燃料電池汽車絕緣故障排查

【摘 要】氫能源是新興的綠色二次能源，以氫氣作為能源的燃料電池汽車具有零排放、高效率、高可靠性、低噪聲等優(yōu)點，成為新能源汽車新發(fā)展點。絕緣電阻是燃料電池汽車的重要安全指標，對整車與人員安全有著重要影響。文章根據(jù)燃料電池汽車的實際應(yīng)用，介紹燃料電池汽車絕緣監(jiān)測原理與燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻組成，梳理燃料電池汽車絕緣故障排查思路并歸納總結(jié)常見的燃料電池汽車絕緣故障，對燃料電池汽車設(shè)計研發(fā)與運營維護有一定參考作用。

【關(guān)鍵詞】燃料電池汽車；絕緣電阻檢測原理；絕緣故障

中圖分類號：U469.722 文獻標識碼：B 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0086-03

Fuel Cell Vehicle Insulation Troubleshooting

LIANG Chengwu

（Foshan CleanEst Energy Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528225，China）

【Abstract】Hydrogen energy is an emerging green secondary energy source. Fuel cell vehicles using hydrogen as energy source have the advantages of zero emission，high efficiency，high reliability and low noise，and have become a new development point for new energy vehicles. Insulation resistance is an important safety index of fuel cell vehicles，which has an important impact on vehicle and personnel safety. Based on the practical application of fuel cell vehicles，this papnUEE5Hv1z5QknHh7mUCsJw==er introduces the insulation monitoring principle of fuel cell vehicles and the insulation resistance composition of fuel cell system，reviews the troubleshooting ideas of fuel cell vehicles insulation faults，and summarizes common insulation faults of fuel cell vehicles，which has a certain reference for the design，development，operation and maintenance of fuel cell vehicles.

【Key words】fuel cell vehicle；principle of insulation resistance testing；insulation fault

作者簡介

梁成武（1992—），男，初級工程師，主要從事燃料電池系統(tǒng)標定調(diào)試工作。

1 引言

隨著國家對汽車排放污染物要求越來越高，排放法規(guī)越來越嚴格，傳統(tǒng)的燃油車已日漸難以滿足排放要求，人們把目光投向了新能源汽車，新能源汽車迎來高速發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有高發(fā)電效率、高可靠性、低噪聲以及零排放等優(yōu)點[1]，以質(zhì)子交換膜燃料電池作為能量轉(zhuǎn)換裝置的燃料電池汽車成為新能源汽車新發(fā)展點。

燃料電池汽車利用質(zhì)子交換膜將氫氣與氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電能驅(qū)動電機，進而驅(qū)動汽車行駛。燃料電池汽車除了具備燃料電池的特點外，還具備純電動汽車的所有特點，其3QlWm97aQByLeXWhW9Wbig==中純電動汽車的絕緣問題，在燃料電池汽車上同樣存在。目前國內(nèi)對于燃料電池汽車的絕緣問題有一定研究。黃愛軍[2]通過對比不同燃料電池客車高壓絕緣方案，闡述了燃料電池客車的基本設(shè)計思路與方法。柯小軍[3]介紹了燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻保護原理并分析了絕緣電阻的設(shè)計要點。左力[4]闡述了燃料電池絕緣電阻的保護原理與理論模型，并試驗不同情形下的絕緣電阻變化規(guī)律。但是大部分燃料電池相關(guān)的絕緣問題研究主要集中在燃料電池系統(tǒng)絕緣保護原理、理論模型、相關(guān)試驗方面，對于燃料電池電動汽車的絕緣研究相對較少，缺少燃料電池電動汽車實際應(yīng)用過程的絕緣故障歸納總結(jié)以及對應(yīng)的絕緣電阻故障排查思路。為此，本文從燃料電池汽車的實際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)歸納燃料電池汽車在整車氫電聯(lián)調(diào)以及車輛運行維護過程中出現(xiàn)的絕緣故障以及對應(yīng)的絕緣故障排查思路。

2 絕緣電阻檢測原理與組成

2.1 燃料電池汽車絕緣檢測原理

燃料電池汽車高壓系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)、動力電池、驅(qū)動電機等部分組成，如圖1所示。燃料電池汽車高壓系統(tǒng)的絕緣電阻是高壓直流母線與電壓平臺（車架）之間絕緣介質(zhì)的絕緣阻值，也是燃料電池系統(tǒng)、動力電池、驅(qū)動電機以及其他高壓部件絕緣電阻并聯(lián)的結(jié)果，因此其中任意部件出現(xiàn)絕緣故障都會造成燃料電池汽車高壓系統(tǒng)絕緣故障。

燃料電池汽車的絕緣檢測與純電動汽車絕緣檢測方法相同，分為無源絕緣檢測與有源絕緣檢測，由于無源檢測的抗干擾能力較差，所以燃料電池汽車絕緣檢測一般采用有源絕緣檢測方法，如低頻信號注入法。低頻信號注入法測試絕緣電阻過程中會將低頻信號連接到燃料電池汽車高壓系統(tǒng)電路中，注入一定幅度和頻率的低頻電壓信號，然后通過測量注入電壓與采樣電阻電壓的差異來計算絕緣電阻數(shù)值，如圖2所示。

