測(cè)試的方法，目前常用的方法是GB 18384—2020中規(guī)定的測(cè)試方法，常稱為“五步法”。

4、800V高壓平臺(tái)絕緣設(shè)計(jì)

2024年，國(guó)內(nèi)乘用車800V快充車型滲透率有望提升至7%左右，新能源汽車800V高壓平臺(tái)帶來(lái)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)。

800V平臺(tái)電壓的提升，電池材料和零部件將面臨如下挑戰(zhàn)：

三電部件共性耐壓絕緣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：電氣部件主功率回路相關(guān)的電氣間隙、爬電距離要重新設(shè)計(jì)；高低壓部件的信號(hào)隔離回路要重新設(shè)計(jì)；使用更高耐壓的絕緣材料。

電池包技術(shù)挑戰(zhàn)：800V平臺(tái)充電功率提升，電芯充電倍率將由1C提升到>=3C，影響電池容量和壽命，過高的電壓將導(dǎo)致電極材料和電解液的穩(wěn)定性降低。

電機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)：800V架構(gòu)下電機(jī)以較低的成本來(lái)滿足扭矩、功率和效率要求的同時(shí)，高電壓會(huì)對(duì)絕緣能力、耐壓等級(jí)以及爬電距離帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。

電機(jī)控制器技術(shù)挑戰(zhàn)：800V電機(jī)控制器設(shè)計(jì)必須考慮高功率密度、高耐熱、高頻率切換應(yīng)用下的產(chǎn)品可靠性，800V電壓以及碳化硅逆變器頻率的提升帶來(lái)逆變器EMC設(shè)計(jì)的巨大挑戰(zhàn)。

其他部件技術(shù)挑戰(zhàn)：800V OBC、800V DCDC、800V電池高壓繼電器/熔斷器/連接器、充電樁等都需要進(jìn)行升級(jí)，這對(duì)汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)

總而言之，針對(duì)新能源汽車的高壓電氣架構(gòu)，需采用合理的高壓電氣架構(gòu)（如：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和電機(jī)控制器集成的三合一；車載充電機(jī)、DC\DC變換器集成的二合一等），集成相關(guān)高壓零部件，達(dá)到減少高壓繼電器、高壓連接器的數(shù)量、高壓動(dòng)力電纜的使用量等目的，增加整車高壓系統(tǒng)的可靠性，降低發(fā)生高壓安全問題，又可以降低整車成本，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

電動(dòng)汽車中高壓電氣系統(tǒng)的功能是保證整車系統(tǒng)動(dòng)力電能的傳輸，實(shí)時(shí)、定量地檢測(cè)高壓電氣系統(tǒng)相對(duì)車輛底盤的電氣絕緣性能，檢測(cè)整個(gè)高壓系統(tǒng)的絕緣故障、斷路故障、接地故障和高壓故障等，對(duì)保證乘客安全、電氣設(shè)備正常工作和車輛安全運(yùn)行具有重要的意義。