純電動汽車電安全分析與設(shè)計

裴春松

（河南少林汽車股份有限公司，河南 滎陽 450100）

相對于傳統(tǒng)汽車而言，純電動汽車采用了大容量動力電池、高壓驅(qū)動電機等高壓電氣系統(tǒng)，由此而造成的高壓電傷害完全有別于傳統(tǒng)汽車。因此，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)化進程的推進，對電動汽車電安全的研究刻不容緩。

1 純電動汽車電安全分析

純電動客車電氣系統(tǒng)主要包括低壓電氣系統(tǒng)、CAN網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)。低壓電氣系統(tǒng)采用24V電源，一方面為燈光、刮水器等常規(guī)低壓電器供電，另一方面為整車控制器（VCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）以及電機控制器、DC/AC等高壓電氣設(shè)備的控制回路供電；CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用來實現(xiàn)整車控制器、BMS和電機控制器之間的通信；高壓電氣系統(tǒng)主要由動力電池、驅(qū)動電機及其控制器、輔助電機及其控制器以及充電機等大功率、高電壓電氣設(shè)備組成。純電動客車的高壓電氣系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)車的部分，也是純電動客車安全性的研究重點[1]。

1.1 純電動汽車電傷害

純電動汽車的電壓和電流等級都較高，純電動大客車的電池組電壓一般在300～600V,電流可達幾百安培。人體能承受的安全電壓的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。人體電阻主要是由體內(nèi)電阻、體表電阻、體表電容組成。人體電阻隨著條件的不同在很大范圍內(nèi)變化，但是人體電阻一般不低于1 kΩ。我國安全電壓多采用36 V，大體相當于人體允許電流30 mA、人體電阻1200Ω的情況，這就要求人體可接觸的電動汽車任意兩個帶電部位的電壓要小于36 V。根據(jù)國際電工標準[2]的要求，人體沒有任何感覺的閾值是2 mA。這就要求如果人或其他物體構(gòu)成動力蓄電池系統(tǒng)（或“高電壓”電路）與地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不能超過2 mA，即人直接接觸電氣系統(tǒng)任一點的時候，流過人體的電流應(yīng)當小于2 mA才認為車輛絕緣合格。因此，在電動汽車的開發(fā)中，要注意高壓電氣系統(tǒng)的絕緣設(shè)計，嚴格控制絕緣電阻值，使泄漏電流在安全的范圍內(nèi)。

1.2 動力電池安全性

電動汽車的關(guān)鍵部分是動力電池，對于電動汽車動力電池安全性的研究是分析電動汽車安全性的前提。近年來，鋰離子電池在純電動車上得到了廣泛的應(yīng)用。所以從鋰離子電池來分析動力電池組的安全性。鋰離子電池在正常使用過程中不會出現(xiàn)安全問題，但電池的濫用會導(dǎo)致電池的熱效應(yīng)加劇，這是鋰離子電池出現(xiàn)安全問題的導(dǎo)火索，最終表現(xiàn)為電池的“熱失控”，從而引起安全事故。導(dǎo)致熱失控有以下幾種情況。

1）過充放電。在電池充電末期，電池內(nèi)部離子的濃度增加，擴散性能下降，濃差極化增加，電池接受能力下降，電池再充電就會出現(xiàn)過充電。過充時如果電池的散熱較好，或者過充電流很小，此時電池的溫度較低，過充后只發(fā)生電解液的分解，電池仍然安全；如果此時電池的散熱較差，或者由于高倍率充電導(dǎo)致電池溫度很高而引發(fā)化學反應(yīng)，往往導(dǎo)致安全問題[3]。同樣，在電池放電末期提供大電流的能力下降，當電池剩余電量不足而又需要大電流放電時，就會使電池過放電。過放電過程如下：當電池負極的鋰離子完全脫出以后，為了維持電流，電池負極表面電極電位低的物質(zhì)繼續(xù)被氧化，同時正極材料LiPF6中的鋰離子有可能發(fā)生還原反應(yīng)[4]。在發(fā)生過放電時，由于電池負極的鋰離子減少，脫出能力下降，極化電壓增加，當電池的放電電壓達到集流體（銅）的溶解電壓的時候，集流體會發(fā)生氧化和溶解，使得電池負極的活性物質(zhì)脫落，容易造成電池內(nèi)部短路。

2）過電流。電池過電流主要有以下幾種情況：

①低溫環(huán)境下充放電。在低溫環(huán)境下，由于電池的導(dǎo)電性和擴散性下降，特別是電池負極的鋰離子嵌入和脫出能力下降，電池可接受電流的能力下降，容易導(dǎo)致電池出現(xiàn)過電流。

②電池老化、電池的性能下降（包括容量降低、內(nèi)阻增加、倍率特性下降等）后，仍按照原來電流充電。

③電池并聯(lián)成組。在充電過程中，由于電池一致性的差異，單體電池的內(nèi)阻各不相同，分配到各單體電池的充電電流不同，可能會導(dǎo)致分配到某些單體電池電流遠大于充電電流。

