燃料电池系统冷却回路绝缘电阻设计及分析

李红信，王 忠，朱平平

燃料电池系统冷却回路绝缘电阻设计及分析

李红信，王 忠，朱平平

（雄川氢能科技（广州）有限责任公司，广东广州 510700）

在燃料电池冷却系统中，冷却液直接与高压电接触，为保证高压安全，必须确保冷却系统具备高绝缘阻值。文章针对燃料电池冷却系统，分析了燃料电池冷却系统可能存在的漏电部件，旨在提升燃料电池冷却系统的绝缘性能。通过对燃料电池冷却系统中的中冷器与板式换热器设计绝缘保护，有效降低了冷却系统中的漏电风险，较好地提升了燃料电池系统的高压安全性能，为今后燃料电池冷却回路设计提供参考，更好地保护人身安全。

绝缘电阻；燃料电池；高压电；用电安全

随着中国新能源汽车行业迅速发展，目前中国已确定纯电动汽车、混合动力汽车、氢燃料电池汽车这三个发展方向，以逐步降低石化燃料发动机汽车的市场占有率，达到碳中和目标。氢燃料电池系统作为近年发展起来的新能源行业，在研发过程中遇到了非常多的问题，尤其是高压电安全设计方面，燃料电池绝缘性能一直是高压电安全的重要性能指标，所以对于燃料电池系统的绝缘设计非常重要[1]。根据国家电工手册，高压电的危害程度会危害到人员生命安全，所以必须对高压电加以防护，其主要防护措施有两类：基本防护与单点失效防护。基本防护主要是针对零部件，采取绝缘遮拦或外壳保护设计，将高压与人员进行物理隔离，防止人员与带电部位接触。单点失效防护主要是等电位均衡与绝缘阻值保护。对于绝缘电阻保护，《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》（GB/T 18384.3－2015）对最小瞬间绝缘电阻做了明确定义：在最大工作电压（直流1 000 V或交流660 V）下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于100 Ω/V，交流电路应至少大于500 Ω/V。如果需满足燃料电池绝缘电阻要求，需要为其绝缘阻值设定为准确的参考指标，燃料电池电压范围为450～750 V，按最大直流工作电压1 000 V计算，高压电路部分的绝缘阻值必须大于100 kΩ[2-3]。

1 燃料电池冷却系统工作原理

燃料电池冷却系统原理如图1所示，其控制原理为：1）通过水泵转速控制冷却液流量；2）通过风扇控制电堆进出口冷却液温度；3）节温器控制冷却系统大、小循环。

当注入冷却液后，冷却液流经通路主要为高压水泵、散热器、节温器、正温度系数（Positive Temperature Coefficient, PTC）制热系统、过滤器、电堆、中冷器、板式换热器，而其中金属件为中冷器与板式换热器，高压水泵，散热器、节温器、PTC、过滤器、燃料电池电堆内部已作绝缘处理，冷却液通路对地绝缘阻值能达到要求，但中冷器与板式换热器内部并未做绝缘处理，绝缘阻值并不能达到高压电防护要求。另外对于冷却液，必须采用去离子水，通过增加去离子树脂来降低水的电导率，从而提高燃料电池冷却系统的绝缘电阻值。电堆双极板直接与冷却液导通，同时冷却液经过食品级硅胶管路进入了高压水泵及外散热器，另外还需对中冷器与板式换热器进行热交换，但因中冷器与板式散热器直接安装在电堆上，导致其绝缘电阻值大幅降低。技术指标规定冷却液的电导率低于5 μS/cm。根据试验测试结果：当冷却液电导率为1 μS/cm时，系统绝缘阻值会大于600 kΩ，但如果当冷却液电导率升高至5 μS/cm时，系统绝缘阻值会下降到100 kΩ水平，如果冷却液电导率再次升高至20 μS/cm时，系统绝缘阻值会降为20 kΩ，远低于国标要求的100 kΩ，会危及人身安全[4-5]。

2 燃料电池绝缘电阻测量理论

绝缘监测工作原理主要包括电流传感法、对称电压测量法、桥式电阻法、低频信号注入法等，其中低频信号注入法应用最为广泛。脉冲注入式测绝缘阻值原理如图2所示。

图2 绝缘电阻测量原理

绝缘监测仪内部产生一个正负对称的低频方波脉冲信号，幅值为±15 V。在燃料电池系统直流母线与汽车底盘（大地）之间注入脉冲信号，脉冲信号通过限流电阻串x、采样电阻s与待测正极对地绝缘电阻iso+、负极对地绝缘电阻iso-构成回路。利用s上的实时采样信号，通过微控制单元（Microcontroller Unit, MCU）算法即可得到待测系统对汽车底盘（大地）的绝缘电阻值iso+、iso-、iso。绝缘电阻有两种输出方式：一种输出正极和负极分别对地绝缘电阻值iso+和iso-；一种输出正极、负极对地绝缘电阻的并联值iso。两种绝缘电阻输出方式，如图3、图4所示。

iso+和iso-，分别指电池组正极BUS+对汽车底盘（大地）和电池组负极BUS-对汽车底盘（大地）的绝缘电阻值，方便区分正、负极对地绝缘故障。正、负极对地绝缘电阻的并联值iso指所有绝缘电阻的并联值，其故障接地位置通过电压1和2表示：1为电池组正极BUS+对接地点的电压，2为接地点对电池组负极BUS-的电压，1+2为电池组直流电压值DC。用户可以通过读取1的数据，方便查找确定电池组内部的绝缘故障点位置[6]。

