談談動力電池系統(tǒng)的絕緣配合

1、電動汽車的電壓和電流等級都較高，車載電池包電壓一般在200600V, 電流可達幾百安培。人體能承受的安全電壓的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。一電氣設備絕緣配合的重要意義根據國家標準GB 380583特低電壓（ELV）限值可知一定電壓作用下，通過人體電流的大小與人體電阻有關（在有觸電保護裝置的情況下，人體允許通過的電流為30mA），一般在干燥、無外傷情況下人體的電阻約為2000左右。因此可以得知直流電壓大于60V會對人體有電擊的傷害，由于電動汽車電池是一種高壓，并且是一種高能量存儲裝置，因此在無任何防觸電保護情況下，人員觸及將無法存活。由國際電工標準的可知，人體沒有任何感覺的閾值是2

2、 mA。這就要求如果人或其他物體構成動力蓄電池系統(tǒng)（或“高電壓”電路）與地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不能超過2 mA，即人直接接觸電氣系統(tǒng)任一點的時候，流過人體的電流應當小于2 mA 才認為車輛絕緣合格。因此，在電動汽車的開發(fā)中，要注意高壓電氣系統(tǒng)的絕緣設計，嚴格控制絕緣電阻值，使泄漏電流在安全的范圍內。表1人體對電流的反應二電氣設備的電絕緣配合1.人員觸電危害與防護措施觸電對人體的危害，主要是因電流通過人體一定路徑引起的。電流通過頭部會使人昏迷，電流通過脊髓會使人截癱，電流通過中樞神經會引起中樞神經系統(tǒng)嚴重失調而導致死亡。根據歐姆定律U=I*R可以得知當電壓加在人體與絕緣電阻（包括

3、空氣和固體等電阻）構成的串聯(lián)回路中，為保證人員安全只能通過增大與人體串聯(lián)的絕緣電阻。例如通過增大外衣、鞋、褲等絕緣電阻，于是就出現(xiàn)了高壓絕緣鞋、高壓絕緣手套等一系列供人穿戴的防護用品如圖1。但是問題又來了，不可能每次要用電氣設備之前都要全副武裝，那樣很不方便，像圖2這樣的場景估計也只有在工廠才能見到，如果平時也這樣那大家會崩潰的。既然可以通過增大外衣、鞋、褲等電阻增加人體電阻，那也可以把電氣設備中的危險源進行絕緣處理（相當于在危險源與人體之間串聯(lián)一個較大的電阻）。對于絕緣通常都是以電阻（R）的大小進行量化，根據電阻公式R=*L/S（材料的等效電阻率；L材料的等效長度；S材料的等效截面面積）可知

4、，通過改變、L和S的值來就能改變絕緣電阻的大小。大家都知道空氣是一種最普通、可靠、便宜的電氣絕緣介質，它的絕緣電阻與空氣間隙大小成正比，但是在一個限制空間的高壓設備，只靠空氣間隙是無法滿足絕緣電阻的要求（因為空氣的等效長度（L）不夠，導致R變?。?。而高電阻率（）的固體絕緣材料，就能滿足限制空間的高壓設備的絕緣電阻要求，但是與空氣絕緣不同的是，固體絕緣材料是一種不可恢復的絕緣介質，在電場強度、熱、潮濕等的不利因素造成固體絕緣材料電阻率（）不斷的減小導致絕緣電阻值變小稱之為絕緣老化。比如長時間發(fā)熱會造成絕緣性能的下降。那怎樣才能滿足電氣絕緣的要求，不會使設備和人員受到損傷。EN 60664-1(或

5、GB/T16935)低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合標準提出了絕緣配合的概念，絕緣配合統(tǒng)指電氣設備根據其使用和環(huán)境條件來選擇的電氣絕緣，它由電氣間隙、爬電距離以及固體絕緣組成，是對電氣設備絕緣的統(tǒng)稱。2.電氣間隙、爬電距離之間的關系在各電器產品的國家強制標準里均涉及到“爬電距離”和“電氣間隙”兩個術語，從EN 60664-1(或GB/T16935)低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合標準可知：電氣間隙則是“兩導電部件或一個導電部件與器具易觸及表面的空間最短距離”。而爬電距離是“兩導電部分之間，或一個導電部件與器具的易觸及表面之間沿絕緣材料表面的最短距離”。它存在于兩個平行的絕緣材料的連接處，它有可能存在于固體或者

6、氣體絕緣之間。電氣間隙和爬電距離是兩個不同的概念，但兩者既有區(qū)別又有聯(lián)系，前者與純空氣的絕緣強度（或者說擊穿電壓）密切關聯(lián)，后者則與固體絕緣件表面擊穿電壓（或者稱為沿面放電電壓、表面閃絡電壓）緊密相關。在同一個分布電場里，電氣間隙和爬電距離相當于是兩個“并聯(lián)”的擊穿通道。在長期電壓有效值使用情況下，由于導體周圍的固體絕緣材料被電極化(凡在外電場作用下產生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化)，導致絕緣材料呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，而空氣卻不存在電極化現(xiàn)象。此帶電區(qū)（導體為圓形時，帶電區(qū)為環(huán)形）的半徑，即為爬電距離；在絕緣材料表面會形成泄漏電流路徑。若這些泄漏電流路徑構成一條導電通

