新能源電驅系統高壓絕緣零件設計

因出色的導電性，銅排是新能源電驅系統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，在電驅系統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聚合而成的高分子化合物，主要成分是樹脂 。

高壓絕緣關注什么？

從應用工程師的角度出發，即使我們沒有系統的學習過高壓絕緣知識，只要根據標準保證電氣間隙、爬電距離這兩個指標達到要求，就基本可以保證設計的高壓系統絕緣不會出大問題了。

那么為什么電氣間隙和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，兩極之間會產生頗為壯觀的電弧，當距離拉開后，電弧消失。電弧的產生是因為強電場使空氣分子被電離，也就是發生了所謂的絕緣失效—空氣介質擊穿。這個現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GBT 4939（信息技術設備安全）中對于爬電距離的基本要求：

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

這里出現了一個陌生的名詞— 閃絡 ，行業內對閃絡解釋是指固體絕緣子周圍的氣體或液體電介質被擊穿時， 沿固體絕緣子表面放電的現象 。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別于空氣擊穿的高壓絕緣失效。

實驗表明： 沿固體介質表面的閃絡電壓不但要比同體介質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 。應該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性，還應考慮表面潮濕、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IEC 60950，實線是電氣間隙，虛線是爬電距離）。

爬電距離大于電氣間隙

爬電距離等于電氣間隙

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：擊穿和 閃絡 ，這是分析塑料材料的電氣絕緣特性的一個基礎。那么塑料材料電氣性能相關的參數有哪些呢？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，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定時間，并測量所產生的電流。

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！

我們說分子有極性是說這個分子內電荷分布不均勻，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（ 記住這個結論，后面還會用到 ），NH3就是典型的極性分子。

** 2 介電強度 **Dielectric strength

介電強度，是材料抗高電壓而不產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。

** 3 相對漏電起痕指數 ** Comparative Tracking Index ( CTI )

相對漏電起痕指數是指材料表面能經受住50滴電解液（0.1%氯化銨水溶液）而沒有形成漏電痕跡的最高電壓值。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扯上關系。忘記的話沒關系，我們再溫習下前文內容。

實驗表明：沿固體介質表面的閃絡電壓不但要比同體介質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。應該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性，還應考慮表面潮濕、污染時的特性，顯然，在后一種情況下的沿面閃絡電壓必然降得更低。

復習完了，我們回來繼續討論。為什么叫起痕指數，什么是起痕呢？這是因為聚合物絕緣材料有著特殊的電氣破壞現象，即聚合物絕緣材料表面在特定的條件下會發生電痕劣化現象，并導致電痕破壞。失效的模型如下圖所示，這是一種特殊的閃絡。

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，表面將有漏電流產生
2. 在電流的焦耳熱作用下，水分被蒸發，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致放電
4. 放電產生的熱量使材料表面局部碳化
5. 由于碳化生成物的導電率高，此處的電場密度集中于該碳化部分，引起放電的重復發生，在其周圍產生更多的碳化物，形成碳化導電路，并向電極方向伸展，最終導致短路

除了上述幾個參數以外，塑料電性能相關參數還有耐電弧能力（干燒）、耐電暈能力、耐局部放電能力（絕緣材料含有雜質、氣孔等，導致局部放電）等。

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。在討論性能參數之前，我們先來看下高分子材料常見的應力—應變曲線

1 拉伸強****度（tensile strength）

抗拉強度表征材料最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，最大的拉伸應力就是拉伸強度，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，斷裂延伸率越小，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鍵參數：體積電阻率、介電強度、拉伸強度等。材料供應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、化學介質等環境因素的綜合作用， 高分子材料的化學組成和結構會發生一系列變化， 物理性能也會相應變壞, 如發硬、發粘、變脆、變色、失去強度等， 這些變化和現象稱為老化）。

所以在材料選型過程，除了看常溫下的物性表，更需要關注材料關鍵參數在不同溫度不同環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—玻璃化轉變溫度（Tg）

玻璃化轉變溫度是指由玻璃態轉變為高彈態所對應的溫度。玻璃化轉變是非晶態高分子材料固有的性質，是高分子運動形式轉變的宏觀體現。**通俗理解，玻璃化轉變溫度以下，塑料被“凍結”，幾乎無老化；玻璃化轉變溫度以上，塑料材料開始老化，溫度越高，老化越嚴重。**當然，溫度的提升并不全部是壞處，有時會提高材料的某些參數，比如我們關注的拉伸強度。

除了玻璃轉化溫度，還有一個參數直接影響材料的老化性能。我們放在后面進行討論。

作為電驅動系統中的高壓絕緣零件，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部。而影響滲透的因素主要有材料結構、玻璃轉化溫度、結晶性能，所以在評估塑料材料是否耐不耐油，可以從以下兩點出發。

• 在相同溫度下，玻璃轉化溫度越低，越容易滲透
• 油液滲透發生在非結晶區域，因此結晶度較高的材料不容易發生滲透

但是獲得材料的老化數據成本是相對較高的，因此材料供應商并不會每個牌號都會進行老化數據測試。所以在沒有這些老化數據之前，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，以一定速度持續加溫，直到式樣顯示指示變形量時的溫度。

