黃愛(ài)軍
(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225116)
燃料電池基本原理是電解水的逆反應(yīng),即把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極,氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極,放出電、熱并生成水[1]。燃料電池客車是在純電動(dòng)客車技術(shù)平臺(tái)上集成一臺(tái)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和供氫系統(tǒng)而成,增裝的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用于車輛行駛過(guò)程中功率和能量的補(bǔ)充[2]。燃料電池技術(shù)路線是與純電、混合動(dòng)力并列的新能源汽車三大技術(shù)路線之一,其具有效率高、無(wú)污染、噪音低等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是新能源汽車的終極環(huán)保技術(shù)[3]。
高壓電安全是電動(dòng)客車關(guān)鍵特性之一,GB/T18384.3-2015電動(dòng)汽車安全要求第3部分 (人員觸電防護(hù))[4]要求:在最大工作電壓下,直流電路絕緣電阻最小值應(yīng)大于100Ω/V,交流電路最小值應(yīng)大于500Ω/V,如果直流和交流的B級(jí)(UDC>60 V,UAC>30 V)電壓電路可導(dǎo)電地連接在了一起,則必須滿足大于500Ω/V或交流電壓電路采取加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)措施后滿足大于100Ω/V。B級(jí)電壓防觸電安全原理如圖1所示。
防護(hù)原理簡(jiǎn)述如下:人體觸電時(shí),對(duì)人體產(chǎn)生傷害的是電流 (I),限制觸電電流I不超過(guò)安全值即可保證系統(tǒng)電安全。
式中:I——觸電電流;U——系統(tǒng)電壓;R——絕緣電阻;R1——觸電電阻。
GB/T3805-2008安全電壓[5]規(guī)定,人體觸電的安全電流是10 mA,交流電流對(duì)人體傷害大于直流電流。
圖1 B級(jí)電壓防觸電安全原理圖
按式 (1)計(jì)算,當(dāng)系統(tǒng)電壓為直流時(shí),R>100Ω/V,觸電人體電阻R1>0,則:IDC=U/(R+R1)<10 mA,符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)系統(tǒng)電壓為交流時(shí),R>500Ω/V,觸電人體電阻R1>0,則:IAC=U/(R+R1)<2 mA?10 mA,符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
本文以YBL6818HFCEV燃料電池客車為例,對(duì)燃料電池客車幾種高壓絕緣方案進(jìn)行研究對(duì)比,擇優(yōu)選用,并探討技術(shù)改進(jìn)的方向。
YBL6818HFCEV配置一臺(tái)30kW氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī),采用兩只140片電堆串聯(lián),額定功率下電堆輸出180VDC,系統(tǒng)輸出576VDC。根據(jù)電動(dòng)汽車安全技術(shù)要求,YBL6818HFCEV有3種方案進(jìn)行高壓絕緣適標(biāo)設(shè)計(jì),分別介紹如下。
1)方案1:全車高壓絕緣達(dá)到500Ω/V,具體如圖2如示。
燃料電池客車系統(tǒng)中燃料電池、動(dòng)力電池等電源及儲(chǔ)能裝置屬直流電壓電路,驅(qū)動(dòng)電機(jī)、方向助力電機(jī)、制動(dòng)打氣泵電機(jī)等屬于交流電壓電路。如果沒(méi)有特殊措施,屬于直流和交流的B級(jí)電壓電路可導(dǎo)電地連接在了一起,應(yīng)執(zhí)行500Ω/V的絕緣標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 方案1高壓絕緣示意圖
燃料電池系統(tǒng)由于雙極板材料受工藝限制,目前無(wú)法對(duì)冷卻水道進(jìn)行絕緣處理,整個(gè)系統(tǒng)的絕緣電阻受冷卻液電導(dǎo)率影響較大。經(jīng)檢測(cè),280片石墨雙極板30 kW燃料電池系統(tǒng)絕緣阻值最高在400 kΩ左右,穩(wěn)定運(yùn)行一般在360 kΩ,并聯(lián)上車載其它高壓總成以后,整車絕緣阻值R1在310 kΩ左右,勉強(qiáng)達(dá)到整車300 kΩ (整車電壓平臺(tái)按600 V計(jì)算)要求,冗余量較小,系統(tǒng)穩(wěn)定性差。
2)方案2:對(duì)整車交流電壓電路進(jìn)行加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)后整車達(dá)到100Ω/V,具體如圖3如示。
圖3 方案2高壓絕緣示意圖
由于整車交流電壓電路包括電驅(qū)動(dòng)高壓電路,方向助力電機(jī)高壓電路及氣制動(dòng)空壓機(jī)高壓電路,布置分散、空間不規(guī)則、實(shí)施加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)難度較大且影響車輛維修接近性,施工及保持難度較大。
3)方案3:將燃料電池與其它高壓電路進(jìn)行隔離,各隔離區(qū)分別滿足絕緣標(biāo)準(zhǔn),具體如圖4所示。
圖4 方案3高壓絕緣示意圖
由于采用隔離式DCDC,使得電堆部分直流電壓電路與車載其他B級(jí)交流電壓不發(fā)生可導(dǎo)電連接,則此部分電路按直流標(biāo)準(zhǔn)100Ω/V即可確保安全,另電堆輸出電壓較動(dòng)力平臺(tái)電壓較低 (YBL6818HFCEV為180VDC),按燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定絕緣電阻360 kΩ (實(shí)際測(cè)量值)計(jì)算:
遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值100Ω/V。
圖中R1部分為技術(shù)成熟可靠的純電動(dòng)零部件總成,組成系統(tǒng)后實(shí)測(cè)絕緣阻值約1 800 kΩ左右:
R1=1 800 kΩ /600 V=3 kΩ/V
遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值500Ω/V。
由于R1及R2均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值,所以系統(tǒng)穩(wěn)定,安全性高。但是,這種方案也存在以下缺點(diǎn):①成本高,整車系統(tǒng)需兩套絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備,比第1、第2方案增加一倍;②效率低,由于隔離式DCDC效率總體低于非隔離式DCDC,導(dǎo)致系統(tǒng)總體效率偏低;③體積大,由于隔離式DCDC體積比非隔離式DCDC偏大,導(dǎo)致整車布置難度變大。
對(duì)比以上3種方案,優(yōu)選系統(tǒng)穩(wěn)定、安全性高的第3方案,且采用隔離方案后,系統(tǒng)的EMC性能也得到較大改善。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,近來(lái)出現(xiàn)了在雙極板冷卻水道表面及散熱器水道內(nèi)壁涂絕緣層的技術(shù)探索[6],相信隨著新材料新技術(shù)的不斷應(yīng)用,燃料電池客車高壓絕緣將會(huì)出現(xiàn)更可靠、更安全、更易實(shí)現(xiàn)也更經(jīng)濟(jì)的方案。