燃料电池系统绝缘电阻设计及分析

摘要：介绍了燃料电池系统的绝缘电阻保护原理，分析了绝缘电阻的设计要点，对于提高燃料电池系统的绝缘电阻设计水平具有良好的借鉴意义，可以有效提升燃料电池汽车的高压电安全性能。

关键词：高压电;燃料电池系统;绝缘电阻

0 引言

我国新能源汽车发展迅猛，确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车三种车型为三纵，以多能源电力总成、电动汽车驱动电机、电动汽车动力电池三种共性技术为三横的研发布局。燃料电池汽车作为终极能源解决方案，在发展过程中遇到了诸多问题，尤其高压电安全设计一直是难点，绝缘电阻是考量高压电安全性的重要指标。因此，燃料电池系统的绝缘电阻设计显得尤为重要。

1 绝缘电阻保护原理

对于高压电而言，其触电防护直接关系到人身安全，主要的防护措施包括基本防护和单点失效防护。基本防护主要是零部件的防护设计，通过绝缘、遮拦或外壳设计，防止人员与帶电部分直接接触。单点失效防护主要是电位均衡和绝缘电阻防护。对于绝缘电阻防护，标准规定在高压系统最大工作电压下，直流电路的绝缘电阻最小值为100 Ω/V，交流电路的绝缘电阻应大于500 Ω/V。为满足整车对绝缘电阻的要求，根据高压部件的数量，每个组件应有更高的绝缘电阻。对于燃料电池汽车，标准规定组合电路的绝缘电阻至少达到500 Ω/V，如果交流电路中应用了附加防护方法来避免单点失效后的触电事故，则绝缘电阻值可以降低至100 Ω/V。

2 绝缘电阻分析

电堆绝缘电阻模型如图1所示，其中R1表示正极端板对地的绝缘电阻、R2与R3表示冷却液对地的绝缘电阻、R4表示负极端板对地的绝缘电阻。R1和R4由高压母排与框体的爬电距离、绝缘材料决定。导电的双极板与冷却液直接导通，冷却液又经过管路、散热器直接与车身相连，冷却液的电导率决定了Rp2（R1与R2并联后的等效电阻）、Rn2（R3与R4并联后的等效电阻）的大小。在冷却系统设计时，要考虑将零部件与车身进行隔离，并使用非金属材料，采用去离子水，增加去离子树脂来降低冷却水的电导率，从而提高绝缘电阻值。双极板直接与冷却液导通，冷却液经过硅胶管路进入水泵及散热器，铝制散热器安装在车身上，绝缘电阻会大幅降低，一般要求冷却液的电导率小于5 μS/cm。实验表明，当冷却液电导率为1 μS/cm时，系统绝缘电阻在600 kΩ，当冷却液电导率大于5 μS/cm时，绝缘电阻值下降至100 kΩ，当冷却液电导率接近20 μS/cm时，绝缘电阻值为20 kΩ。

分配头采用非金属加铝合金制成，与电堆连接的端板采用铝合金材料，保证足够的支撑强度，在铝合金材料中间内嵌的三腔流道，分别对应空气、氢气、水，冷却液与塑料分配头接触，提高了冷却回路的绝缘电阻值。在空气和氢气管路中，高湿气体也会对绝缘电阻产生影响，塑料材质的分配头会提高电堆的绝缘性能。温度对绝缘电阻值也有影响，随着温度的升高，绝缘体中的原子、分子活动增加，原来的分子结构变得相对松散，离子不断增加。带电的离子在电场作用下产生移动而传递电子，绝缘性能下降，绝缘电阻降低。实验表明，温度40 ℃时，绝缘电阻大约为600 kΩ，当温度升高到70 ℃，电阻值下降至450 kΩ。

3 冷却回路与绝缘电阻

燃料电池系统散热时，冷却液流经双极板、分配头、散热器、水泵等部件。当冷却液的电导率较高时，会通过可导电的零部件直接与车身相连，导致绝缘电阻降低。在设计中，应将冷却回路与车身进行隔离设计，通过去离子装置降低冷却液的电导率，提高绝缘等级。图2为燃料电池冷却系统原理图，电堆、节温器、水泵组成冷却系统的小循环，中冷器与去离子器串联后与电堆并联。当温度升高后，大循环打开，冷却液经过散热器、电堆后回到水泵。将冷却系统总成与车身隔离开，通过在散热器、中冷器、水泵等可导电部件的安装点上增加绝缘垫进行隔离。

散热器、中冷器、水泵都是可导电的零部件，为了验证其离子释放情况，分别测试散热器入水口、散热器出水口、水泵出水口、中冷器出水口4个位置的离子释放情况。在没有去离子器的情况下，注入电导率为0 μS/cm的去离子水，每12 h记录1次测试结果。电导率测试结果（表1）表明，散热器和中冷器是最大的离子释放源。

4 电堆防护设计

燃料电池系统绝缘电阻取决于零部件的绝缘电阻并联后的值，其中关键的因素是电堆。在绝缘设计中，要考虑电堆与框架之间的绝缘防护、高压连接部分的绝缘防护。另外，冷却回路的设计对系统的绝缘电阻值影响很大，要单独对冷却回路进行防护设计，以提高系统的绝缘电阻值。电堆用固定支架安装在铝合金框架内，电堆的单片是可导电的，为了提高电堆的绝缘等级，在电堆上增加绝缘防护层。绝缘层在可导电部分与金属框架之间增加防护，又可以起到密封的作用，防止氢气泄漏到框架中。电堆底部与框架间隙最小的地方，爬电距离大于40 mm。电堆单片电压采集需要安装电压采样线，为避免可导电部分外露，在电压采样点外部设计了护板，护板采用PA66材料，通过隔离的方式增加绝缘电阻值，防止高压部分与框架直接接触。电堆的正负极端子为镀金材料的导电柱，导电柱选用塑料外壳的高压连接器来进行防护，通过高压线束将电堆的正负极输出到框架本体的连接器上。连接器防护等级为IP67，高压导线耐压等级为AC2 500 V。框架本体连接器正负极之间距离为60 mm，同时在连接器的连接处增加塑料材料的防护套，保证连接器与框架支架的绝缘防护效果。

5 结语

燃料电池系统的绝缘电阻是决定燃料电池汽车整车绝缘电阻水平的关键因素，根据《电动汽车安全要求》（GB/T 18384—2001）要求，应充分考虑系统零部件的绝缘电阻值，水、氢气、空气端板的设计，水路的绝缘设计等，另外整车在线绝缘监控装置可以有效监控整车以及燃料电池系统的绝缘电阻水平，通过合理的控制策略，确保整车与人员的安全。

收稿日期：2020-07-01

作者简介：柯小军（1982—），男，江苏人，工程师，研究方向：车辆工程。