從全球的技術(shù)動向來看，800V高壓是電動汽車未來要走的必經(jīng)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(xù)航里程，還有和400V系統(tǒng)相比，更嚴(yán)峻的絕緣和安全挑戰(zhàn)。

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(shè)計問題。

01

問

800V平臺下，電機(jī)為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣？

答

在GB/T 20220.1（國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41）關(guān)于電機(jī)是否為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣的描述：

Ⅰ型繞組絕緣預(yù)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(jīng)受PD，額定電壓700V以下的電機(jī)可能是Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣，額定電壓為700V以上的電機(jī)通常為Ⅱ型絕緣。

GB/T 20220.2（國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-42）對比了Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣的區(qū)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(jié)構(gòu)，Ⅱ型絕緣設(shè)計需要增加耐暈結(jié)構(gòu)

耐暈結(jié)構(gòu)（云母帶，半導(dǎo)體絕緣帶綁扎還是很需要時間的）會導(dǎo)致定子制造工藝復(fù)雜，成本增加，不利于大批量生產(chǎn)。

下圖為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣繞組的區(qū)別，上面為Ⅱ型絕緣繞組，為了防止電暈產(chǎn)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(dǎo)致的PD）。

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

02

問

400V平臺絕緣設(shè)計與800V平臺有什么不同？

答

由于母線電壓上升，電機(jī)在絕緣設(shè)計上區(qū)別于400V的點在于幾個參數(shù)：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(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計（基本上電氣間隙和爬電距離增加一倍）。

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

800V需要電氣間隙太大，一般是通過涂敷，利用環(huán)氧粉末去增強(qiáng)端部絕緣。

03

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(jī)電壓屬于低壓，不考慮加強(qiáng)絕緣。

下面列一下爬電距離與電氣間隙需要考核的參數(shù)：

電氣間隙：瞬態(tài)過電壓、再現(xiàn)峰值電壓、污染等級、海拔、環(huán)境；

爬電距離：電機(jī)工作電壓、CTI、污染等級、環(huán)境

這里需要說明關(guān)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(jìn)去。

04

問

污染物等級參數(shù)怎么選擇？

答

對于電機(jī)，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(huán)境和工作特點。

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

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

因此一般考慮污染物等級，電控一般是2級，電機(jī)是3級，下面是污染等級的定義：

05

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(qū)動電機(jī)定義為Ⅰ型絕緣，理論上那么就不允許存在PD，也就是電機(jī)的PDIV要高于電機(jī)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(fù)性，主要取決于試樣的絕緣厚度和介電常數(shù)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41中，考慮到熱老化影響，需要加上經(jīng)驗系數(shù)1.3（當(dāng)然如果有更多實測數(shù)據(jù)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(jù)文獻(xiàn)《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(guān)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(jù)測試地點不同修正該參數(shù)）。

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。

06

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(chǎn)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(qiáng)調(diào)耐電暈？

解答這個問題前，要談?wù)勀孀兤鬏敵霾ㄐ??？梢钥吹侥孀兤鬏敵龅募夥咫妷浩鋵嵅⒉灰恢?，也就是在于尖峰系?shù)無法做到統(tǒng)一，對于400V電機(jī)，大可做到采用保守的尖峰系數(shù)；

逆變器輸出波形

但對于800V電機(jī)，如果采用保守的尖峰系數(shù)，那么所選用的漆包線的PDIV遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)，會導(dǎo)致制造工藝?yán)щy。

因此選擇一個合適的尖峰系數(shù)（大多數(shù)尖峰達(dá)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。

07

問

耐電暈漆包線與普通線有什么區(qū)別？

答

主要區(qū)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?zāi)苓_(dá)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(jī)），但是在800V環(huán)境下使用還是比較不錯的。

普通漆包線與耐電暈漆包線區(qū)別

08

問

絕緣電阻測試

答

直流電壓施加于電介質(zhì)，經(jīng)過一定時間極化過程結(jié)束后，流過電介質(zhì)的泄漏電流對應(yīng)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(jù)電機(jī)額定電壓）

持續(xù)時間：5s

判定標(biāo)準(zhǔn)：一般分為冷態(tài)絕緣電阻和熱態(tài)絕緣電阻，如果按照GB/T18488，冷態(tài)絕緣電阻需要大于20MΩ

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測試電壓與電機(jī)額定電壓關(guān)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(jī)會沒什么影響。

當(dāng)然電機(jī)絕緣電阻也會用吸收比或極化指數(shù)表達(dá)。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(fā)現(xiàn)沒有新能源電機(jī)廠商關(guān)注，我也不知道原因，有能夠解釋的可以私信留言。

09

問

工頻耐電壓測試

答

工頻耐電壓是國家的標(biāo)準(zhǔn)，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(xù)時間：1min

判定標(biāo)準(zhǔn)：漏電流符合標(biāo)準(zhǔn)。

什么樣的漏電流叫做符合標(biāo)準(zhǔn)？這個和測試電壓密切相關(guān)，正確做法需要大量耐電壓數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計來判斷，但是目前做新能源電機(jī)都知道，周期比較短，大多數(shù)拍著腦袋出來的。

10

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(chǎn)生一個并聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)尤其是800V絕緣測試的相關(guān)內(nèi)容。

編輯：黃飛

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