10問新能源汽車800V絕緣設計

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2022-07-27 15:03:43 30

從全球的技術動向來看，800V高壓是電動汽車未來要走的必經之路。
但要知道，800V帶來的不只是更快的充電效率和更長的續航里程，還有和400V系統相比，更嚴峻的絕緣和安全挑戰。
今天我們就通過10個問答Q&A的形式，來探討800V平臺下新能源汽車的絕緣設計問題。

問

800V平臺下，電機為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣？

答

在GB/T 20220.1（國際標準IEC 60034-18-41）關于電機是否為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣的描述：

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

GB/T 20220.2（國際標準IEC 60034-18-42）對比了Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣的區別：

Ⅱ型絕緣的驗證試驗比Ⅰ型絕緣苛刻

Ⅰ型絕緣可以沒有耐暈結構，Ⅱ型絕緣設計需要增加耐暈結構

耐暈結構（云母帶，半導體絕緣帶綁扎還是很需要時間的）會導致定子制造工藝復雜，成本增加，不利于大批量生產。

下圖為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣繞組的區別，上面為Ⅱ型絕緣繞組，為了防止電暈產生的放電，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致的PD）。

因此提高電機的PDIV，使其在800V平臺下通過Ⅰ型絕緣測試才是新能源電機需要考慮的方向。

問

400V平臺絕緣設計與800V平臺有什么不同？

答

由于母線電壓上升，電機在絕緣設計上區別于400V的點在于幾個參數：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絕緣結構的設計（基本上電氣間隙和爬電距離增加一倍）。

對于扁線電機，因為其繞組末端需要焊接，因此扁線電機端部會存在裸銅，400V平臺電機可以通過充足的電氣間隙去規避放電；

800V需要電氣間隙太大，一般是通過涂敷，利用環氧粉末去增強端部絕緣。

400V平臺

800V平臺

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電壓屬于低壓，不考慮加強絕緣。

下面列一下爬電距離與電氣間隙需要考核的參數：

電氣間隙：瞬態過電壓、再現峰值電壓、污染等級、海拔、環境；

爬電距離：電機工作電壓、CTI、污染等級、環境

這里需要說明關于海拔因素，海拔會影響大氣壓，而大氣壓對空氣中的放電存在影響，因此在考慮PDIV時候也需要將海拔因素考慮進去。

問

污染物等級參數怎么選擇？

答

對于電機，污染物等級一般取等級3；對于電控，一般取等級2。造成差異的兩個原因是制造環境和工作特點。

電控制造環境一般是無塵電子環境，電機制造車間往往達不到無塵環境（即使油冷電機可能達到無塵，但是考慮到ATF油的存在的顆粒往往會對電機造成污染）。

電機部件存在油脂物（軸承、浸漬漆），在電機工作當中可能會因為熱或者相對運動有少量揮發。

因此一般考慮污染物等級，電控一般是2級，電機是3級，下面是污染等級的定義：

問

漆包線PDIV的選擇？

答

對于800V平臺，漆包線的選型與400V平臺截然不同，不同點在于漆膜厚度與漆膜材料。

上文講到新能源的驅動電機定義為Ⅰ型絕緣，理論上那么就不允許存在PD，也就是電機的PDIV要高于電機實際承受的電壓。

PDIV通常是一定值，它的測量具有較好的重復性，主要取決于試樣的絕緣厚度和介電常數。相同材料時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，要遠遠高于母線電壓（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，根據標準IEC 60034-18-41中，考慮到熱老化影響，需要加上經驗系數1.3（當然如果有更多實測數據最好，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，根據文獻《海拔對局部放電特性的影響》，放電起始電壓與氣壓呈直線關系，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（根據測試地點不同修正該參數）。

因此這樣計算下來，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），這個水平的漆包線相對比較保險。

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還要特別強調耐電暈？

解答這個問題前，要談談逆變器輸出波形。可以看到逆變器輸出的尖峰電壓其實并不一致，也就是在于尖峰系數無法做到統一，對于400V電機，大可做到采用保守的尖峰系數；

逆變器輸出波形

但對于800V電機，如果采用保守的尖峰系數，那么所選用的漆包線的PDIV遠遠高于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，會導致制造工藝困難。

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

問

耐電暈漆包線與普通線有什么區別？

答

主要區別在于漆膜，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能達到100h（普通漆包線一般20-30小時），雖然比不上云母帶漆包線（Ⅱ型絕緣電機），但是在800V環境下使用還是比較不錯的。

普通漆包線與耐電暈漆包線區別

問

絕緣電阻測試

答

直流電壓施加于電介質，經過一定時間極化過程結束后，流過電介質的泄漏電流對應的電阻稱為絕緣電阻。

絕緣電阻的測試示意圖如下所示，主要測試相間絕緣電阻、相對地絕緣電阻、相對NTC絕緣電阻。

測試電壓：500Vdc（根據電機額定電壓）

持續時間：5s

判定標準：一般分為冷態絕緣電阻和熱態絕緣電阻，如果按照GB/T18488，冷態絕緣電阻需要大于20MΩ

額定電壓 V	≤36	36-500	500-3300
絕緣電阻儀規格 V	250	500	1000

測試電壓與電機額定電壓關系

這里簡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，交流電對電容電流影響較大（頻率），直流電機會沒什么影響。

當然電機絕緣電阻也會用吸收比或極化指數表達。吸收比為試驗電壓施加60s時的測量值與施加15s時的測量值的比值。

PS：這一項測試我發現沒有新能源電機廠商關注，我也不知道原因，有能夠解釋的可以私信留言。

問

工頻耐電壓測試

答

工頻耐電壓是*的標準，試驗電壓的頻率是50Hz。

測試電壓：1000+2Umax（電池包最大工作電壓），50Hz

持續時間：1min

判定標準：漏電流符合標準。

什么樣的漏電流叫做符合標準？這個和測試電壓密切相關，正確做法需要大量耐電壓數據，通過統計來判斷，但是目前做新能源電機都知道，周期比較短，大多數拍著腦袋出來的。

問

匝間耐壓測試

答

匝間耐壓測試目的是評價匝間絕緣耐過電壓的沖擊能力和檢驗匝間絕緣中的薄弱點，用沖擊波形其測試原理圖如下：

匝間耐壓測試示意圖

測試電壓：1.7*工頻耐電壓值

上述原理為使用一個高壓窄脈沖施加于被測繞組的兩端，此脈沖能量在繞組與匹配電容之間產生一個并聯自激振蕩，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。

分析被測繞組振蕩波形與標準繞組振蕩波形之差異，即可判斷被測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) 標準波形 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

以上是新能源電機尤其是800V絕緣測試的相關內容，僅為作者個人在實際工作過程中遇到的問題及簡要思路，如有失誤也歡迎后臺私信指正，不勝感謝。

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