【摘要】為了提升燃料電池系統(tǒng)的絕緣性，針對零部件的結(jié)構(gòu)特性、材料特性以及安裝方式進行優(yōu)化設(shè)計。首先，對絕緣路徑進行電路和水路的失效分析；然后，改善電堆內(nèi)部絕緣設(shè)計及電堆倉結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了電子元件保護策略，同時，更換了水泵、水暖型加熱器等高壓供電冷卻回路的零部件材料，調(diào)整了散熱器、中冷器以及傳感器等零部件的加工工藝和安裝方式。最后，通過絕緣電阻測試，新型車用燃料電池系統(tǒng)的靜態(tài)絕緣電阻超過5 MΩ（500 V測試電壓下），運行狀態(tài)下的絕緣電阻超過3 MΩ（在線監(jiān)測狀態(tài)下）。

主題詞：燃料電池系統(tǒng) 絕緣性能 失效分析 系統(tǒng)設(shè)計 零部件設(shè)計

中圖分類號：TM911" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230869

Insulation Performance Analysis and Optimization of Fuel Cell System for Vehicle

Wang An， Liu Changlai， Xia Shizhong， Chen Nian

（Camel Group Wuhan Optics Valley Ramp;D Center Co.， Ltd.， Hubei 430075）

【Abstract】To improve the insulation performance of fuel cell systems， the components are optimized based on their structural characteristics， material properties， and installation methods. Firstly， this paper conducts a failure analysis of the insulation path for both electrical and water circuits; Then， the internal insulation design and stack compartment structure of the fuel cell are improved， the key components and protection strategies inside the power electronic devices are optimized， the materials of high-voltage power supply cooling circuits such as water pumps and water heaters are replaced， and the installation methods and material processing technology of components such as radiators， intercoolers， and sensors are adjusted. Finally， after insulation resistance testing， the static insulation resistance of the new vehicle fuel cell system exceeds 5 MΩ （under 500 V test voltage）， and the insulation resistance during operation exceeds 3 MΩ （under online monitoring）.

Key words： Fuel cell system， Insulation performance， Failure analysis， System design，Component design

1 前言

車用燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池汽車的核心組成部分，其絕緣性能是保證設(shè)備運行和乘員安全的關(guān)鍵。燕希強[1]等提出使用絕緣電阻檢測儀檢測燃料電池電堆的絕緣電阻，并在測試中發(fā)現(xiàn)液態(tài)水對電堆的絕緣性能影響較大。Yu[2]等分析了冷卻水對電池組、系統(tǒng)等絕緣性能的影響，認為冷卻水離子濃度應(yīng)處于較低水平。柯小軍[3]建立燃料電池絕緣電阻模型，通過增加絕緣墊、離子吸收器等方式，提高電堆冷卻液絕緣電阻。左力[4]根據(jù)電堆測試，發(fā)現(xiàn)燃料電池的工作溫度、放電強度等對絕緣性能的影響較小。上述研究在一定程度上推動了燃料電池絕緣性能的發(fā)展，但仍無法解決現(xiàn)有車用燃料電池系統(tǒng)絕緣性能較差的問題。

從燃料電池系統(tǒng)的整個生命周期來看，燃料電池系統(tǒng)絕緣失效可分為絕緣性能衰減和絕緣故障兩方面。其中，絕緣性能衰減是系統(tǒng)在長期運行過程中，零部件的絕緣措施逐漸失效，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣性能緩慢下降，從而引起絕緣失效；絕緣故障則是因零部件出現(xiàn)非絕緣故障，引起絕緣失效，從而引發(fā)系統(tǒng)絕緣性能急劇下降。

為解決上述問題，本文詳細闡述包含燃料電池電堆、直流-直流（DC/DC）變換器、水泵等燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計原理、材料特性等對系統(tǒng)絕緣性的影響，并通過測試驗證其合理性。

2 絕緣失效路徑分析

在車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池電堆作為系統(tǒng)的唯一能源供給，其內(nèi)部的冷卻液流道與正、負極為一體化設(shè)計。因此，可通過電堆的正極電路、負極電路、冷卻液流道水路及其他零部件，分析燃料電池系統(tǒng)絕緣失效問題。

