浅谈动力电池系统的绝缘配合

电动汽车的电压和电流等级都较高，车载电池包电压一般在200~600V, 电流可达几百安培。人体能承受的安全电压的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。一.电气设备绝缘配合的重要意义根据国家标准GB 3805—83《特低电压(ELV)限值》可知一定电压作用下，通过人体电流的大小与人体电阻有关(在有触电保护装置的情况下，人体允许通过的电流为30mA)，一般在干燥、无外伤情况下人体的电阻约为2000Ω左右。因此可以得知直流电压大于60V会对人体有电击的伤害，由于电动汽车电池是一种高压，并且是一种高能量存储装置，因此在无任何防触电保护情况下，人员触及将无法存活。由国际电工标准的可知，人体没有任何感觉的阈值是2 mA。这就要求如果人或其他物体构成动力蓄电池系统(或“高电压”电路)与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不能超过2 mA，即人直接接触电气系统任一点的时候，流过人体的电流应当小于2 mA 才认为车辆绝缘合格。因此，在电动汽车的开发中，要注意高压电气系统的绝缘设计，严格控制绝缘电阻值，使泄漏电流在安全的范围内。二.电气设备的电绝缘配合1.人员触电危害与防护措施触电对人体的危害，主要是因电流通过人体一定路径引起的。电流通过头部会使人昏迷，电流通过脊髓会使人截瘫，电流通过中枢神经会引起中枢神经系统严重失调而导致死亡。根据欧姆定律U=I*R可以得知当电压加在人体与绝缘电阻(包括空气和固体等电阻)构成的串联回路中，为保证人员安全只能通过增大与人体串联的绝缘电阻。例如通过增大外衣、鞋、裤等绝缘电阻，于是就出现了高压绝缘鞋、高压绝缘手套等一系列供人穿戴的防护用品如图1。但是问题又来了，不可能每次要用电气设备之前都要全副武装，那样很不方便，像图2这样的场景估计也只有在工厂才能见到，如果平时也这样那大家会崩溃的。既然可以通过增大外衣、鞋、裤等电阻增加人体电阻，那也可以把电气设备中的危险源进行绝缘处理(相当于在危险源与人体之间串联一个较大的电阻)。对于绝缘通常都是以电阻(R)的大小进行量化，根据电阻公式R=ρ*L/S(ρ材料的等效电阻率;L材料的等效长度;S材料的等效截面面积)可知，通过改变ρ、L和S的值来就能改变绝缘电阻的大小。大家都知道空气是一种最普通、可靠、便宜的电气绝缘介质，它的绝缘电阻与空气间隙大小成正比，但是在一个限制空间的高压设备，只靠空气间隙是无法满足绝缘电阻的要求(因为空气的等效长度(L)不够，导致R变小)。而高电阻率(ρ)的固体绝缘材料，就能满足限制空间的高压设备的绝缘电阻要求，但是与空气绝缘不同的是，固体绝缘材料是一种不可恢复的绝缘介质，在电场强度、热、潮湿等的不利因素造成固体绝缘材料电阻率(ρ)不断的减小导致绝缘电阻值变小称之为绝缘老化。比如长时间发热会造成绝缘性能的下降。那怎样才能满足电气绝缘的要求，不会使设备和人员受到损伤。EN 60664-1(或GB/T16935)低压系统内设备的绝缘配合标准提出了绝缘配合的概念，绝缘配合统指电气设备根据其使用和环境条件来选择的电气绝缘，它由电气间隙、爬电距离以及固体绝缘组成，是对电气设备绝缘的统称。2.电气间隙、爬电距离之间的关系在各电器产品的国家强制标准里均涉及到“爬电距离”和“电气间隙”两个术语，从EN 60664-1(或GB/T16935)低压系统内设备的绝缘配合标准可知：电气间隙则是“两导电部件或一个导电部件与器具易触及表面的空间最短距离”。而爬电距离是“两导电部分之间，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的最短距离”。它存在于两个平行的绝缘材料的连接处，它有可能存在于固体或者气体绝缘之间。电气间隙和爬电距离是两个不同的概念，但两者既有区别又有联系，前者与纯空气的绝缘强度(或者说击穿电压)密切关联，后者则与固体绝缘件表面击穿电压(或者称为沿面放电电压、表面闪络电压)紧密相关。在同一个分布电场里，电气间隙和爬电距离相当于是两个“并联”的击穿通道。在长期电压有效值使用情况下，由于导体周围的固体绝缘材料被电极化(凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化)，导致绝缘材料呈现带电现象，而空气却不存在电极化现象。