10问新能源汽车800V绝缘设计

电力电子技术与新能源 2022-08-14 20:30


从全球的技术动向来看,800V高压是电动汽车未来要走的必经之路。


但要知道,800V带来的不只是更快的充电效率和更长的续航里程,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。


01

800V平台下,电机为Ⅰ型绝缘还是Ⅱ型绝缘?


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,额定电压700V以下的电机可能是Ⅰ型绝缘和Ⅱ型绝缘,额定电压为700V以上的电机通常为Ⅱ型绝缘。


GB/T 20220.2(国际标准IEC 60034-18-42)对比了Ⅰ型绝缘和Ⅱ型绝缘的区别:

  1. Ⅱ型绝缘的验证试验比Ⅰ型绝缘苛刻

  2. Ⅰ型绝缘可以没有耐晕结构,Ⅱ型绝缘设计需要增加耐晕结构

  3. 耐晕结构(云母带,半导体绝缘带绑扎还是很需要时间的)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,为了防止电晕产生的放电,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考虑的方向。




02

400V平台绝缘设计与800V平台有什么不同?


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,因此扁线电机端部会存在裸铜,400V平台电机可以通过充足的电气间隙去规避放电;


800V需要电气间隙太大,一般是通过涂敷,利用环氧粉末去增强端部绝缘


400V平台

800V平台




03

如何确立电气间隙与爬电距离?


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。


下面列一下爬电距离与电气间隙需要考核的参数:

  • 电气间隙:瞬态过电压、再现峰值电压、污染等级、海拔、环境;

  • 爬电距离:电机工作电压、CTI、污染等级、环境


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。




04

污染物等级参数怎么选择?


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:




05

漆包线PDIV的选择?


对于800V平台,漆包线的选型与400V平台截然不同,不同点在于漆膜厚度与漆膜材料。


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,主要取决于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电压的1.3~1.8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20℃~180℃的PDIV衰减,老化后的衰减)


另外,还需要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,选取的漆包线的PDIV=2300V左右的水平(一般1500V以上的漆包线就属于高PDIV),这个水平的漆包线相对比较保险。



06

为什么800V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,按理是不需要特别考察耐电晕的,那为什么400V不需要考察耐电晕,800V还要特别强调耐电晕?


解答这个问题前,要谈谈逆变器输出波形。可以看到逆变器输出的尖峰电压其实并不一致,也就是在于尖峰系数无法做到统一,对于400V电机,大可做到采用保守的尖峰系数;


逆变器输出波形


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的PDIV远远高于2300V,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。




07

耐电晕漆包线与普通线有什么区别?


主要区别在于漆膜,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,耐电晕漆包线耐电晕能达到100h(普通漆包线一般20-30小时),虽然比不上云母带漆包线(Ⅱ型绝缘电机),但是在800V环境下使用还是比较不错的。


普通漆包线与耐电晕漆包线区别




08

绝缘电阻测试


直流电压施加于电介质,经过一定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



测试电压:500Vdc(根据电机额定电压)

持续时间:5s

判定标准:一般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



额定电压 V

≤36

36-500

500-3300

绝缘电阻仪规格 V

250

500

1000

测试电压与电机额定电压关系


这里简单讲解下为什么用直流电,如下图,绝缘电阻是绝缘电压除以总电流,交流电对电容电流影响较大(频率),直流电机会没什么影响。



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有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。




09

工频耐电压测试


工频耐电压是国家的标准,试验电压的频率是50Hz。



测试电压:1000+2Umax(电池包最大工作电压),50Hz

持续时间:1min

判定标准:漏电流符合标准。



什么样的漏电流叫做符合标准?这个和测试电压密切相关,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。




10

匝间耐压测试


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:


匝间耐压测试示意图

测试电压:1.7*工频耐电压值


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否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。


匝间耐电压波形典型示意图

a) 标准波形   b) 有较小差异波形

c) 有较大差异波形 d) 有匝间短路放电波形

e) 两相都存在匝间短路或铁芯接地不良


以上是新能源电机尤其是800V绝缘测试的相关内容,仅为作者个人在实际工作过程中遇到的问题及简要思路,如有失误也欢迎后台私信指正,不胜感谢。


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