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關(guān)注新能源電驅(qū)系統(tǒng)高壓絕緣零件設(shè)計

發(fā)布時間:2020-12-28點擊:1808

引言

因出色的導(dǎo)電性,銅排是新能源電驅(qū)系統(tǒng)高壓承載的零件之一。由于空間問題,高壓銅排之間或者銅排與殼體之間的間隙往往很小。在這樣的情況下,就需要一個絕緣材料將彼此隔開。

絕緣材料有很多種,比如玻璃、陶瓷就是很好的絕緣材料,在電驅(qū)系統(tǒng)中常用的絕緣材料是塑料。

對于塑料寬泛的解釋:以單體為原料,通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物,主要成分是樹脂。

一、高壓絕緣關(guān)注什么?

從應(yīng)用工程師的角度出發(fā),即使我們沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過高壓絕緣知識,只要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)保證電氣間隙、爬電距離這兩個指標(biāo)達到要求,就基本可以保證設(shè)計的高壓系統(tǒng)絕緣不會出大問題了。

那么為什電氣間隙爬電距離這么重要呢?

1. 保持電氣間隙很容易理解。在高壓線路開閉的瞬間,兩極之間會產(chǎn)生頗為壯觀的電弧,當(dāng)距離拉開后,電弧消失。電弧的產(chǎn)生是因為強電場使空氣分子被電離,也就是發(fā)生了所謂的絕緣失效—空氣介質(zhì)擊穿。這個現(xiàn)象就很好說明了只要保持一定距離,那么兩個高壓零件之間的空氣絕緣就沒有問題。

2. 為什么需要保持爬電距離?什么是爬電距離?在回答這個問題之前,我們先來看看GBT4939(信息技術(shù)設(shè)備安全)中對于爬電距離的基本要求:

爬電距離的尺寸應(yīng)當(dāng)確保在給定的工作電壓和污染等級下不會出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)或絕緣擊穿(例如,由于電痕化引起)。

這里出現(xiàn)了一個陌生的名詞閃絡(luò),行業(yè)內(nèi)對閃絡(luò)解釋是指固體絕緣子周圍的氣體或液體電介質(zhì)被擊穿時,沿固體絕緣子表面放電的現(xiàn)象。前面我們談到的保持電氣間隙,是為了防止通過氣隙放電,也就是說保持爬電距離是為了防止另外一種區(qū)別于空氣擊穿的高壓絕緣失效。

實驗表明:沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多,而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。應(yīng)該注意的是,這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性,還應(yīng)考慮表面潮濕、污染時的特性,顯然,在后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓必然降得更低。這,就是我們會什么要保持爬電距離的根本原因。

在了解了電氣間隙和爬電距離的意義后,以下面兩張圖來解釋兩者在測量上的差異(不過多拓展,有興趣可以查看IEC60950,實線是電氣間隙,虛線是爬電距離)。

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二、高壓絕緣塑料特性—電氣

前面談到高壓絕緣失效常見兩種模式有兩種:擊穿閃絡(luò),這是分析塑料材料的電氣絕緣特性的一個基礎(chǔ)。那么塑料材料電氣性能相關(guān)的參數(shù)有哪些呢?具體又是如何影響電氣性能?

 1. 體積電阻率(Volume resistivity)

體積電阻率,是材料每單位體積對電流的阻抗,用來表征材料的電性質(zhì),單位是Ω·m。
塑料絕緣材料在電場下,也會有很小的電流通過,所以體積電阻率的測試方法就是將材料在要求電壓下保持規(guī)定時間,并測量所產(chǎn)生的電流。
為了理解不同材料的差異,我們先來了解分子極性,這是理解塑料材料電熱性能的紐帶,非常重要!

們說分子有極性是說這個分子內(nèi)電荷分布不均勻,或者說,正負電荷中心沒有重合。分子的極性取決于分子內(nèi)各個鍵的極性以及它們的排列方式。

通俗理解,就是極性代表活潑,非極性就是不活潑。所以一般來說非極性高分子的電阻率要略大于極性高分子的電阻率。我們比較熟悉的苯就是典型非極性分子(記住這個結(jié)論,后面還會用到),NH3就是典型的極性分子。

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2.介電強度(Dielectric strength)

介電強度,是材料抗高電壓而不產(chǎn)生介電擊穿能力的量度,將試樣放置在電極之間,并通過一系列的步驟升高所施加的電壓直到發(fā)生介電擊穿,以此測量介電強度,單位是kV/mm。介電強度越大,對電荷的束縛能力的上限就越大越強。