此带电区(导体为圆形时，带电区为环形)的半径，即为爬电距离;在绝缘材料表面会形成泄漏电流路径。若这些泄漏电流路径构成一条导电通路，则出现表面闪络或击穿现象。绝缘材料的这种变化需要一定的时间，它是由长时间加在器件上的工作电压所引起的，器件周围环境的污染能加速这一变化。当出现暂态过电压或瞬态过压的情况下，虽然电压峰值很高，但是持续的时间短，导体周围的固体绝缘材料无法被电极化，这时固体绝缘材料为高阻抗，结果电压只能从另一个低绝缘电阻通道(电气间隙)放电，可见电气间隙的大小和老化现象无关。综上所述可以得知，固体绝缘件表面击穿电压大大低于纯电气间隙的击穿电压(固体绝缘材料被电极化导致)，这也正是在同一电压等级下，为什么爬电距离往往比电气间隙数值要大的原因。3.电气间隙、爬电距离和固体绝缘三者之间的关系假设两个裸露导体在同一个平面，当两导体之间的电压差不断增加时，最终空气将会被击穿然后导通，产生火花(电弧)如右图，能量消散在这电弧之中，为了解决这一问题我们有两种办法可以采用，一种是把电气间隙数值大大增加使绝缘电阻变大，使它无法击穿空气产生电弧。另一个办法就是在固体绝缘增加一块绝缘挡板，这样电气间隙的路径就被延长了，延长的路径增加了电气强度性能，从而达到提高电气间隙绝缘性能的目的。(图3 右)。从图3可以发现在固体绝缘增加一块绝缘挡板，同样把爬电距离的路径延长，延长的路径增加了电气强度性能，从而也提高爬电距离绝缘性能。4.PACK系统中的绝缘配合应用在不同带电部件之间或带电部件与金属外壳之间，进行电气间隙和爬电距离的设计时。电气间隙的确定：电气间隙应以承受所要求的冲击耐压来确定(对于直接接至低压电网供电的设备，应在综合考虑冲击耐受电压，稳态有效值电压，暂态过电压和再现峰值电压之后，选择最大的电气间隙)。爬电距离的确定：以作用在跨接爬电距离两端的长期电压有效值为基础(此电压为实际工作电压、额定绝缘电压或额定电压)，瞬态过电压通常不会影响电痕化现象，因此忽略不计，然而对暂态过电压和功能过电压，如果他们的持续时间和出现的频度对起痕有影响的话，则必须要考虑。而绝缘材料的选用主要从绝缘材料的电性能、机械性能、热性能、化学性能以及经济性几个方面来进行考虑。如电芯与电芯空气中的隔离空间就是“电气间隙”、模组的正/负极柱沿绝缘材料表面到模组外壳之间的爬电距离是用来减少(防止)漏电起痕或者电弧放电的。(显然，两导体之间的电压越低，导体间的空间越小，爬电距离和电气间隙数值可以相应减小。)另外还要考虑两电导体之间的距离因长期使用后绝缘电阻的减小。比如灰尘或其他微粒的积累会引起印制线路板上的漏电起痕甚至电气导通。大气中的固体颗粒(包括金属)，尘埃和水能够桥接小的电气间隙，在潮湿的环境下，非导电性物体也会转换成导电性物体，从而改变了整个系统绝缘电阻的电阻率(ρ)。当绝缘表面污染到一定程度，带电部件之间的漏电流较大时，会形成闪烁，释放的能量造成绝缘表面损伤，长时间作用下，绝缘性能逐步劣化，形成带电通道(漏电痕迹)。大多数情况下设备是处在高温、高湿、有害化学物等环境中，为了保证设备能在其期望寿命中满足绝缘配合，把设备的内(称为微观环境)和设备外进行密封隔离处理。例如PACK产品就是采取增加外壳同时满足IP67的方法来防止灰尘和水进入其内部，以保证PACK内部的微观环境不会因为通风或灰尘或水对电气间隙、爬电距离和固体绝缘的产生影响。三.绝缘配合检测从EN 60664-1(或GB/T16935)低压系统内设备的绝缘配合标准可知，绝缘配合的设计是否能满足产品要求可以通过绝缘电阻和抗电强度测试进行验证。这两项都是在高电压下进行的测试(绝缘：500V DC,耐压：2100V DC)，判定标准分别是绝缘阻抗(R)和漏电流(I)，其原理上都是采用欧姆定律U=I*R。这两个测试的区别是绝缘电阻测试测量到的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。但是，绝缘电阻测试无法检测出下列状况：(1)绝缘材料的绝缘强度太弱;(2)绝缘体上有针孔;(3)零部件之间的距离不够;(4)绝缘体被挤压而破裂;上述各种情况只能通过抗电强度检测出。在电动汽车行业标准EN 1987-3、ISO 6469-3、GB/T18384也明确要求产品满足绝缘电阻和抗电强度测试要求。来源：捷能科技锂电池产业链企业推广，锂电网（li-b.cn）欢迎投稿。