2.2 燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻組成

燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻包括高壓電路絕緣電阻與冷卻水路絕緣電阻，燃料電池系統(tǒng)的絕緣阻值等于高壓電路絕緣阻值與冷卻水路絕緣阻值并聯(lián)的結(jié)果，只要其中某一部分的某個部件出現(xiàn)絕緣故障，都會導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)絕緣故障。

燃料電池系統(tǒng)高壓電路絕緣電阻是DCDC、空壓機、高溫水泵、PTC、氫泵、電堆以及其他高壓電路部件正、負極對外表面或金屬搭鐵點絕緣阻值并聯(lián)的結(jié)果，如圖3所示。

冷卻水路絕緣電阻是電堆、高溫水泵、PTC、節(jié)溫器、散熱器以及其他水路部件的冷卻液對外表面或金屬搭鐵點絕緣阻值并聯(lián)的結(jié)果（散熱器雖然不在燃料電池系統(tǒng)范圍之內(nèi)，但是散熱器與燃料電池系統(tǒng)共用冷卻液，測試燃料電池系統(tǒng)冷卻水路的絕緣電阻已經(jīng)包括散熱器的絕緣電阻），如圖4所示。冷卻水路絕緣電阻主要影響因素有：冷卻液電導(dǎo)率、水路部件材料、水路部件密封性、水路部件絕緣墊片選型、水路部件表面潔凈度等。

3 燃料電池汽車絕緣排查思路

燃料電池汽車出現(xiàn)絕緣故障后，主要排查思路是使用逐個插拔法[5]逐漸縮小絕緣故障范圍，最后鎖定絕緣故障問題點。燃料電池汽車絕緣故障排查按照圖5的流程進行，具體步驟如下。

第1步，斷開燃料電池系統(tǒng)與整車純電部分的高壓連接，確定絕緣故障是否是燃料電池系統(tǒng)導(dǎo)致。若不是，則排查純電部分絕緣故障；若是，則進行第2步。

第2步，斷開燃料電池系統(tǒng)高壓輔件與DCDC的高壓連接，確定絕緣故障是否是電堆（包括電堆連接的冷卻子系統(tǒng)）導(dǎo)致。若不是，則排查高壓線纜、高壓零部件絕緣故障；若是，則進行第3步。

第3步，泄放燃料電池系統(tǒng)冷卻水，使得電堆與冷卻水路零部件處于干態(tài)，確定絕緣故障是否是電堆導(dǎo)致。若不是，則排查冷卻水路零部件絕緣故障；若是，則排查電堆本身的絕緣故障。

第4步，針對鎖定的絕緣故障范圍，識別出其所有可能導(dǎo)致絕緣故障的問題點，并逐一排除。

絕緣故障可能是單因素造成，也有可能是多因素導(dǎo)致，當使用逐個插拔法進行絕緣故障排查時，發(fā)現(xiàn)不止一個區(qū)域范圍存在絕緣故障時，則需要排查絕緣故障的多因素影響。另外，由于燃料電池汽車的絕緣阻值是各部分絕緣電阻并聯(lián)的結(jié)果，所以各部分的絕緣阻值比整車絕緣限值高得多，當出現(xiàn)某一部分的絕緣阻值接近或等于整車的絕緣限值時，依然會導(dǎo)致整車絕緣故障，需要對該部分進行絕緣排查。

4 燃料電池汽車常見絕緣故障

4.1 濕度過高導(dǎo)致絕緣故障

隨著環(huán)境濕度的增加，燃料電池系統(tǒng)電氣設(shè)備表面的水分越來越多，在電場的作用下，水中的離子定向移動，形成定向電流，提高了材料的電導(dǎo)率，導(dǎo)致材料的表面泄漏電流增加，進而降低絕緣電阻。一般情況下，燃料電池汽車在多雨天氣、回南天氣行駛或者經(jīng)過積水較深的涉水路面時，燃料電池系統(tǒng)的電器設(shè)備容易出現(xiàn)表面潮濕或者內(nèi)部進水導(dǎo)致的絕緣故障，其絕緣故障表現(xiàn)為清理電器設(shè)備表面水分或內(nèi)部進水后，絕緣阻值明顯提升。在車輛調(diào)試與運營過程中發(fā)現(xiàn)，常見的高壓線纜接插件進水與高壓設(shè)備進水導(dǎo)致的絕緣故障多為設(shè)備密封安裝不到位，密封材料老化變形導(dǎo)致，因此排查解決濕度過高的絕緣問題優(yōu)先從設(shè)備密封方面考慮。