1. 相對漏電起痕指數(shù)(Comparative Tracking Index ( CTI )
相對漏電起痕指數(shù)是指材料表面能經(jīng)受住50滴電解液(0.1%氯化銨水溶液)而沒有形成漏電痕跡的***高電壓值。我們可以簡單的理解為塑料抗污染的能力。
如果大家對前面爬電距離的解釋還有印象的話,那么就更能理解為什么爬電距離要和CTI扯上關(guān)系。忘記的話沒關(guān)系,我們再溫習(xí)下前文內(nèi)容。
實驗表明:沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多,而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。應(yīng)該注意的是,這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性,還應(yīng)考慮表面潮濕、污染時的特性,顯然,在后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓必然降得更低。

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整個失效的過程:

(1)首先材料表面存在潮濕與污穢+電場足夠大時,表面將有漏電流產(chǎn)生

(2)在電流的焦耳熱作用下,水分被蒸發(fā),表面液膜的分離形成的縫隙(稱為干燥帶)

(3)在干燥帶形成瞬間液膜間場強達到放電場強而導(dǎo)致放電

(4)放電產(chǎn)生的熱量使材料表面局部碳化

(5)由于碳化生成物的導(dǎo)電率高,此處的電場密度集中于該碳化部分,引起放電的重復(fù)發(fā)生,在其周圍產(chǎn)生更多的碳化物,形成碳化導(dǎo)電路,并向電極方向伸展,***終導(dǎo)致短路

除了上述幾個參數(shù)以外,塑料電性能相關(guān)參數(shù)還有耐電弧能力(干燒)、耐電暈?zāi)芰?、耐局部放電能力(絕緣材料含有雜質(zhì)、氣孔等,導(dǎo)致局部放電)等。

三、高壓絕緣塑料特性—機械
絕緣材料首先要滿足的是高壓絕緣要求,其次要滿足的是系統(tǒng)機械性能要求。塑料材料機械失效比較容易理解,常見的失效模式有斷、裂、碎。在討論性能參數(shù)之前,我們先來看下高分子材料常見的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

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1 拉伸強度(tensile strength)
抗拉強度表征材料***大均勻塑性變形的抗力,測試過程中試樣拉伸至斷裂的過程中,***大的拉伸應(yīng)力就是拉伸強度,單位MPa

2.斷裂延伸率(Elongation at break)材料在拉伸斷裂后,總伸長與原始標(biāo)距長度的百分比。工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料;把δ≤5%的材料稱為脆性材料。換言之,斷裂延伸率越大,材料越脆。
高壓絕緣塑料特性—熱性能

前面我們討論了很多塑料材料關(guān)鍵參數(shù):體積電阻率、介電強度、拉伸強度等。材料供應(yīng)商提供的物性表中的值一般來說都是常溫下測得,也不包含材料的耐久老化(在高分子材料的使用過程中, 由于受到熱、氧、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用, 高分子材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列變化, 物理性能也會相應(yīng)變壞, 如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強度等, 這些變化和現(xiàn)象稱為老化)。

所以在材料選型過程,除了看常溫下的物性表,更需要關(guān)注材料關(guān)鍵參數(shù)在不同溫度不同環(huán)境下的老化以后的性能。

談到老化,我們首先需要了解材料的一個非常重要的指標(biāo)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對應(yīng)的溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變是非晶態(tài)高分子材料固有的性質(zhì),是高分子運動形式轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)。通俗理解,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下,塑料被“凍結(jié)”,幾乎無老化;玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上,塑料材料開始老化,溫度越高,老化越嚴(yán)重。當(dāng)然,溫度的提升并不全部是壞處,有時會提高材料的某些參數(shù),比如我們關(guān)注的拉伸強度。

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為電驅(qū)動系統(tǒng)中的高壓絕緣零件,在某些場合下,我們會需要考慮材料的耐油性。由于高聚合物分子自身的特性,油溶劑分子可以滲透到內(nèi)部。而影響滲透的因素主要有材料結(jié)構(gòu)、玻璃轉(zhuǎn)化溫度、結(jié)晶性能,所以在評估塑料材料是否耐不耐油,可以從以下兩點出發(fā)。在相同溫度下,玻璃轉(zhuǎn)化溫度越低,越容易滲透油液滲透發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)域,因此結(jié)晶度較高的材料不容易發(fā)生透

