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10问新能源汽车800V绝缘设计

2022-07-26 09:58:32·  来源：电驱动家园  
　
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

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问

800V平台下，电机为Ⅰ型绝缘还是Ⅱ型绝缘？

答

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）。


图片


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问

400V平台绝缘设计与800V平台有什么不同？

答

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。


图片

400V平台

800V平台


03问

如何确立电气间隙与爬电距离？

答

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问

污染物等级参数怎么选择？

答

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和工作特点。


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：

图片


05问

漆包线PDIV的选择？

答

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。


图片


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。

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