燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻設(shè)計(jì)及分析

摘要：介紹了燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻保護(hù)原理，分析了絕緣電阻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)于提高燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻設(shè)計(jì)水平具有良好的借鑒意義，可以有效提升燃料電池汽車的高壓電安全性能。關(guān)鍵詞：高壓電；燃料電池系統(tǒng)；絕緣電阻0

引言我國新能源汽車發(fā)展迅猛，確立了以燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車三種車型為三縱，以多能源電力總成、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池三種共性技術(shù)為三橫的研發(fā)布局。燃料電池汽車作為終極能源解決方案，在發(fā)展過程中遇到了諸多問題，尤其高壓電安全設(shè)計(jì)一直是難點(diǎn)，絕緣電阻是考量高壓電安全性的重要指標(biāo)。因此，燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻設(shè)計(jì)顯得尤為重要。1

絕緣電阻保護(hù)原理對(duì)于高壓電而言，其觸電防護(hù)直接關(guān)系到人身安全，主要的防護(hù)措施包括基本防護(hù)和單點(diǎn)失效防護(hù)?；痉雷o(hù)主要是零部件的防護(hù)設(shè)計(jì)，通過絕緣、遮攔或外殼設(shè)計(jì)，防止人員與帶電部分直接接觸。單點(diǎn)失效防護(hù)主要是電位均衡和絕緣電阻防護(hù)。對(duì)于絕緣電阻防護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在高壓系統(tǒng)最大工作電壓下，直流電路的絕緣電阻最小值為100Ω/V，交流電路的絕緣電阻應(yīng)大于500Ω/V。為滿足整車對(duì)絕緣電阻的要求，根據(jù)高壓部件的數(shù)量，每個(gè)組件應(yīng)有更高的絕緣電阻。對(duì)于燃料電池汽車，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定組合電路的絕緣電阻至少達(dá)到500Ω/V，如果交流電路中應(yīng)用了附加防護(hù)方法來避免單點(diǎn)失效后的觸電事故，則絕緣電阻值可以降低至100Ω/V。2

絕緣電阻分析電堆絕緣電阻模型如圖1所示，其中R1表示正極端板對(duì)地的絕緣電阻、R2與R3表示冷卻液對(duì)地的絕緣電阻、R4表示負(fù)極端板對(duì)地的絕緣電阻。R1和R4由高壓母排與框體的爬電距離、絕緣材料決定。導(dǎo)電的雙極板與冷卻液直接導(dǎo)通，冷卻液又經(jīng)過管路、散熱器直接與車身相連，冷卻液的電導(dǎo)率決定了Rp2（R1與R2并聯(lián)后的等效電阻）、Rn2（R3與R4并聯(lián)后的等效電阻）的大小。在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮將零部件與車身進(jìn)行隔離，并使用非金屬材料,采用去離子水，增加去離子樹脂來降低冷卻水的電導(dǎo)率，從而提高絕緣電阻值。雙極板直接與冷卻液導(dǎo)通，冷卻液經(jīng)過硅膠管路進(jìn)入水泵及散熱器，鋁制散熱器安裝在車身上，絕緣電阻會(huì)大幅降低，一般要求冷卻液的電導(dǎo)率小于5μS/cm。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率為1

μS/cm時(shí)，系統(tǒng)絕緣電阻在600kΩ，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率大于5

μS/cm時(shí)，絕緣電阻值下降至100

kΩ，當(dāng)冷卻液電導(dǎo)率接近20

μS/cm時(shí)，絕緣電阻值為20

kΩ。分配頭采用非金屬加鋁合金制成，與電堆連接的端板采用鋁合金材料，保證足夠的支撐強(qiáng)度，在鋁合金材料中間內(nèi)嵌的三腔流道，分別對(duì)應(yīng)空氣、氫氣、水，冷卻液與塑料分配頭接觸，提高了冷卻回路的絕緣電阻值。在空氣和氫氣管路中，高濕氣體也會(huì)對(duì)絕緣電阻產(chǎn)生影響，塑料材質(zhì)的分配頭會(huì)提高電堆的絕緣性能。溫度對(duì)絕緣電阻值也有影響，隨著溫度的升高，絕緣體中的原子、分子活動(dòng)增加，原來的分子結(jié)構(gòu)變得相對(duì)松散，離子不斷增加。帶電的離子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生移動(dòng)而傳遞電子，絕緣性能下降，絕緣電阻降低。實(shí)驗(yàn)表明，溫度40℃時(shí)，絕緣電阻大約為600kΩ，當(dāng)溫度升高到70℃，電阻值下降至450kΩ。3

