新能源汽车高压系统绝缘设计

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inkMacSystemFont, "">传统燃油汽车采用 12V 给车内电气（车灯，雨刷，车窗，空调等）供电， 不易发生触电事故.电动汽车采用动力电池提供动力驱动电动机，电动汽车高压蓄电池（动力电池）输出电压已经超出了安全电压，若系统绝缘损坏就会发生触电事故。发生触电事故的主要原因有以下几种：

（1）缺乏电气安全知识；

（2）违反操作规程；

（3）设备不合格；

（4）设备失修等。

1 绝缘相关概念

（1）击穿

在固体电介质中发生破坏性放电时，称为击穿。击穿时，在固体电介质中留下痕迹，使固体电介质永久失去绝缘性能。

（2）原子结构

原子由原子核和核外电子构成，这些电子绕着原子核的中心运动，就像太阳系的行星绕着太阳运行一样。原子核内有质子、中子，还有其他基本粒子。

（3）电流

导体内的自由电子或离子在电场力的作用下有规律的流动。规定正电荷移动的方向为正方向。用字母 i 表示，单位为 A（安）。

（4）电压

电路中两点之间的电位差。用字母 U表示，单位是 V（伏）。标称电压（nominal voltage）一个电气系统名义的电压值。该系统的特性都与此值有关。工作电压（working voltage）在任何正常工作状态下，电气系统可能产生的交流电压（均方根值 rms)或直流电压的*髙值（不考虑瞬时电压）。

（5）电阻

导体能导电，同时对电流有阻力作用，这种阻碍电流通过的能力成为电阻，用字母 R 表示，单位是Ω（欧姆）。

绝缘体内部：原子核周围的电子被原子核牢牢束缚，称为束缚电子，因此绝缘体不导电；

导体内部：存在大量脱离原子核束缚的电子,称为自由电子，因此导体导电。

（6）电路electrical circuit

电流可以流过的彼此相连的带电部件的集合。

（7）电气间隙

两导电部件之间，或一个导电部件与器具的易触及表面之间的空间*短距离，如图所示。

（8）爬电距离

两导电部件之间，或一个导电部件与器具的易触及表面之间沿绝缘材料表面测量的*短路径，如图所示。

（9）直接接触direct contact

人员与带电部件的接触。

（10）间接接触indirect contacl

人员与基本绝缘故障情况下变为带电的外露可导电部件之间的接触。或者说指电气设备的外露导电部分因绝缘损坏而带故障电压，这时人或动物接触此外露导电部分而遭受的电击。例如因绝缘破损，人挪动相线线芯碰金属支柱时遭受的电击。电动汽车本来车壳不带电，当由于电动汽车内部高压系统中的零部件的绝缘损坏导致机壳至少两点带电时，此时如果人不小心触碰车壳时，会造成间接接触触电。

（11）四种绝缘

电动汽车中涉及到 4 种绝缘，包括基本绝缘，附加绝缘，双重绝缘，加强绝缘。

• 基本绝缘basicinsulation

带电部件上对防触电（在没有故障的状态下）起基本保护作用的绝缘。

• 附加绝缘supplementary insulation

为了在基本绝缘故障情况下防止触电，而在基本绝缘之外使用的独立绝缘。以导线绝缘为例说明基本绝缘和附加绝缘表现形式，电动汽车使用的高压电缆如图所示。

基本绝缘和附加绝缘

• 双重绝缘double insulation

同时具有基本绝缘和附加绝缘的绝缘。双重绝缘使用的例子如：具有两层护套的电线。举例说明：一根电源线有基本绝缘，如果再套一层纤维管或热缩管，那么增加的这一层绝缘叫做附加绝缘，加强绝缘从形式上看是一层绝缘，但本质上相当于双重绝缘的功能。

• 加强绝缘reinforced insulation

提供相当于双重绝缘保护程度的带电部件上的绝缘结构。绝缘结构并不意味着绝缘必须是同类材料，它可以由几种不同于基本绝缘或附加绝缘那样能够单独试验的绝缘层组成。

加强绝缘使用的例子很多，如：一般电器产品的塑胶外壳。电动汽车交流充电插座属于加强绝缘，如图所示。

电动汽车交流充电插座

对于上述 4种绝缘可以拿个生活例子穿衣服来比喻：基本绝缘：穿了一件衣服；附加绝缘：可能有点冷，在原来的衣服上再加一件；双重绝缘：两件衣服的统称，即**件衣服+第二件衣服；加强绝缘：就穿一件衣服，比较厚的保暖衣。此件衣服可以是一层也可以是两层或多层。

