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【干货】谈谈动力电池系统的绝缘配合

放大字体 缩小字体 发布日期:2017-01-16 08:31:24   来源:新能源汽车网  编辑:全球新能源汽车网  浏览次数:595


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。

谈谈动力电池系统的绝缘配合

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。

 
关键词: 绝缘 电压 间隙


 
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