2.1 電路分析

車用燃料電池系統(tǒng)高壓回路與整車供電網(wǎng)絡(luò)示意見圖1。蓄電池負極與整車車架相連，作為車輛“接地點”，連通燃料電池系統(tǒng)的高壓電纜屏蔽層、高壓供電零部件的外殼與電堆倉。電堆產(chǎn)生的高壓電通過DC/DC變換器升壓向空氣壓縮機、循環(huán)泵、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器、水泵及整車高壓配電箱供電。電池電壓巡檢器（Cell Voltage Monitor，CVM）連接電堆中各單電池。

2.1.1 電堆絕緣失效

以質(zhì)子交換膜燃料電池的電堆為例，其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，僅絕緣板和管路接頭為非金屬材質(zhì)，具備一定的絕緣能力。

當燃料電池電堆冷卻液流經(jīng)電堆端板時，其電導(dǎo)率升高，電堆單電池產(chǎn)生電壓，最終造成漏電。由于電堆端板壓緊各單電池，同時起到支撐、固定作用，而未進行絕緣的固定電堆極易連通支架，令與整車“接地點”相連的電堆倉帶電，導(dǎo)致燃料電池的絕緣性能明顯下降，從而引發(fā)系統(tǒng)絕緣故障。

在燃料電池系統(tǒng)組裝過程中，電堆倉內(nèi)部會存有部分空氣，并在系統(tǒng)運行過程中形成冷凝水，附著于金屬表面，腐蝕金屬及其鍍層。同時，冷凝水附著于絕緣材料表面，導(dǎo)致絕緣間隙減小，絕緣介質(zhì)性能下降。即使電堆穩(wěn)定運行，過程中也會出現(xiàn)少量對外泄露現(xiàn)象，泄露源包含氫氣、氧氣等，此類物質(zhì)的泄露同樣損害系統(tǒng)的絕緣性能和安全性能。

在燃料電池系統(tǒng)長期運行過程中，由于電堆的裝排結(jié)構(gòu)緊密且自身較重，其主體無法承受應(yīng)力，因此，電堆各單電池缺乏電堆端板水平方向的緊固力束縛，導(dǎo)致其抗震性能較差。復(fù)雜路況下，電堆極易因密封失效、震動開裂，出現(xiàn)漏氣、漏水現(xiàn)象，不僅影響系統(tǒng)性能，也會引起絕緣故障。

2.1.2 CVM絕緣失效

CVM由電堆的連接部分、轉(zhuǎn)接部分以及電路模塊組成。其中，電堆的連接部分由金屬插片直接插入電堆雙極板的凹槽中，轉(zhuǎn)接部分使用轉(zhuǎn)接模塊固定，并通過線束連接電路模塊。根據(jù)CVM結(jié)構(gòu)原理，其絕緣失效主要分為線束絕緣失效和電路絕緣失效。

線束絕緣失效受所用電纜線的絕緣強度影響，燃料電池運行過程中，電堆正、負極電位差可達幾百伏，當電堆的最高電壓超過電纜線的絕緣等級時，線束與電堆倉殼體接觸極易出現(xiàn)絕緣失效。部分電纜線在強行擠壓、扭曲工況下，其絕緣層易破損，導(dǎo)致銅芯裸露，從而引起絕緣失效。

由于CVM模塊的設(shè)計更注重電壓采集功能，忽略了供電模塊、通信模塊以及信號采集模塊絕緣性。當CVM電路板裸板置于電堆倉內(nèi)時，電路板易受潮出現(xiàn)跨區(qū)域短路現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣失效。

2.1.3 高壓電纜絕緣失效

在燃料電池系統(tǒng)設(shè)計和試制過程中，為避免系統(tǒng)電磁兼容性（Electomagnetic Compatibility，EMC）和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），多選用耐高壓的雙層屏蔽電纜作為系統(tǒng)傳輸高壓電的載體。但高壓電纜屏蔽層的不規(guī)范處理容易令纜線內(nèi)層的銅芯與屏蔽層導(dǎo)通，致使高壓傳輸中，部分電荷經(jīng)過屏蔽層直接進入系統(tǒng)“接地點”，造成系統(tǒng)絕緣失效。

