摘要 - 目前电动汽车使用依赖400V电源的驱动牵引电机，但电机尺寸、工作温度、功率、效率、电池和充电时间等因素促使电压向更高水平发展，电机和电力电子设计者及生产者正朝着800V目标迈进。然而，该电压可能会给电气绝缘系统带来电应力，因为低压电机使用的绝缘层太薄，绝缘系统可能会承受与高压电机相同的电场强度。本文将描述与脉宽调制驱动器相关的绝缘系统潜在应力，并提出检测绝缘问题的解决方案以及提高绝缘系统功能的方法。
1.简介
电动汽车的发展背景与电压提升的必要性：二氧化碳排放致全球变暖威胁人类，燃油车是主要排放源，电动汽车为减排而生。但电动汽车充电时间远长于燃油车加油时间，为提高消费者信心需缩短充电时间，这就需要提高电压。 电压提升对充电时间的影响：目前电动汽车电压在150 - 450V，400V充电系统为400km行程充电需约80分钟，提高充电插头导电针容量可减少充电时间，但仍长于燃油车加油时间。800V电压为400km行程充电可使400V电动汽车的最短充电时间从29分钟降至不到15分钟，虽有成本、时间和精力的增加，但总体对电动汽车有好处，主要体现在充电时间和车辆结构两方面。 文章重点内容：本文将描述800V电压对电动汽车充电系统、充电时间及其他部分的影响，重点关注新一代碳化硅和GaN-based开关设备（其转换速率为50 - 100kV/µs，高于当前开关器件的20kV/µs）对电动汽车驱动电机绝缘系统的影响。2.充电系统
电压对电池充电时间和尺寸的影响原理：根据电能传输公式如下![]()
充电时间公式如下
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电压从400V提升到800V时，传输功率会翻倍，在电流不变的情况下，充电时间会减少，所需的电动汽车电池尺寸也会减小（通常在200 - 400升之间）。 电池结构及相关影响：电池一般由包含10 - 15个电池单元的模块组成，电池单元和模块连接的热损失是电池热负荷和发热的重要因素。当电流减半时，如果母线横截面不变，铜损将约为原来的四分之一。如果精心选择布线、模块连接器和母线设计，有可能大幅减轻重量。电压提升的综合影响：综上所述，提高电压可以减少充电时间和电池尺寸，进而降低车辆重量，提高效率。3.车辆结构
电压匹配及组件设计考虑：为减少损耗，电池电压和推进系统电压应相同，因此电压调整需考虑充电系统以外的部件。向800V系统过渡时，重新设计组件会使其尺寸和重量发生变化，例如功率转换器等部件可能增加多达10%，高压部件如保险丝会变大，但高压电池体积和铜截面的减小可补偿这些增加量。 800V电压的综合优势：采用800V电压不仅可加快电池充电速度，还因电流减小而提高电动汽车效率。电压翻倍使电流和铜截面减半，损耗及热量约为400V时的四分之一。铜截面减小影响高压线弯曲半径，因连接的几何灵活性增加而使车辆体积减小。800V技术适用于对功率 - 重量比敏感以及注重成本优化的车辆。4.电气绝缘和压力
影响绝缘系统的因素及相关问题：影响绝缘系统的因素分为热、电、机械和环境（TEAM）四类，驱动电机受这些因素影响，其中脉冲是应力源，定子绝缘故障占定子问题的60% - 70%，最常见的是匝间绝缘故障，由定子绕组电压分布不均导致。新一代功率电子开关器件提高了转换速率，虽降低了低次谐波，但增加了高次谐波，影响驱动电机的机械和电气寿命。800V电压使电动汽车绝缘系统的电场强度接近高压电机，易产生局部放电（PD），导致绝缘过早失效，因此需评估电动汽车电气绝缘所受应力。 连接电缆和脉冲上升时间：逆变器输出电压的脉冲特性使电机端子处电压由正向波和反射波叠加而成，可能产生过电压和高频振荡。电缆长度增加会使过电压幅度增大、振荡频率降低，减小脉冲上升时间会使过电压幅度和振荡频率急剧增加。汽车行业采用集成驱动电机消除了连接电缆问题。 ![]()
图1.驱动供电电机系统示意图。
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图2.脉冲上升时间对过电压的影响。
PWM拓扑结构：功率转换器有多种拓扑结构，多电平调制可使输出电压更接近正弦波。二电平转换器产生的过电压和对绝缘系统的应力最大，随着电平数增加，过电压和应力逐渐降低，PD幅度减小，PD相位出现受限，虽会增加成本，但可降低电气应力，延缓绝缘老化。 ![]()
图3.串联h桥多级逆变器的一相拓扑结构。
定子绕组的不均匀电压分布：电气驱动控制感应电机时，常出现匝间绝缘故障。电缆特性和脉冲上升时间会影响电压分布，导致定子绕组局部绝缘承受过高应力，引发PD活动和绝缘过早失效。![]()
图4.绕组网络随上升时间变化的变化。
脉冲参数对绝缘功能的影响：电压升高会增加PD出现的概率并缩短绝缘系统寿命，双极性脉冲影响更大。占空比增加会降低绝缘寿命，脉冲上升时间增加会降低PD幅度和能量，脉冲重复率降低会减少PD信号数量。800V电压和更快的上升时间会增加PD散射，提高PD的幅度和能量。![]()
图5.绝缘寿命和PD概率与电压振幅。
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图6.占空比和故障时间的相互依赖关系。
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图7.脉冲上升时间、PD振幅和PD数量。
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图8.脉冲重复率、PD振幅和PD散射。
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图9.电压波形对PD的影响。
5.电气绝缘的适用性评估
绝缘材料适用性评估方法：建议在一系列条件下进行诊断测试和老化过程，以评估绝缘材料对800V系统的适用性。在每个老化过程前后都应使用诊断测试评估绝缘功能，诊断测试包括绝缘电阻测试（IR）、极化指数（PI）、电容测量、耐压测试以及交流和脉冲条件下的局部放电（PD）测试等。老化过程可包括热、电或热电老化以及湿度、机械冲击等条件，冷却液中的热老化也可提供有意义的结果。 ![]()
图10.适用性评估周期。
绝缘材料和系统的分类：根据测试结果，对绝缘材料和系统进行了分类，包括400V和800V的无PD绝缘系统、800V及更高电压的抗PD绝缘系统以及高导热性绝缘系统。![]()
图11.分类的绝缘系统。
6.总结
电压提升的影响总结：电动汽车电压从400V提升到800V，可使电池充电时间从40分钟减少到15分钟，还能提高汽车效率、降低重量和价格。此外，新一代功率电子开关器件通过提高转换速率（50 - 100kV/µs）可减少开关损耗。 潜在问题及解决方法：然而，电压水平和转换速率的提高可能会影响局部放电起始电压（PDIV），进而影响绝缘系统的寿命。为评估在这种不利条件下绝缘系统设计的适用性，建议进行一系列测试，与多家知名汽车公司的合作经验证明了这种质量评估的有效性。