但是獲得材料的老化數(shù)據(jù)成本是相對較高的,因此材料供應(yīng)商并不會每個牌號都會進行老化數(shù)據(jù)測試。所以在沒有這些老化數(shù)據(jù)之前,我們一般以材料的熱變形溫度(Heat deflection temperature, HDT),來代表材料短期的受熱能力。

熱變形溫度是負荷撓曲溫度的通俗說法。它是高溫下測定塑料剛性的一種方法:在一定負荷下,以一定速度持續(xù)加溫,直到式樣顯示指示變形量時的溫度。

四、高壓絕緣塑料特性—添加劑

為了滿足不同性能要求,塑料材料經(jīng)常會添加各種添加劑,這就猶如燒菜時添各種佐料一般。塑料材料***常見的添加劑,也是我們***熟悉的莫過于玻纖(無機非金屬材料,能有效的提高材料的拉伸強度),即材料牌號后面的英文字符GF。其他的添加劑還有很多,比如熱穩(wěn)定劑/抗氧化劑/發(fā)泡劑/阻燃劑。關(guān)于添加劑遇到的比較多的問題有兩個。

1. 價格

以玻纖為例,GF40材料比GF30材料,玻纖含量高,拉伸強度高,是不是價格也更貴一點呢?

其實不然,玻纖的價格遠遠的低于塑料基材。玻纖多,基材就少,物料成本反而低,另外通過玻纖提高拉伸強度的同時,其他參數(shù)會變差,如塑性。這種此消彼長的副作用,需要我們慎重的去抉擇。

五、電驅(qū)系統(tǒng)需要V0阻燃嗎?

回到這個問題之前,我們先來大致了解下除了V0還有哪些阻燃等級。可燃性UL94等級是應(yīng)用***廣泛的塑料材料可燃性能標(biāo)準(zhǔn),它用來評價材料在被點燃后熄滅的能力。UL94共12個防火等級,分別是:HB,V-0,V-1,V-2, 5VA,5VB,VTM-0,VTM-1,VTM-2,HBF, HF1,HF2。

在這里我們重點看下HBV0。HB是UL94標(biāo)準(zhǔn)中***低的阻燃等級。試驗方法是水平夾住試片的一端與水平成 45±2 度,取一鐵網(wǎng),水平固定在試片下方 10±1mm,將本生燈(火焰高度20mm左右)成 45 度,移動到試片另一端接觸樣品 6mm,并計時 30±1 秒后移開,待試片燒至 25mm 標(biāo)記時,啟動另一計時器。若在 30±1 秒內(nèi)就燒至 25 mm 的標(biāo)記時,啟動另一計時器,并將本生燈移開。V0的試驗時也稱為50w垂直燃燒測試,這是因為燃燒的能量在50w左右。試驗方法是本生燈(火焰高度20mm左右)接觸樣品下方中心點燃燒 10±0.5 秒后,以 300mm/s 的速度移開本生燈,距離試片至少 150mm,并記錄***次的自燃時間。自燃停止后,馬上進行第二次燃燒,燃燒 10±0.5 秒后,移開本生燈,并記錄第二次自燃時間及火焰熄滅后的熾紅時間。

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從測試規(guī)范以及要求限值來看,V0阻燃等級是高于HB,這也就是為什么新能源汽車行業(yè)會出現(xiàn)阻燃性V0要求之一。那么對于這樣的要求,原本HB阻燃的材料就無法滿足新的要求,必須采取措施提升阻燃性,***常見的方法就是增加阻燃劑。所以我們可以看到同樣大類的材料,比如PPA,就有HB阻燃和V0阻燃不同牌號。在現(xiàn)階段的技術(shù)水平下,阻燃添加劑的副作用相比玻纖是巨大的,不僅拉伸強度和韌性會大打折扣(特別是熔接痕處),并且大部分阻燃劑在高溫下易分解,釋放出酸性物質(zhì),對金屬具有腐蝕作用。

新能源汽車燒毀一直是備注關(guān)注的焦點問題,其帶來的社會影響巨大,這在一定程度上推動了對行業(yè)內(nèi)塑料零件阻燃性提高的重視。

回到我們要討論的問題:新能源電驅(qū)系統(tǒng)需要V0阻燃嗎?