2.1.4 升壓DC/DC變換器絕緣失效

通常，燃料電池的升壓DC/DC變換器使用多路并聯(lián)的直流升壓電路，其關(guān)鍵元件包含大功率電容、電感、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊以及控制電路。隨著燃料電池系統(tǒng)集成度的提高，變換器的功能逐步被開發(fā)，其內(nèi)部功能拓撲如圖3所示。

為了提升升壓DC/DC變換器此類大功率高壓元件的EMC性能，可在高壓回路的輸出端增加濾波電路，如圖4所示，減小對外輻射，緩解電磁干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[5]。當電路中出現(xiàn)電磁干擾時，濾波電路會處于充、放電過程并持續(xù)循環(huán)，此過程將大幅縮減電容和電感的壽命。此外，若濾波回路與干擾波型不匹配，高頻電壓沖擊信號可引起電路震蕩，造成電路過壓或元器件過熱，導(dǎo)致絕緣故障。

IGBT模塊作為升壓DC/DC變換器的核心元件，其電氣性能受實際的生產(chǎn)使用環(huán)境、設(shè)計參數(shù)等因素影響，該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。簡化其絕緣電路后，進入IGBT的高壓回路與升壓DC/DC接地點的絕緣路徑主要包含導(dǎo)熱絕緣膠和直接覆銅（Direct Bond Copper，DBC）層。

IGBT的可靠性受應(yīng)力、循環(huán)壽命、導(dǎo)熱等因素影響，該模塊封裝的翹曲及殘余應(yīng)力對機械強度產(chǎn)生較大影響，使得DBC層發(fā)生形變；與散熱器貼合時，生成較大的拉伸殘余應(yīng)力，導(dǎo)致DBC層內(nèi)部損壞，影響IGBT模塊絕緣性能[6]。

對于長期運行的升壓DC/DC變換器，循環(huán)壽命影響IGBT內(nèi)部焊料的金屬蠕變特性，降低焊料壽命[7]。同時，IGBT的鍵合線和半導(dǎo)體與銅板接觸區(qū)的內(nèi)阻增加，其他鍵合線過載使IGBT內(nèi)部結(jié)溫急劇上升，導(dǎo)致DBC絕緣失效，系統(tǒng)觸發(fā)絕緣故障[8]。

當DBC出現(xiàn)絕緣故障時，IGBT散熱設(shè)計不合理會導(dǎo)致發(fā)熱模塊結(jié)溫急劇升高，破環(huán)IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響其絕緣性能。采用IGBT配合絕緣導(dǎo)熱膠及自然冷卻（或水冷）散熱片進行大功率散熱，其中，絕緣導(dǎo)熱膠對IGBT不僅具有熱傳導(dǎo)功能，對IGBT基板與散熱器間具有絕緣作用[9]。以環(huán)氧樹脂為基材，加入氧化鋁顆粒，制成高導(dǎo)熱絕緣膠粘劑，能夠大幅提升其絕緣性和導(dǎo)熱性[10]。盡管如此，當絕緣導(dǎo)熱膠涂抹分布不均或IGBT使用于高低溫循環(huán)變化工況時，膠體常因受熱不均而加速老化，從而降低IGBT的散熱效果，影響IGBT的絕緣性能。

2.1.5 空氣壓縮機絕緣失效

燃料電池系統(tǒng)的空氣壓縮機為離心式，多數(shù)使用空氣箔片軸承提高效率和動態(tài)調(diào)節(jié)能力。以兩級壓縮的空氣軸承離心式空壓機為例，其內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)如圖6所示[11]。

空氣箔片軸承通過壓縮軸承腔中空氣，實現(xiàn)軸承懸浮。若空氣中液態(tài)水進入軸承，在壓力作用下，液態(tài)水將向電機繞線電纜移動。而在高溫、高壓以及潮濕的環(huán)境中，電纜絕緣層極易被腐蝕，導(dǎo)致空氣壓縮機出現(xiàn)絕緣故障。