（12）电动车的防护等级

IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统是由IEC（INTERNATIONALELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起草，将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免触电。IP 防护等级是由两个数字所组成，第 1 个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级，第 2 个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。

防护等级多以 IP 后跟随两个数字来表述，数字用来明确防护的等级。

• **位数字表明设备抗微尘的范围，或者是人们在密封环境中免受危害的程度。代表防止固体异物进入的等级，***别是 6，如表 3.1所示；

• 第二位数字表明设备防水的程度。代表防止进水的等级，***别是 8，如表 3.2 所示。

表3.1IP后**位数字:防尘等级说明数字防护范围说明0无防护对外界的人或物无特殊的防护1防 止 直 径 大 于50mm的固体外物侵入 防止人体（如手掌）因意外而接触到电器内部的零件，防止较大尺寸（直径大于50mm）的外物侵入 inkMacSystemFont, "font-size:14px;">2inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防 止 直 径大 于12.5mm的固体外物侵入inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防止人的手指接触到电器内部的零件，防止中等尺寸（直径大于12.5mm）的外物侵入inkMacSystemFont, "font-size:14px;">3inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防 止 直 径 大 于2.5mm的固体外物侵入inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防止直径或厚度大于2.5mm的工具、电线及类似的小型外物侵入而接触到电器内部的零件4 inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防 止 直 径 大 于1.0mm的固体外物侵入inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线及类似的小型外物侵入而接触到电器内部的零件5 inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防止外物及灰尘inkMacSystemFont, "font-size:14px;">完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘侵入，但灰尘的侵入量不会影响电器的正常运作6 inkMacSystemFont, "font-size:14px;">防止外物及灰尘inkMacSystemFont, "font-size:14px;">完全防止外物及灰尘侵入表3.2IP后第二位数字:防水等级说明数字防护范围说明0无防护对水或湿气无特殊的防护1防止水滴浸入垂直落下的水滴（如凝结水）不会对电器造成损坏 2倾斜15度时，仍可防止水滴浸入当电器由垂直倾斜至15度时，滴水不会对电器造成损坏 3防止喷洒的水浸入 防雨或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水侵入电器而造成损坏4防止飞溅的水浸入防止各个方向飞溅而来的水侵入电器而造成损坏5防止喷射的水浸入防止来自各个方向由喷嘴射出的水侵入电器而造成损坏6防止大浪浸入装设于甲板上的电器，可防止因大浪的侵袭而造成的损坏 7防止浸水时水的浸入电器浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下，可确保不因浸水而造成损坏 8防止沉没时水的浸入电器无限期沉没在指定的水压下，可确保不因浸水而造成损坏

欧洲标准要求：组件和接插件连接至少 IP2X 在断开状态，至少 IP4X 的连接状态，具体内容参见 EN60529(VDE0470-1)。

（13）I和II类设备

• I类设备class 1 equipment

依靠基本绝缘对带电部件进行防触电保护，并把这个设备中外露可导电部件

与保护导体相连的设备。

在电动汽车中一类设备主要有：电动汽车的线束中带一层绝缘外皮的导线。

• II类设备classIIequipment

使用双重绝缘或加强绝缘进行防触电保护的设备。

在电动汽车中二类设备主要有：电动汽车交流充电插座，各种接插件的接口，高压电缆等，如图所示。

电动汽车交流充电插座

（14）电位均衡概念

电动汽车中各个高压部件采用接地线连接，保证各个高压部件电位均衡。接地的电阻值不超过0.1Ω。

（15）污染等级

环境条件：根据导电物体吸湿的尘埃、游离气体或盐类和由于吸湿或凝露导致表面介电强度或电阻率下降事件发生的频度而对环境条件作出的分级。

污染等级 1：无污染、或仅有干燥的非导电性污染。

污染等级 2：一般情况下，只有非导电性污染。但是，也应考虑到偶然由于凝露造成的暂时的导电性。

污染等级 3：存在导电性污染，或者由于凝露使干燥的非导电性污染变成导电性的污染。

污染等级 4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪造成的污染。

按照国标 GB4706.1-2005 需要满足爬电距离和电气间隙的要求（针对污染等级为 III，使用电压 220-240V，一般如下）：

基本绝缘：电气间隙 1.5mm，爬电距离 4.0mm；

双重绝缘：电气间隙 3.0mm，爬电距离 8.0mm；

污染导致；绝缘破坏，所以电动汽车高压系统必须需要维护。

（16）绝缘等级

绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分 A级、E级、B级、F级、H 级、C 级、N级、R级。允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。