只有在可燃物、助燃物、點火源三個條件同時具備的情況下,可燃物才能發(fā)生燃燒。對于電驅(qū)系統(tǒng)而言,密封等級一般IP67,內(nèi)部零件以金屬為主,從這個角度出發(fā)出發(fā),電驅(qū)系統(tǒng)因材料阻燃性失效導(dǎo)致的的嚴(yán)重度、頻度、探測度都是比較低的。當(dāng)然對于設(shè)計而言,是精益求精的過程,沒有***好的選擇,只有更好的選擇。

權(quán)衡價格、性能、制造、等多方面方面因素,在目前的階段,我認為電驅(qū)系統(tǒng)技從工程角度來說是不需要把V0阻燃作為硬性要求,當(dāng)然有V0能力那當(dāng)然是***好的。

六、高壓絕緣塑料特性—材料選型

塑料材料種類繁多,以巴斯夫塑料產(chǎn)品金字塔為例(不同公司,存在些許差異),多達40余種。

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在電驅(qū)系統(tǒng)中常見有5種:PA6、PA66、PPA、PPS、PBT。

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PPS是聚醚類塑料,分子式給人的***感覺就是剛的一塌糊涂,穩(wěn)定的像個“龜殼”,這個“龜殼”就是苯,苯具有不同于飽和化合物的性質(zhì),不易加成、不易氧化、碳環(huán)異常穩(wěn)定,這些性質(zhì)總稱為芳香性(非極性或弱極性)。

PBT也有一個“龜殼”,那應(yīng)該也很穩(wěn)定咯?是的,PBT學(xué)名聚對苯甲酸丁二醇酯,屬于芳香族聚酯,也具有前面談到的芳香性。

PA6、PA66就是我們生活中常常提到的尼龍類(聚酰胺俗稱尼龍(Nylon))。如果說芳香性材料是“悶”的性格,穩(wěn)重;那么尼龍就屬于“開朗”的性格,兼容***。

也許有讀者發(fā)現(xiàn)了,前面談到5種常見塑料,為什么只有4種分子式,還有一種呢?PPA去哪了?

PPA比較特殊,有時候又被叫做“PA6T”。PPA是以間苯二甲酸、對苯二甲酸、己二酸和己二胺之間縮聚形成的聚合物的共混物,是一種半結(jié)晶性的半芳香尼龍。***常見的共混方式莫過于PA6T/66,既是芳香又是尼龍,所以PPA的綜合性能非常優(yōu)異,當(dāng)然價格也不菲,畢竟是特種尼龍。

那么電驅(qū)系統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)零件該選什么材料呢?

對于開裂的直觀理解就是材料太脆(斷裂延伸率小),在溫度交變和大應(yīng)力作用下容易發(fā)生。因此材料的脆性是在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計選型過程中需要重點關(guān)注的參數(shù)。

前面談到尼龍的韌性天生優(yōu)異芳香性材料,考慮到脆性失效,是不是不能用芳香性材料?

但前面又談到尼龍的熱穩(wěn)定性是天生不如芳香性材料,考慮到老化失效,是不是不能用尼龍了?這樣的比喻或許有些極端,但之前問題的答案也就自然而然的出來了。當(dāng)材料無法更改,那么合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可以規(guī)避材料本身的不足。當(dāng)結(jié)構(gòu)無法調(diào)整,那么合理的材料選型時可以規(guī)避設(shè)計的不足。實際工作過程中,我們也遇到過韌性好的零件開裂,也遇到過韌性不好的零件開裂。解決方法有很多,比如增加厚度就是一個不錯的選擇,當(dāng)然更換一個韌性更好的材料也是比較常用的快速解決方案。

七、高壓絕緣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

接下來,我們來談下高壓絕緣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。也就是前面談到的那些參數(shù)限值多少問題。

關(guān)于電氣間隙與爬電間隙新能源電驅(qū)動系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解讀與拓展:電器間隙與爬電距離,對現(xiàn)有的國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行了系統(tǒng)的收集,大家可以參考。但需要注意的是,這些標(biāo)準(zhǔn)里的限值并不是硬性的指標(biāo),而是參考。

有些參數(shù)我們很容易根據(jù)系統(tǒng)工況進行限定,比如根據(jù)CAE分析對材料拉伸強度進行要求,根據(jù)系統(tǒng)***高溫度對材料HDT進行要求 。但體積電阻率、介電強度、斷裂延伸率等參數(shù)呢?

回到前面的材料脆性討論,材料脆會導(dǎo)致開裂,但脆只是一個特性。多脆會導(dǎo)致失效呢?對于同一個大類,PPS通過增加添加劑可以提高韌性,而PPA增加添加劑后也可能會降低韌性.電驅(qū)系統(tǒng)的高壓化、輕量化的發(fā)展給塑料材料的應(yīng)用提供機遇。

來源:調(diào)皮的jinx公眾號 汽車材料專家于斌先生



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