冷卻回路與絕緣電阻燃料電池系統(tǒng)散熱時(shí)，冷卻液流經(jīng)雙極板、分配頭、散熱器、水泵等部件。當(dāng)冷卻液的電導(dǎo)率較高時(shí)，會(huì)通過可導(dǎo)電的零部件直接與車身相連，導(dǎo)致絕緣電阻降低。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)將冷卻回路與車身進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，通過去離子裝置降低冷卻液的電導(dǎo)率，提高絕緣等級(jí)。圖2為燃料電池冷卻系統(tǒng)原理圖，電堆、節(jié)溫器、水泵組成冷卻系統(tǒng)的小循環(huán)，中冷器與去離子器串聯(lián)后與電堆并聯(lián)。當(dāng)溫度升高后，大循環(huán)打開，冷卻液經(jīng)過散熱器、電堆后回到水泵。將冷卻系統(tǒng)總成與車身隔離開，通過在散熱器、中冷器、水泵等可導(dǎo)電部件的安裝點(diǎn)上增加絕緣墊進(jìn)行隔離。散熱器、中冷器、水泵都是可導(dǎo)電的零部件，為了驗(yàn)證其離子釋放情況，分別測(cè)試散熱器入水口、散熱器出水口、水泵出水口、中冷器出水口4個(gè)位置的離子釋放情況。在沒有去離子器的情況下，注入電導(dǎo)率為0

μS/cm的去離子水，每12h記錄1次測(cè)試結(jié)果。電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果（表1）表明，散熱器和中冷器是最大的離子釋放源。4

電堆防護(hù)設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻取決于零部件的絕緣電阻并聯(lián)后的值，其中關(guān)鍵的因素是電堆。在絕緣設(shè)計(jì)中，要考慮電堆與框架之間的絕緣防護(hù)、高壓連接部分的絕緣防護(hù)。另外，冷卻回路的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的絕緣電阻值影響很大，要單獨(dú)對(duì)冷卻回路進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的絕緣電阻值。電堆用固定支架安裝在鋁合金框架內(nèi)，電堆的單片是可導(dǎo)電的，為了提高電堆的絕緣等級(jí)，在電堆上增加絕緣防護(hù)層。絕緣層在可導(dǎo)電部分與金屬框架之間增加防護(hù)，又可以起到密封的作用，防止氫氣泄漏到框架中。電堆底部與框架間隙最小的地方，爬電距離大于40mm。電堆單片電壓采集需要安裝電壓采樣線，為避免可導(dǎo)電部分外露，在電壓采樣點(diǎn)外部設(shè)計(jì)了護(hù)板，護(hù)板采用PA66材料，通過隔離的方式增加絕緣電阻值，防止高壓部分與框架直接接觸。電堆的正負(fù)極端子為鍍金材料的導(dǎo)電柱，導(dǎo)電柱選用塑料外殼的高壓連接器來進(jìn)行防護(hù)，通過高壓線束將電堆的正負(fù)極輸出到框架本體的連接器上。連接器防護(hù)等級(jí)為IP67，高壓導(dǎo)線耐壓等級(jí)為AC2500V?？蚣鼙倔w連接器正負(fù)極之間距離為60mm，同時(shí)在連接器的連接處增加塑料材料的防護(hù)套，保證連接器與框架支架的絕緣防護(hù)效果。5

結(jié)語

燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻是決定燃料電池汽車整車絕緣電阻水平的關(guān)鍵因素，根據(jù)《電動(dòng)汽車安全要