2.1.6 循環(huán)泵絕緣失效

燃料電池的氫氣循環(huán)泵通常采用羅茨式真空泵，包含羅茨泵頭和電機，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示[12]。

現(xiàn)有的羅茨式循環(huán)泵工作時會產(chǎn)生高頻的機械振動，降低泵體的密封性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致在燃料電池氫氣供給回路中，極端情況下，泵體會漏油和滲水，從而使電機的繞線電纜發(fā)生絕緣故障。

2.2 水路分析

燃料電池系統(tǒng)的冷卻回路，包含內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)回路[13]，系統(tǒng)的冷卻回路管道流程如圖8所示。其中，水箱、去離子器及三通閥等塑料材質(zhì)絕緣性較好，而電堆倉的絕緣性上文已分析，此處不再贅述，可通過冷卻液回路的其他零部件（水泵、PTC等）分析其絕緣失效路徑。

2.2.1 水泵絕緣失效

燃料電池系統(tǒng)的冷卻水泵具有體積小、流量大、揚程高且價格低等優(yōu)勢，但傳統(tǒng)車用水泵的絕緣性能較差。通常，在水泵的電源端（或電機接線端）增加濾波電路，抑制水泵的電磁噪聲，典型的電子水泵電路及其絕緣路徑，如圖9所示。

水泵的絕緣路徑主要發(fā)生在下列位置：

a. 電堆的電極通過熱交換流體到達水泵蝸殼。由于水泵蝸殼為金屬材料，與泵體外殼相連時，熱交換流體的電導(dǎo)率上升，使水泵外殼帶電。

b. 水泵外殼與燃料電池系統(tǒng)連接支架處。若水泵的安裝支架與燃料電池系統(tǒng)支架間未進行絕緣處理，此時，路徑A產(chǎn)生高壓，并與系統(tǒng)支架連通，導(dǎo)致熱交換流體的電導(dǎo)率驟增，系統(tǒng)絕緣性能下降。

c. 水泵內(nèi)部電路。為了消除電子水泵控制電路的電磁噪聲，通常將水泵負極與外殼直接相連，或者對水泵的輸入/輸出電路進行濾波[14]。對于低壓供電水泵，其濾波元件的耐壓值為50 V，燃料電池電極對外的傳導(dǎo)電勢為400 V，若水泵濾波電路元件長期處于耐壓極限狀態(tài)，極易導(dǎo)致濾波電路與外殼直接連通，造成絕緣故障。

此外，在燃料電池系統(tǒng)長期運行過程中，冷卻液回路容易產(chǎn)生雜質(zhì)，阻塞水泵渦輪及轉(zhuǎn)子，同時，由于摩擦產(chǎn)生高溫，水泵密封件極易損壞。此時，冷卻液會直接進入電機轉(zhuǎn)子的帶電區(qū)域，腐蝕線圈鍍層，引發(fā)絕緣故障。

2.2.2 PTC的絕緣失效

電加熱器PTC由控制電路、加熱模塊和熱交換模塊組成，廣泛用于新能源汽車供暖系統(tǒng)。目前，為提升PTC加熱器性能，大多采用改進百葉窗翅片結(jié)構(gòu)、優(yōu)化正溫度系數(shù)參數(shù)等方式[15-16]。

燃料電池系統(tǒng)用的PTC加熱器為水暖式，主要通過高壓電加熱電堆內(nèi)部的冷卻液。若PTC加熱器缺乏對溫度、加熱功率的精確控制，將會產(chǎn)生溫度波動以及能量浪費，降低燃料電池系統(tǒng)的性能[17]。

PTC的電路設(shè)計與升壓DC/DC變換器存在同樣的絕緣風(fēng)險，盡管直插式PTC加熱器具有較高的加熱效率，但未與熱交換流體進行隔離，將導(dǎo)致加熱器絕緣性能降低[18]。