在电气设备中，绝缘材料是*为薄弱的环节。绝缘材料尤其容易受到高温的影响而加速老化并损坏。不同的绝缘材料耐热性能有区别，采用不同绝缘材料的电气设备其耐受高温的能力就有不同。因此一般的电气设备都规定其工作的*高温度。

绝缘等级说明

级别绝缘材料*限工作温度（℃）Y木材、棉花、纤维等90A漆包线、沥青漆等105E玻璃布、油性树脂漆等120B玻璃纤维、石棉等130F聚酯和醇酸类材料155H有机硅云母、硅有机漆等180C石英、石棉、电瓷材料等180以上

（17）绝缘电阻

简单说绝缘电阻是指绝缘物在规定条件下的直流电阻。具体说绝缘电阻是指加直流电压于电介质，经过一定时间*化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻称绝缘电阻。

2 绝缘监测重要性

（1）绝缘电阻监控系统

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（或永久)地监视的系统。

对于电动汽车高压系统来说，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，所以（包括高压蓄电池）这些零部件中任何一个零部件发生绝缘故障，均可以通过测量高压蓄电池的正、负*的对地绝缘电阻来检测出。

在实际电动汽车中，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/T18384.3的要求，高压系统绝缘值应大于 100Ω/V，而 SAEJ1766和 ECER100标准规定绝缘值应大于 500Ω/V。这实际要求高压母线上的设备本身的绝缘电阻值要远大于上述要求值。

整车高压系统原理图

因此，对于电动汽车高压系统而言，其等效的绝缘电阻与整个系统的工作状态密切相关，这对整个高压系统的绝缘状态监测提出了很高的要求。

电动汽车发生绝缘故障之后会对操作者和设备带来不同程度的伤害，设备通常采用各级别保护措施，对于操作者来说即使在绝缘故障工况下，只要按照一定的规则操作就不会发生危险。

（2）电动车高压系统发生绝缘故障分类

由于电动车高压系统发生绝缘故障导致人触电主要分为两大类：

• 高压部位直接对车身的绝缘失效

以高压母线正*对车身绝缘失效为例进行分析，如下图所示。如果母线正*对车身的绝缘电阻值变小（可能由于高压母线本身或者某一设备发生了正*对车身地绝缘故障而造成），则当人体接触到负*母线时，通过人体的电流值可能较大。如果绝缘电阻值减小到使通过人体的电流超过安全电流限值的时候， 就会发生电击事故。

高压母线正*对车身的绝缘故障

• 高压部位对设备外壳的绝缘失效

如下图所示，假设某一高压电气设备正*出现对外壳的碰壳或漏电故障，那么当人体一端接触到带电外壳，另一端与高压母线负*直接接触时，即使人体与车身是绝缘的，人体仍旧相当于接触到高压母线正、负两*，因此仍然会有危险的漏电流如下图中虚线所示的途径流过人体，从而造成对人员的间接电击。

高压部位对设备外壳的绝缘故障

• 电动汽车绝缘故障对电动汽车内部设备的影响

电动汽车高压零部件较多，如动力电池组、驱动电动机、电机控制器、车载冲电机等等，如不测绝缘电阻，导致设备短路烧毁。例如当电机某相绕组对地绝缘过小时会造成电机控制器过流，可能造成 IGBT 模块击穿或烧损。

3 电动汽车的触电防护

（1）电压等级介绍

根据电路的工作电压 U，将电路分为以下几级，如表所示。

电路的电压分级

电压级别工作电压直流系统V交流系统（15~150HZ）V（ms） A0＜U≤600＜U≤25B60＜U≤100025＜U≤660注：1）60 V（DC）或25 V（AC）的电压是因考虑了空气的湿度条件。对非交流电但是重复的脉冲电压，如果峰值持续时间大于10ms,则取工作电压为*大峰值。如果峰值持续时间小于10ms，则取工作电压为均方根(rms)值。记录下的交流电压值在规定的频率范围内是非常重要的。2）波动电压的均方根不超过10%。3）B级的*高电压按GB 156—1993中1的规定。（2）电动汽车对人触电防护