图3 正极和负极分别对地绝缘阻值

图4 正极和负极对地绝缘并联阻值

3 提升绝缘阻值临时设计策略

目前我司生产的燃料电池系统发动机，在试装完成后，在注入冷却液后进行测试过程中，绝缘电阻测试仪通过控制器局域网（Controller Area Network, CAN）总线向上位机报绝缘阻值过低故障码，绝缘阻值仅25 kΩ，远低于国标要求的100 kΩ。经排查发现是中冷器与板式换热器在注入了冷却液后，直流母线绝缘阻值过低导致，因中冷器与板式换热器直接通过M6×16的螺栓安装于电堆外箱体之上，之间并未做任何绝缘处理，中冷器与板式换热器安装示意如图5、图6所示。

图5 中冷器安装示意图

图6 板式换热器安装示意图

对中冷器与板式换热器单独用绝缘表测对地绝缘阻，会发现阻值非常低，远低于国家安全标准值。而根据冷却系统原理图，中冷器与板式换热器均会流过冷却液，为提升中冷器与板式换热器的绝缘阻值，就必须对此两个件的安装部位进行绝缘处理，临时的处理策略是加装隔离垫片，垫片材料选用聚酰胺（Polyamide, PA），PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，阻燃。尼龙垫片设计图纸如图7所示。中冷器与板式换热器加装尼龙垫片安装示意图，如图8、图9所示。

图8 中冷器加装尼龙垫片示意图

图9 板式换热器加装尼龙垫片示意图

中冷器与板式换热器经过加装尼龙垫片作绝缘处理后，再次用绝缘表测量板式换热器与中冷器的对地绝缘阻值分别为5.2 MΩ与4.6 MΩ，绝缘阻值有大幅提升。中冷器与板式换热器绝缘阻值如图10、图11所示。

图10 中冷器绝缘阻值

图11 板式换热器绝缘阻值

图12 燃料电池在线绝缘阻值

实施临时设计策略后，对于燃料电池加注冷却液，实时监测燃料电池直流母线绝缘阻值可过到2 000 kΩ以上，可以有效解决冷却系统中的漏电风险。

4 提升绝缘阻值优化设计策略

以上加装尼龙垫片，只是临时应对策略，类似的临时应对策略还可以采用塑料螺母代替金属螺母等，但此两类临时策略的耐久性和可靠性缺乏验证，所以必须制定优化设计策略，优化设计策略考虑单独开发支撑垫片，支撑垫片为硬质塑料件，材质可选用聚四氟乙烯（特氟龙：代号PTFE），其具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性。板式换热器支撑垫片设计示意图及设计尺寸如图13、图14所示。中冷器支撑垫片设计示意图及设计尺寸如图15、图16所示。

实施优化设计策略后，再次给燃料电池注入冷却液后，由在线绝缘监测仪（GYID-10M36 CANK）对燃料电池直流母线电阻进行实时监测，其监测结果如图17所示。

图14 板式换热器支撑垫片设计尺寸图

图15 中冷器支撑垫片安装示意图

图16 中冷器支撑垫片设计尺寸图

实施优化设计策略后，对于燃料电池加注冷却液，实时监测燃料电池直流母线绝缘阻值可达到4 400 kΩ以上，同样可以有效解决冷却系统中的漏电风险。

图17 燃料电池在线绝缘阻值

5 结论

采取临时设计策略后，中冷器与板式换热器对地绝缘阻值暂时能达到设计要求，可以有效解决冷却系统中的漏电风险，但仅满足燃料电池发动机台架测试要求，其稳定性及可靠性难以保证，所以必须采用设计优化策略，可以一劳永逸地解决燃料电池冷却系统中的漏电风险问题。

[1] 赵英汝.燃料电池:事实与数据[M].北京:化学工业出版社,2021:188-190.

[2] 左力.某型号氢燃料电池电堆绝缘电阻的理论浅析与试验研究[J].上海汽车,2022(8):4-8.

[3] 宋芳,张宇鹏,梁士福,等.电动汽车高压安全技术综述[J].汽车文摘,2022(12):14-21.

[4] 赵狐龙.燃料电池汽车电堆冷却系统设计与仿真[J].汽车制造业,2021(3):17-18.

[5] 张少鹏,韦瑾,申彤,等.车用燃料电池冷却系统电导率分析[J].北京汽车,2021(2):19-21.

[6] 黄雨龙,陈振斌,崔相雨,等.电阻绝缘检测中低压脉冲信号注入法的算法改进[J].海南大学学报(自然科学版),2020,38(1):13-19.

Design and Analysis of Insulation Resistance of Cooling Circuit of Fuel Cell System

LI Hongxin, WANG Zhong, ZHU Pingping

( Xiongchuan Hydrogen Technology (Guangzhou) Company Limited, Guangzhou 510700, China )

In a fuel cell cooling system, the coolant is in direct contact with high-voltage electricity. To ensure high-voltage safety, it is necessary to ensure that the cooling system has a high insulation resistance value. This article analyzes the possible leakage components in the fuel cell cooling system in order to improve the insulation performance of the fuel electric cooling system. By designing insulation protection for the intercooler and plate heat exchanger in the fuel cell cooling system, the possibility of leakage in the cooling system is eliminated, and the high-voltage safety performance of the fuel cell system is well improved, providing a reference for future fuel cell cooling circuit design, better protect personal safety.

Insulation resistance; Fuel cell; High-voltage; Power safety

U469.7；TM911

A

1671-7988(2023)21-12-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.003

李红信（1990－），男，硕士，助理工程师，研究方向为燃料电池电堆、燃料电池系统及燃料电池汽车，E-mail:11587095925@qq.com。