現(xiàn)有PTC單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示，高壓電與熱交換流體間增加了接地電極，可避免高壓電與熱交換流體間因絕緣失效而發(fā)生危險。圖10a中，PTC加熱體緊貼高壓供電電極，高壓電極通過絕緣導(dǎo)熱層I與接地電極片貼合。若絕緣導(dǎo)熱層I出現(xiàn)絕緣失效，必然導(dǎo)致高壓回路中接地點漏電，造成絕緣故障；若導(dǎo)熱膠以及絕緣導(dǎo)熱層II出現(xiàn)絕緣失效，電堆電極直接連通PTC外殼，與系統(tǒng)接地點連通，造成絕緣故障。此時，電堆電極的電勢約400 V，在PTC高壓直流電的作用下，直接擊穿絕緣導(dǎo)熱層I，電堆電極與PTC高壓電回路間將發(fā)生短路，導(dǎo)致電堆損壞、設(shè)備故障。

2.2.3 傳感器的絕緣失效

燃料電池系統(tǒng)冷卻液回路中使用的溫度、壓力和離子濃度檢測等傳感器均為低壓供電元件，未考慮燃料電池系統(tǒng)的絕緣特性。現(xiàn)有傳感器的安裝座多為金屬材料，其內(nèi)部電路將供電負極（或濾波電路）與金屬外殼直接相連，非隔離型傳感器絕緣路徑如圖11所示。

當傳感器位于燃料電池冷卻液流道中，通過熱交換流體與傳感器金屬外殼相連，若控制器檢測電路未進行隔離，整車低壓供電負極通過冷卻液與電堆電極連接，在冷卻液電導(dǎo)率較低的情況下，導(dǎo)致絕緣故障。

當傳感器的信號輸入燃料電池控制器時，控制器內(nèi)部常會將此類信號與控制器供電回路進行隔離。基于零部件自供電的電壓平臺，傳感器的濾波電路、控制器內(nèi)部的隔離電路的耐電壓為50 V，燃料電池冷卻液回路傳導(dǎo)的電勢約400 V，此類傳感器和燃料電池控制器的絕緣性將無法滿足燃料電池系統(tǒng)的需求。

2.2.4 散熱器絕緣失效

散熱器是電堆冷卻液進行熱交換的重要部件，燃料電池系統(tǒng)要求散熱器離子析出率低、流體溫度上限高、散熱功率大、體積小。

依據(jù)QC/T 468—2010《汽車散熱器》標準，散熱器一般由鐵質(zhì)護風(fēng)罩、鋁制散熱片和流道、鐵質(zhì)支架制成[19]。當電堆冷卻液的離子濃度上升時，未經(jīng)絕緣處理的散熱器與整車車架連接，從電堆雙極板上傳導(dǎo)過來的電勢，再通過散熱器傳導(dǎo)至整車車架，引發(fā)漏電而造成絕緣故障。

2.3 石墨顆粒對絕緣性能的影響

燃料電池電堆由石墨雙極板疊裝而成，經(jīng)機械加工后形成的缺陷位置（燃料以及冷卻液流道）受到燃料腐蝕及冷卻液流動沖刷（或外部振動）的應(yīng)力，將持續(xù)析出微米級甚至納米級石墨顆粒，該顆粒在冷卻液流道中循環(huán)流動并吸附于零部件和管路的內(nèi)表面。雖然石墨析出對電堆能量輸出的影響效果甚微，但石墨的導(dǎo)電性對系統(tǒng)絕緣性的影響不可忽視[20]。

目前，在燃料電池系統(tǒng)的冷卻液回路中，通過增加離子濃度傳感器，定期監(jiān)測冷卻液的離子濃度，降低絕緣風(fēng)險。而系統(tǒng)在長期運行中，監(jiān)測離子濃度的電極會被石墨顆粒覆蓋，導(dǎo)致電極無法接觸陰、陽離子，從而降低傳感器性能，嚴重影響系統(tǒng)對絕緣風(fēng)險的判斷。隨著燃料電池系統(tǒng)運行時間的增加，石墨的大量析出將整個冷卻液回路變成一個良導(dǎo)體。因此，在設(shè)計燃料電池系統(tǒng)時，應(yīng)將整個冷卻回路視作帶電導(dǎo)體。