7、路，則出現(xiàn)表面閃絡或擊穿現(xiàn)象。絕緣材料的這種變化需要一定的時間，它是由長時間加在器件上的工作電壓所引起的，器件周圍環(huán)境的污染能加速這一變化。當出現(xiàn)暫態(tài)過電壓或瞬態(tài)過壓的情況下，雖然電壓峰值很高，但是持續(xù)的時間短，導體周圍的固體絕緣材料無法被電極化，這時固體絕緣材料為高阻抗，結果電壓只能從另一個低絕緣電阻通道（電氣間隙）放電，可見電氣間隙的大小和老化現(xiàn)象無關。綜上所述可以得知，固體絕緣件表面擊穿電壓大大低于純電氣間隙的擊穿電壓(固體絕緣材料被電極化導致)，這也正是在同一電壓等級下，為什么爬電距離往往比電氣間隙數(shù)值要大的原因。3.電氣間隙、爬電距離和固體絕緣三者之間的關系假設兩個裸露導體在同一個平

8、面，當兩導體之間的電壓差不斷增加時，最終空氣將會被擊穿然后導通，產生火花(電弧)如右圖，能量消散在這電弧之中，為了解決這一問題我們有兩種辦法可以采用，一種是把電氣間隙數(shù)值大大增加使絕緣電阻變大，使它無法擊穿空氣產生電弧。另一個辦法就是在固體絕緣增加一塊絕緣擋板，這樣電氣間隙的路徑就被延長了，延長的路徑增加了電氣強度性能，從而達到提高電氣間隙絕緣性能的目的。（圖3 右）。從圖3可以發(fā)現(xiàn)在固體絕緣增加一塊絕緣擋板，同樣把爬電距離的路徑延長，延長的路徑增加了電氣強度性能，從而也提高爬電距離絕緣性能。4.PACK系統(tǒng)中的絕緣配合應用在不同帶電部件之間或帶電部件與金屬外殼之間，進行電氣間隙和爬電距離的設

9、計時。電氣間隙的確定：電氣間隙應以承受所要求的沖擊耐壓來確定（對于直接接至低壓電網供電的設備，應在綜合考慮沖擊耐受電壓，穩(wěn)態(tài)有效值電壓，暫態(tài)過電壓和再現(xiàn)峰值電壓之后，選擇最大的電氣間隙）。爬電距離的確定：以作用在跨接爬電距離兩端的長期電壓有效值為基礎（此電壓為實際工作電壓、額定絕緣電壓或額定電壓），瞬態(tài)過電壓通常不會影響電痕化現(xiàn)象，因此忽略不計，然而對暫態(tài)過電壓和功能過電壓，如果他們的持續(xù)時間和出現(xiàn)的頻度對起痕有影響的話，則必須要考慮。而絕緣材料的選用主要從絕緣材料的電性能、機械性能、熱性能、化學性能以及經濟性幾個方面來進行考慮。如電芯與電芯空氣中的隔離空間就是“電氣間隙”、模組的正/負極柱沿

10、絕緣材料表面到模組外殼之間的爬電距離是用來減少（防止）漏電起痕或者電弧放電的。（顯然，兩導體之間的電壓越低，導體間的空間越小，爬電距離和電氣間隙數(shù)值可以相應減小。）另外還要考慮兩電導體之間的距離因長期使用后絕緣電阻的減小。比如灰塵或其他微粒的積累會引起印制線路板上的漏電起痕甚至電氣導通。大氣中的固體顆粒（包括金屬），塵埃和水能夠橋接小的電氣間隙，在潮濕的環(huán)境下，非導電性物體也會轉換成導電性物體，從而改變了整個系統(tǒng)絕緣電阻的電阻率（）。當絕緣表面污染到一定程度，帶電部件之間的漏電流較大時，會形成閃爍，釋放的能量造成絕緣表面損傷，長時間作用下，絕緣性能逐步劣化，形成帶電通道（漏電痕跡）。大多數(shù)情況

11、下設備是處在高溫、高濕、有害化學物等環(huán)境中，為了保證設備能在其期望壽命中滿足絕緣配合，把設備的內（稱為微觀環(huán)境）和設備外進行密封隔離處理。例如PACK產品就是采取增加外殼同時滿足IP67的方法來防止灰塵和水進入其內部，以保證PACK內部的微觀環(huán)境不會因為通風或灰塵或水對電氣間隙、爬電距離和固體絕緣的產生影響。三絕緣配合檢測從EN 60664-1(或GB/T16935)低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合標準可知，絕緣配合的設計是否能滿足產品要求可以通過絕緣電阻和抗電強度測試進行驗證。這兩項都是在高電壓下進行的測試（絕緣：500V DC,耐壓：2100V DC），判定標準分別是絕緣阻抗（R）和漏電流（I），其原理上都是采用歐姆定律U=I*R。這兩個測試的區(qū)別是絕緣電阻測試測量到的絕緣電阻值為兩個測試點之間及其