4.2 冷卻液電導(dǎo)率過高導(dǎo)致絕緣故障

燃料電池系統(tǒng)發(fā)電過程產(chǎn)生的熱量需要冷卻液帶走，由于冷卻液直接與電堆雙極板接觸，所以冷卻液有一定的電導(dǎo)率要求。燃料電池系統(tǒng)常用的冷卻液包括去離子水或乙二醇溶液，常溫下通常要求電導(dǎo)率10μS/cm以內(nèi)，否則在電場的作用下，冷卻液中的離子定向移動，電導(dǎo)率增加，降低絕緣電阻。冷卻液電導(dǎo)率過高導(dǎo)致的絕緣故障多發(fā)生于行駛里程較大的燃料電池汽車，且冷卻液電導(dǎo)率一般在20μS/cm以上。隨著燃料電池系統(tǒng)運行，冷卻液溫度升高，絕緣阻值降低，通常燃料電池系統(tǒng)冷卻液排空后或者更換冷卻液后，絕緣電阻有明顯提升。解決冷卻液電導(dǎo)率過高導(dǎo)致的絕緣故障，需要燃料電池汽車添加符合要求的冷卻液，按要求更換去離子罐，并能夠?qū)崟r監(jiān)控冷卻液電導(dǎo)率。

4.3 設(shè)備損壞導(dǎo)致絕緣故障

燃料電池汽車行駛過程中通常伴隨著振動，長時間的振動容易造成燃料電池系統(tǒng)電氣設(shè)備損壞，進而導(dǎo)致絕緣故障。燃料電池汽車電氣設(shè)備比較多，電氣設(shè)備損壞的形式多樣，其中常見導(dǎo)致絕緣故障的損壞形式有線纜絕緣層摩擦破損，設(shè)備內(nèi)部電氣部件松動、脫落，設(shè)備內(nèi)部冷卻管路密封件損壞進水，設(shè)備絕緣墊片破損、變形等。在燃料電池汽車調(diào)試與運營過程中發(fā)現(xiàn)與冷卻水路相連的高壓設(shè)備出現(xiàn)設(shè)備損壞導(dǎo)致的絕緣故障率相對較高，包括高壓水泵、空壓機、DCDC。另外由于設(shè)備損壞導(dǎo)致的絕緣故障排查解決相對比較困難，需要在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)階段就要考慮設(shè)備損壞對絕緣電阻的影響，減少燃料電池系統(tǒng)裝車后出現(xiàn)部件損壞導(dǎo)致的絕緣故障率。

4.4 設(shè)備材料導(dǎo)致的絕緣故障

燃料電池系統(tǒng)設(shè)備材料與絕緣有著密切關(guān)系，通常選擇絕緣性能高的材料，有利于提高絕緣電阻，反之，選擇絕緣性能低的材料，降低絕緣電阻。針對不同材料的電堆歧管對電堆加熱過程的絕緣電阻影響，進行對比試驗，試驗結(jié)果顯示電堆使用PPS材質(zhì)（PPS的吸水性較小，一般在0.03%左右）的電堆歧管，電堆正負極搭鐵的絕緣電阻隨著電堆溫度的升高無明顯下降，反而有所提升，如圖6所示；電堆使用PPS材質(zhì)（PA66在高溫下具有較大的吸水性，飽和吸水性10%左右）的電堆歧管，電堆正負極搭鐵絕緣電阻隨著電堆溫度的升高而下降，如圖7所示。由于材料導(dǎo)致的絕緣故障，在燃料電池系統(tǒng)裝車后難以排查解決，且嚴重影響車輛運營，因此在燃料電池系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)階段，需要充分考慮設(shè)備材料對絕緣電阻的影響，特別是冷卻水路設(shè)備，需要選擇高絕緣性能材料。

5 結(jié)束語

本文從燃料電池系統(tǒng)的實際應(yīng)用出發(fā)，介紹燃料電池汽車的低頻注入法的絕緣監(jiān)測原理，從高壓電路絕緣與冷卻水路絕緣兩個方面說明燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻的組成，梳理逐個插拔法縮小絕緣故障范圍的絕緣故障排查思路，并總結(jié)燃料電池汽車氫電聯(lián)調(diào)與運營過程中常見絕緣故障，對從事燃料電池汽車設(shè)計研發(fā)以及運營維護工作者有一定參考作用。

參考文獻：

[1] 郭昂，王福，鄧召文. 燃料電池空氣子系統(tǒng)模糊解耦控制仿真與試驗[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車，2022（6）：27-32.

[2] 黃愛軍. 燃料電池客車高壓絕緣方案對比研究[J]. 汽車電器，2019（6）：25-26.

[3] 柯小軍. 燃料電池系統(tǒng)絕緣電阻設(shè)計及分析[J]. 機電信息，2020（20）：128-129.

[4] 左力. 某型號燃料電池電堆絕緣電阻的理論淺析與試驗研究[J]. 上海汽車，2022（8）：4-8.

[5] 項彬. 電動客車絕緣故障的解決方案[J]. 客車技術(shù)與研究，2020（4）：30-32.

（編輯 楊凱麟）