3 優(yōu)化設(shè)計

本文通過分析燃料電池系統(tǒng)的絕緣失效路徑，從材料、結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計等方面，對新一代燃料電池系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善。

3.1 電堆優(yōu)化方案

新一代電堆的優(yōu)化設(shè)計集中于電堆的前端絕緣板、端板以及管路，將從以下方向進行優(yōu)化：

a. 絕緣板材料。將原有的環(huán)氧樹脂玻璃纖維層壓板更換為混合聚苯硫醚的玻璃纖維。相較于原有壓板，該材料表現(xiàn)出良好的疏水性，其切割面無任何水漬殘留，且測試其上、下表面的電阻值均可達到測試儀器上限。同時，該材料可以適應(yīng)螺栓力矩對剪切面的剪切應(yīng)力，受力后不易出現(xiàn)裂痕。

b. 絕緣板流道。將原始流道的水平通孔更改為組合管道，并調(diào)整端板的開孔結(jié)構(gòu)，避免了進、出電堆的流體與電堆端板發(fā)生接觸，配合組合管道固定和密封，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖12中綠色所示。

c. 電堆倉。一方面，增加電堆倉的空氣吹掃管路，使用干燥的空氣將倉內(nèi)水蒸氣吹出，避免水蒸氣遇冷形成液態(tài)水，引起絕緣材料失效；另一方面，通過傳感器監(jiān)測電堆倉內(nèi)氫氣濃度，避免氫氣濃度過高，保證電堆的安全。

正常使用狀態(tài)下，優(yōu)化后的電堆絕緣板能夠確保電堆端板不帶電，提高絕緣性能的同時，簡化了電堆、電堆支架以及電堆倉底板間的絕緣設(shè)計，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜度和系統(tǒng)的整體質(zhì)量。

3.2 CVM優(yōu)化方案

燃料電池電壓巡檢模塊的優(yōu)化主要分為電路設(shè)計和線束設(shè)計。

燃料電池電壓巡檢模塊的內(nèi)部電路，采用美國ANALOG DEVICES公司研制的燃料電池電壓檢測專用芯片LTC6806，配合隔離芯片LTC6820和LTC2883-5S，可實現(xiàn)電壓采樣、電源供電及電路板控制回路隔離，能夠有效提升電路絕緣性能。

燃料電池電壓巡檢線束材質(zhì)選用交聯(lián)聚烯烴，相較于傳統(tǒng)聚氯乙烯，該材質(zhì)的抗張強度、阻燃等級和環(huán)境耐受性能均有所提升，且擠壓環(huán)境中不易損壞。同時，其電壓等級能夠由低壓電纜的60 V提升至450 V，進一步增強了線束部分的絕緣性能。

3.3 高壓電纜優(yōu)化方案

高壓電纜的優(yōu)化主要為線束制作，按照國家標準GB/T 37133—2018《電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術(shù)要求》[21]，選取相應(yīng)的接插件和電纜線，根據(jù)裝配指導(dǎo)書進行線束加工，并進行測試。

當電壓為1 000 V，時間為60 s，測試線束中導(dǎo)體和外殼、導(dǎo)體和屏蔽層以及導(dǎo)體和不相連導(dǎo)體間的絕緣電阻。根據(jù)上述標準，測試部位的絕緣電阻均需超過100 MΩ，才能進行后續(xù)拉力試驗和導(dǎo)通試驗。上述試驗均通過后，線束方可投入使用。

3.4 升壓DC/DC變換器優(yōu)化方案

系統(tǒng)的升壓DC/DC變換器將從濾波電路和電流變換單元兩方面進行優(yōu)化。

升壓DC/DC變換器的濾波電路主要由電阻、電感和電容組成，各元件均與升壓DC/DC變換器的輸入、輸出端相連。因此，在進行絕緣性能檢測時，通過檢測濾波電路電阻、電感和電容等參數(shù)，預(yù)測各元件壽命，更換異常零件，從而保證系統(tǒng)的絕緣性能。