GBT 18384.3-2001电动汽车安全要求第 3 部分：人员触电防护要求中明确规定了对人触电防护的基本要求，触电防护如下。

触电防护应包含防止人员与任何带电部件的直接接触和在带电部件的基本

绝缘故障的情况下的触电防护。对于 A 级电压的电路不要求提供触电防护。

• 直接接触防护

对于任何 B 级电压电路的带电部件，都应为人员提供危险接触的防护。直接接触防护应由带电部件的基本绝缘提供遮挡/外壳，或两者的结合来提供，并应满足基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘和加强绝缘的要求中的内容，以及耐压试验的要求中的内容。

• 基本绝缘故障情况下的防护

任何 B级电压电路的带电部件的基本绝缘故障时，应防止人员与外露可导电部件接触而导致的触电危害。

故障情况下，应由Ⅰ类设备或Ⅱ类设备或两者组合来防护。Ⅱ类设备的附加绝缘、双重绝缘或加强绝缘应满足基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘和加强绝缘的要求中的内容。Ⅰ类设备的电位均衡应满足电位均衡的要求中的内容。

按照 GB 5465. 2 的规定，Ⅱ类设备应用下列符号进行标志。

在电动汽车中对人体防护的具体措施有以下几种：

• 对电动汽车中高压系统采取电位均衡

采用等电位连接的作用示例如下图所示，该方法将直流电气设备外壳与车辆底盘直接连接。采用等电位联结后，该设备外壳和车身地为相同电位，当该设备正*发生对外壳漏电故障时，即使人员接触到该设备带电的外壳，由于人体被等电位连接线短路，故不会有危险的电流流过，从而避免了电击。

等电位连接的作用示例

按国家标准，等电位联结所用的保护导体的电阻值应满足下面的导电性试验要求：用一个不超过 60V(DC)的电压，动力电路*大电流的 1.5 倍或 2** 的电流（取二者中较大值）通过任何两个进行等电位联结的外露可导电部件，持续时间至少 5s，测量其电压 降。根据电流和电压降计算得到的保护导体的电阻值不应超过0.1Ω。

在工程上，电动汽车中实现电位均衡主要通过搭铁实现，搭铁点接线通常有一个螺母或螺柱，由此将搭铁线直接连接到车体或金属部件上。传统汽车搭铁方式如图所示。电动汽车驱动电动机搭铁如图所示。

整车负*搭铁工作示意图

驱动电机搭铁

电动汽车充电系统涉及到工频交流电对人体其它触电防护措施具体如下：

• 保护接地

保护接地是将电气设备的外露可导电部分用保护线与大地直接连接的防护措施。保护接地一般可作为一种电击防护措施应用在电动汽车充电系统中。图示对电动汽车车身采用保护接地措施，即利用 PE 线直接接地。此时如果人员站在地面上接触到带有危险电压的设备外壳（例如图中所示的电动汽车车身外壳），由于保护线 PE 的电阻很小，故人体两端承受的电压也很小，通过人体的漏电流也就会很小（大部分漏电流都由 PE 线经大地流回电网，如图中虚线所示），从而使得人员的间接电击危险性大大降低。

保护接地对人员电击的防护

• 保护接零

保护接零一般可作为一种电击防护措施应用在电动汽车充电系统中，如下图所示为一种应用示例。对充电机外壳采用保护接零，利用PE线将外壳与供电电网的保护零线连接起来。

保护接零对人员电击的防护

采用保护接零时，一方面，由于设备外壳通过保护导体连接到电网保护零线，设备对外壳绝缘故障时 漏电流会流回电网电源中性点，即此时会造成故障相线对零线的单相短路故障，巨大的短路电流会促使线路上的过电流及短路保护装置或者熔断器动作，切断电源，消除电击危险；另一方面，同保护接地类似，保护线PE电阻很小，能够降低人员间接接触时两端承受的电压，从而降低电击危险性。

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