新能源汽车高压电气系统绝缘设计与测试方法（附：800V高压平台绝缘设计挑战）

新能源汽车电气化程度相对传统汽车要高，其中高压电气系统包括电池包、电驱动系统、高压用电辅助设备、充电机及高压线束等，在汽车运行的恶劣环境（汽车振动、外部环境湿度及温度）影响下，或汽车发生碰撞、翻转的情况，都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘性能降低，由此可能造成汽车火灾的发生，直接影响驾乘人员的生命安全。

高压电气系统架构

新能源汽车较高的工作电压对高压电气系统和车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求，在高压电气系统设计阶段考虑各种工况因素，采用高压绝缘管理策略对整车高压电绝缘状态的在线动态监测至关重要。

1、新能源汽车电气系统架构

新能源汽车高压电气系统为汽车的驱动电机等大功率部件提供电能，根据不同用途，电气系统分为高压电气系统、低压电气系统及CAN通讯信息网络系统。

低压电气系统构成：包括灯光照明系统、娱乐系统、雨刷器等常规低压用电器及相关控制回路（整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC转换器及电动空调等）供电。

整车的高压电气系统构成：动力电池组输出的高压直流电通过电机控制器逆变驱动电机转动，同时通过直流电压转换器或逆变器向空调压缩机、PTC、或其他高压部件等提供电能。

CAN通讯信息网络系统：实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机及非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。

新能源汽车高压电气系统部件

相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统，并采用了大量的高压附件设备（电动空调、PTC电加热器及DC/DC转换器等）。由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题有别于传统燃油汽车。

根据纯电动汽车的特殊结构及电路的复杂性，并考虑纯电动汽车高压电安全问题，必须对高压电系统进行安全、合理的设计和必要的绝缘监控，是电动汽车安全运行的必要保证。

2、新能源汽车高压电气系统绝缘设计要求

新能源汽车高压电气系统最主要的就是要保证充分保证人的安全，从安全设计角度来看，高压安全的关键技术，主要包括三方面：

接触防护：防止人员接触到高压部件，接触防护设计包括绝缘设计、高压安全标识、接触防护等级、遮挡设计等；

接触保护：保障接触到不会发生触电危害，包括高压互锁设计、低电能、低电压和电位均衡等；

安全预警：在发生高压安全危险、漏电之前，有及时的预防和预警系统，通过对高压系统的关键触点绝缘监测、过压保护、过流保护等杜绝危险发生。

电动汽车高压互锁HVIL

根据GB/T 18384《电动汽车安全要求》以及IEC 60479-1：2005《通过人体电流安全标准》，电动汽车高压安全设计要求如下：

（1）高压系统接触防护要求：高压连接器设计遮拦或者外壳且具备高压互锁功能，避免人员直接接触；

（2）高压系统漏电流/电压要求：漏电流不能超过人体安全阈值（30mA·s），接触电压不能超过人体安全电压（36V）；

（3）高压系统绝缘要求：电阻阻值除以动力电池标称电压至少大于100Ω/V；

（4）高压系统功能安全要求：上电时需具有预充电过程，以避免接通时的瞬态高压电冲击；任何工况下，高压继电器的断开时间应小于20ms；高压系统电源断开1s后，任何可触及的导电部分和地之间的交流峰值电压应低于42.4V，直流电压应低于60V，且存储的能量应少于0.2J。

3、电动汽车高压电气系统绝缘电阻测试

对于电动汽车高压电气系统来说，高压系统中所有零部件（如车载充电器，驱动电机，电机控制器，高压分线盒，DC/DC 变换器等），均与高压蓄电池是并联关系，高压系统的绝缘电阻与整个系统的工作状态密切相关。

电动车高压系统发生绝缘故障导致人触电主要分为高压部位直接对车身的绝缘失效、高压部位对设备外壳的绝缘失效两大类，绝缘电阻监控系统是对动力电池和电底盘之间的绝缘电阻进行定期地监视的系统。

电动汽车的高压部件是一种并联的结构，整个系统的绝缘电阻是所有高压部件绝缘电阻的并联值。依据GB-T 18384-2015电动汽车 安全要求中规定，绝缘电阻最低要求：直流100Ω/V，交流500Ω/V。

新能源汽车绝缘材料

绝缘工程上是为了隔离人、其他带电或者不带电结构，在带电器件表面包裹一层绝缘材料，一般通过绝缘电阻、漏电流比较绝缘材料或系统绝缘能力的高低。

绝缘电阻值为两个测试点之间及其周边连接在一起的各项关联网络所形成的等效电阻值，通过检测绝缘电阻可以评估电气设备的绝缘性能。

绝缘监测多采用低频信号注入法，其基本原理是在其内部产生一个正负对称的方波信号，通过绝缘阻抗监测仪连接端子与直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻RF构成测量回路，通过对采样电阻上分压的采集，计算得出RF大小。

绝缘电阻测试原理图

依据绝缘电阻测试类别分类，绝缘电阻的测试包括总成级测试、系统级测试与整车级测试。

按照绝缘电阻测试方法本身的分类，可以分为不含电源的总成/系统测试和动力电池本身及包含电源的系统测试。

不含电源的总成及系统绝缘电阻测试：采用可以提供测试电压的设备，如绝缘表或者绝缘耐压测试仪；

动力电池或包含动力电池的高压系统缘电阻测试：采用可借助本身电压进行测试的方法，目前常用的方法是GB 18384—2020中规定的测试方法，常称为“五步法”。

手持式绝缘电阻测试仪

4、800V高压平台绝缘设计

2024年，国内乘用车800V快充车型渗透率有望提升至7%左右，新能源汽车800V高压平台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。

800V平台电压的提升，电池材料和零部件将面临如下挑战：

三电部件共性耐压绝缘设计挑战：电气部件主功率回路相关的电气间隙、爬电距离要重新设计；高低压部件的信号隔离回路要重新设计；使用更高耐压的绝缘材料。

电池包技术挑战：800V平台充电功率提升，电芯充电倍率将由1C提升到>=3C，影响电池容量和寿命，过高的电压将导致电极材料和电解液的稳定性降低。

电机技术挑战：800V架构下电机以较低的成本来满足扭矩、功率和效率要求的同时，高电压会对绝缘能力、耐压等级以及爬电距离带来更大挑战。

电机控制器技术挑战：800V电机控制器设计必须考虑高功率密度、高耐热、高频率切换应用下的产品可靠性，800V电压以及碳化硅逆变器频率的提升带来逆变器EMC设计的巨大挑战。

其他部件技术挑战：800V OBC、800V DCDC、800V电池高压继电器/熔断器/连接器、充电桩等都需要进行升级，这对汽车研发设计者带来较大的挑战。

800V高压系统架构

总而言之，针对新能源汽车的高压电气架构，需采用合理的高压电气架构（如：驱动电机、减速器和电机控制器集成的三合一；车载充电机、DC\DC变换器集成的二合一等），集成相关高压零部件，达到减少高压继电器、高压连接器的数量、高压动力电缆的使用量等目的，增加整车高压系统的可靠性，降低发生高压安全问题，又可以降低整车成本，增加市场竞争力。

电动汽车中高压电气系统的功能是保证整车系统动力电能的传输，实时、定量地检测高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能，检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障和高压故障等，对保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要的意义。