為了降低IGBT失效率，將IGBT的材質(zhì)從硅基更換為電氣性能更優(yōu)的SiC，通過設(shè)置內(nèi)部熱敏電阻，監(jiān)測IGBT內(nèi)部金屬連接處散熱性能。

使用絕緣導(dǎo)熱膠將IGBT與升壓DC/DC變換器的冷卻流道貼合，使IGBT充分散熱，提高其使用壽命。同時，通過改變環(huán)氧樹脂中Al2O3比例，提升絕緣導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱性能和絕緣性能[22]。

由于升壓DC/DC電流變換電路上的電容和電感高頻率、長時間充放電，其發(fā)熱量較高。雖然此類元件具有較強的絕緣性能，但在高頻率、大電流狀態(tài)下，其使用壽命有限。為了避免過熱條件下元件內(nèi)部發(fā)生降解，在條件允許的情況下，可通過監(jiān)測電感和電容的發(fā)熱部位溫度，降低升壓DC/DC變換器內(nèi)部故障風(fēng)險。

3.5 空壓機優(yōu)化方案

為了避免液態(tài)水滲入空壓機空氣軸承的轉(zhuǎn)子區(qū)域，通過優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的空壓機安裝結(jié)構(gòu)，選用帶排水孔的空氣過濾器，將其安裝在空壓機的進氣口前端。過濾器的尾部同樣設(shè)置排水孔，并保持豎直朝下，保證空壓機的進氣口附近干燥。

此外，在空壓機的進氣口安裝濕度傳感，當空氣濕度過高時，通過控制策略停止運行空壓機，異常處理完畢后，可再次啟動空壓機。

3.6 氫氣循環(huán)泵優(yōu)化方案

安裝循環(huán)泵體時，使用抗震性較強、帶有防滑鋸齒的絕緣減震墊，可有效緩解系統(tǒng)中零部件振動對循環(huán)泵的影響。為了降低燃料電池系統(tǒng)中氫氣循環(huán)泵的振動噪聲，采用分級式超前調(diào)節(jié)，降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的超調(diào)量，最終實現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)引起的振動噪聲。

通過優(yōu)化燃料電池凸輪式氣體循環(huán)泵轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)、增加轉(zhuǎn)子葉型數(shù)和轉(zhuǎn)子螺旋角，可效降低循環(huán)泵出口的振動及噪聲，提升循環(huán)泵的穩(wěn)定性[23]。

3.7 水泵優(yōu)化方案

燃料電池系統(tǒng)的冷卻水泵絕緣性能將從以下3方面進行優(yōu)化：

a. 冷卻液與水泵殼體間絕緣。為了隔絕冷卻液對其他零部件的影響，水泵的蝸殼和葉輪可采用非金屬材料，保證絕緣性能的同時，減輕水泵的質(zhì)量。

b. 水泵控制電路與外殼間絕緣。選用耐電壓超過500 V的元器件，提高水泵供電回路中濾波電路的耐電壓能力，增強水泵控制電路的絕緣性，同時保證水泵的EMC性能。此外，使用高壓（600 V）供電控制的水泵，其濾波電路的耐電壓等級需超過1 500 V。

c. 水泵外殼與系統(tǒng)框架間絕緣。由于水泵外殼多為金屬材質(zhì)，在外殼與系統(tǒng)框架間使用絕緣性能較高的減震墊，安裝水泵時配套絕緣板。

3.8 PTC優(yōu)化方案

燃料電池系統(tǒng)的PTC加熱器主要優(yōu)化PTC加熱體和熱交換流道。

PTC加熱體可選擇陶瓷加熱片，既能提升熱轉(zhuǎn)換效率，又可大幅減小其質(zhì)量和體積。在PTC加熱器的熱交換流道外，增加一個帶有安裝孔的非金屬外殼，避免熱交換流道與燃料電池系統(tǒng)支架直接接觸。設(shè)計PTC熱交換流道和控制電路的固定座時，通過絕緣墊片將接地電極片與熱交換流道分離，提高PTC加熱器的絕緣性能。