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。塑料材料最常見的添加劑，也是我們最熟悉的莫過于玻纖（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，比如熱穩定劑/抗氧化劑/發泡劑/阻燃劑。

關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。

2. 阻燃

電驅系統需要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?？扇夹訳L94等級是應用最廣泛的塑料材料可燃性能標準，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HB和V0。

HB是UL94標準中最低的阻燃等級。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，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 標記時，啟動另一計時器。若在 30±1 秒內就燒至 25 mm 的標記時，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，并記錄第一次的自燃時間。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。

從測試規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會出現阻燃性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，最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。在現階段的技術水平下， 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，對金屬具有腐蝕作用。

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

回到我們要討論的問題：新能源電驅系統需要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，可燃物才能發生燃燒。對于電驅系統而言，密封等級一般IP67，內部零件以金屬為主，從這個角度出發出發，電驅系統因材料阻燃性失效導致的的嚴重度、頻度、探測度都是比較低的。當然對于設計而言，是精益求精的過程，沒有最好的選擇，只有更好的選擇。

權衡價格、性能、制造、等多方面方面因素，在目前的階段，我認為電驅系統技從工程角度來說是不需要把V0阻燃作為硬性要求，當然有V0能力那當然是最好的。

高壓絕緣塑料特性—材料選型

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

在電驅系統中常見有5種：PA6、PA66、PPA、PPS、PBT。

在分析這些材料的特性前，我們先看下各自的分子式。當然，在沒有專業的知識或做相關的功課，必然是一頭霧水。那么在一頭霧水的情況下，如果需要選擇一個你認為耐老化性能最好的材料，你會選擇什么哪一個？（還記得前面遺留的問題嗎：除了玻璃轉化溫度，還有一個參數直接影響材料的老化性能。我們放在后面進行討論。）

大家可以試著選擇，我們不賣關子，答案是第三個PPS。

PPS是聚醚類塑料，分子式給人的第一感覺就是剛的一塌糊涂，穩定的像個“龜殼”，這個“龜殼”就是苯，苯具有不同于飽和化合物的性質，不易加成、不易氧化、碳環異常穩定，這些性質總稱為 芳香性(非極性或弱極性) 。

PBT也有一個“龜殼”，那應該也很穩定咯？是的，PBT學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，穩重；那么尼龍就屬于“開朗”的性格，兼容全面。

也許有讀者發現了，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 ，是一種半結晶性的 半芳香尼龍 。最常見的共混方式莫過于PA6T/66，既是芳香又是尼龍，所以PPA的綜合性能非常優異，當然價格也不菲，畢竟是特種尼龍。

結合前面的分析，不知大家是否可以判斷出上述5種材料耐油性和老化性的優越呢？

說了這么多，那么電驅系統絕緣結構零件該選什么材料呢？

這個是我當時在做絕緣零件一直在思考的問題，關于這個問題的答案，我們以電驅系統高壓絕緣零件最常見的物理失效模式—開裂來說明。

對于開裂的直觀理解就是 材料太脆 （斷裂延伸率?。?，在溫度交變和大應力作用下容易發生。因此材料的脆性是在絕緣結構設計選型過程中需要重點關注的參數。

前面談到，尼龍的韌性天生優異芳香性材料，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。

當材料無法更改，那么合理的結構設計是可以規避材料本身的不足。

當結構無法調整，那么合理的材料選型時可以規避設計的不足。

選型和設計是一個相互的工作。但有一點需要注意的是 ，沒有絕對不能用的材料，只有不優秀的工程師。

站在這個角度，成為一個優秀的工程師是十分困難的。需要有豐富的行業經驗，既需要了解設計也需要了解材料，這在短時間內估計是無法達到的，但這也應該是我們追求的目標。

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。

高壓絕緣設計標準

接下來，我們來談下高壓絕緣設計標準。也就是前面談到的那些參數限值多少問題。

關于電氣間隙與爬電間隙，公眾號“臭皮匠試驗室”中的： 新能源電驅動系統標準解讀與拓展：電器間隙與爬電距離， 對現有的國家/行業標準進行了系統的收集，大家可以參考。但需要注意的是，這些標準里的限值并不是硬性的指標，而是參考。

有些參數我們很容易根據系統工況進行限定，比如根據CAE分析對材料拉伸強度進行要求，根據系統最高溫度對材料HDT進行要求 。但體積電阻率、介電強度、斷裂延伸率等參數呢？

回到前面的材料脆性討論，材料脆會導致開裂，但脆只是一個特性。多脆會導致失效呢？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，那么我們該如何去進行判斷？

總結

電驅系統的高壓化、輕量化的發展給塑料材料的應用提供機遇。作為電驅系統從業者，我們也明顯的感受到，塑料離我們越來越近。但客觀來講，這個市場目前還是混亂的，并沒有像傳統領域的塑料發展的那么成熟。