此外，使用非金屬材質(zhì)的熱交換流場板，進一步提高PTC絕緣性能的同時，減輕零件質(zhì)量。

3.9 傳感器優(yōu)化方案

燃料電池系統(tǒng)中所使用溫度、壓力、流量、離子濃度等傳感器，應(yīng)盡量使用非金屬材質(zhì)的安裝外殼，且外殼的絕緣強度需達到兆歐級別。若必須使用金屬安裝外殼，可在傳感器的供電電路與外殼間布置濾波電路或隔離電路，其耐電壓等級需達到500 V。

為了克服傳感器的絕緣弱勢，可對燃料電池的控制器進行電氣隔離，避免冷卻液與燃料電池系統(tǒng)供電負極連通。通常，采用專用電源和信號隔離芯片進行隔離，從而增大冷卻液與燃料電池系統(tǒng)供電負極間的絕緣電阻。

3.10 散熱器優(yōu)化方案

散熱器的絕緣設(shè)計集中于焊接工藝與安裝方式兩方面。焊接散熱器本體流道時，采用真空焊接方式，提高焊點抗腐蝕能力，有效減少散熱器中金屬離子的析出。散熱器主體完成制作后，對散熱器流道內(nèi)表面進行溫度交變的鈍化工藝處理，進一步降低散熱器的離子析出率。

安裝散熱器時，需要使用帶有絕緣設(shè)計的減震墊，保證散熱器固定螺栓與整車車架絕緣。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)一系列的優(yōu)化設(shè)計，組裝燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，如圖13所示。新系統(tǒng)測試包含電源供電與負載放電系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)以及散熱系統(tǒng)。

系統(tǒng)安裝完畢后，使用LUKE公司的1508型手持式絕緣檢測儀對各關(guān)鍵零部件進行靜態(tài)絕緣電阻檢測。檢測前，需將系統(tǒng)冷卻液回路加注去離子水（電阻率lt;18.7 MΩ·cm）并排出空氣，結(jié)果如表1所示。

系統(tǒng)完成靜態(tài)絕緣檢測后，通過使用BENDER公司的ISO 165C型在線式絕緣檢測儀，檢測系統(tǒng)運行過程中的絕緣電阻。燃料電池內(nèi)部冷卻液溫度上升至60 ℃時，讀取升壓DC/DC變換器，輸出負極與系統(tǒng)接地點間絕緣阻值，結(jié)果如圖14所示。

根據(jù)電動汽車安全要求，對燃料電池系統(tǒng)進行多項改進設(shè)計，在短期運行狀態(tài)下，系統(tǒng)絕緣阻值約為4 MΩ，已經(jīng)遠超相應(yīng)國家標準[24]。

為了進一步驗證本文絕緣措施的有效性，連續(xù)30日對燃料電池系統(tǒng)進行跟蹤測試，日均運行功率達到100 kW，記錄相應(yīng)的絕緣電阻值并繪制曲線，如圖15所示。

測試結(jié)果表明：在持續(xù)30天的測試中，系統(tǒng)絕緣電阻均超過3 MΩ，優(yōu)化后燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能顯著提升。

5 結(jié)束語

車用燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能不僅影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也是乘員安全的第一道防線。本文詳細分析了與系統(tǒng)高壓絕緣相關(guān)的關(guān)鍵零部件特性，通過優(yōu)化燃料電池電堆、升壓DC/DC變換器等元件，燃料電池系統(tǒng)的靜態(tài)絕緣阻值已經(jīng)達到5 MΩ以上，在運行狀態(tài)下，持續(xù)30天的絕緣電阻檢測結(jié)果也高于3 MΩ以上。為燃料電池系統(tǒng)設(shè)計和零部件設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

由于本文項目試驗的工況設(shè)置和數(shù)據(jù)選取，與實車系統(tǒng)存在一定的差距，未來，將逐步應(yīng)用于實車驗證，并通過新型零部件研究，進一步提升系統(tǒng)的絕緣性能。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年3月13日。