④電池的內(nèi)外部短路。電池短路會在瞬間產(chǎn)生很大電流，電池內(nèi)部溫度急劇升高，而使電池發(fā)生泄漏、起火等安全事故。

3）電池過溫。上述提到的過充、過放、過電流會導(dǎo)致電池過溫，以下幾種情況也會引起電池過溫：

①電池的熱管理系統(tǒng)失效。表現(xiàn)為電池箱內(nèi)電池溫度傳感器損壞、檢測控制電路失效或散熱風扇損壞。

②電池溫度采樣點有限。電動汽車上電池數(shù)量眾多，很難對每個單體電池都實現(xiàn)溫度檢測。

③溫度采樣點受限制。由于電池本身結(jié)構(gòu)的原因，BMS對電池的溫度采樣點一般都在電池正負極接線柱上，或者通過貼片采集電池外殼的溫度，不能反映實際的電池內(nèi)部溫度。

④工作環(huán)境溫度高。如果電池靠近驅(qū)動電機或空氣壓縮機等發(fā)熱部件，會導(dǎo)致電池過溫。

1.3 危險工況下的安全性

1）純電動汽車在涉水、暴雨情況下的安全性分析：

①電傷害。當電動汽車遇到涉水、暴雨等危險工況時，電池間的連線或電機、電機控制器等高壓電氣設(shè)備的接線可能由于水氣的侵襲造成短路，導(dǎo)致漏電。強大的漏電電流通過車體，使乘員遭受觸電危險，危害乘員人身安全。

②動力電池的熱失控。當電動汽車遇到涉水、暴雨等危險工況時，可能引起電池的短路，使得電池溫度升高，從而引起電池的熱失控。熱失控會導(dǎo)致電池的燃燒和爆炸。

③控制系統(tǒng)電氣故障。當電動汽車遇到涉水、暴雨等危險工況時，由于水汽的侵襲，電動汽車的控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)短路或漏電事故，導(dǎo)致整車控制器、電機控制器或BMS失靈，引起電動汽車失控或無法起動等故障。

2）純電動汽車在碰撞、翻車情況下的安全性分析。電動汽車在碰撞、翻車等情況下，高壓線束可能會出現(xiàn)脫落、短路、損壞等情況，通過車體帶電，乘員遭受觸電危險，危害乘員人身安全；動力電池組可能會發(fā)生擠壓、短路、穿刺等故障，造成電池內(nèi)部或外部短路，從而引起電池的熱失控，造成起火、泄露、爆炸等事故，危害乘員人身安全。

2 純電動汽車的安全設(shè)計

2.1 在線絕緣檢測設(shè)計

電動汽車的運行情況非常復(fù)雜，在運行過程中難免會出現(xiàn)部件間的相互碰撞、摩擦、擠壓，導(dǎo)致高壓電路與車輛底盤之間的絕緣性能下降。電源正負極引線將通過絕緣層和底盤構(gòu)成漏電流回路。當高壓電路和底盤之間發(fā)生多點絕緣性能下降時，還會導(dǎo)致漏電回路的熱積累效應(yīng)，可能造成車輛的電氣火災(zāi)[5-6]。因此，高壓電氣系統(tǒng)相對車輛底盤的電氣絕緣性能實時檢測是電氣安全技術(shù)的核心內(nèi)容。

國內(nèi)對電動汽車絕緣電阻的檢測已有了一些研究[7-11]。圖1是一種采用低頻信號注入法的絕緣監(jiān)控儀，絕緣監(jiān)控儀內(nèi)部產(chǎn)生一個正負對稱的方波信號，并通過L+、L-和KE、E端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤之間的絕緣電阻RF構(gòu)成測量回路，測量回路中的電流在取樣電阻Rm上會產(chǎn)生一個取樣電壓，這個電壓信號被內(nèi)置的微處理器采集。通過運算，可以得出絕緣電阻的大小。微處理器將計算得出的絕緣電阻值轉(zhuǎn)換成PWM信號的占空比，并通過PWM+/PWM-端口對外輸出，整車控制單元采集PWM信號后，將其占空比折算成絕緣電阻值，一方面可以送給儀表進行顯示；另一方面也可以在整車控制程序中設(shè)置相應(yīng)的閾值工作點，用于判定是否需要進行維護保養(yǎng)以及是否需要切斷高壓回路和禁止電機啟動。

2.2 運行安全性設(shè)計

1）故障報警。電動汽車在運行過程中，如果出現(xiàn)異常情況，需要儀表或指示器以聲或光報警的形式提醒駕駛員，讓駕駛員注意車輛的異常情況，以便及時處理，避免發(fā)生安全事故。主要包括驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速高于限值、驅(qū)動電機溫度高于限值、電機控制器溫度高于限值、絕緣值低、SOC低于限值、單體電池電壓低于限值、電池溫度高于限值、輔助系統(tǒng)通訊異常等信息。限值是指整車廠（或零部件廠）規(guī)定的值（如控制器廠家規(guī)定：控制器溫度≥65℃時報警，≥75℃時降功率，≥85℃時停機）。

2）降功率運行。電動汽車在運行過程中，如出現(xiàn)系統(tǒng)過電流、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速高于限值、驅(qū)動電機溫度高于限值、電機控制器溫度高于限值、SOC值過低、系統(tǒng)電壓低于限值、單體電池電壓低于限值、電池溫度高于限值等情況時，控制系統(tǒng)應(yīng)降功率運行電機，以確保整車的安全。

3）停車。電動汽車在運行過程中，如出現(xiàn)系統(tǒng)電壓低于限值、單體電池電壓低于限值、電池溫度高于限值、驅(qū)動電池溫度高于限值、檔位開關(guān)失效、踏板故障、電機控制器嚴重故障（控制器溫度高于限值、控制器模塊故障等）、嚴重絕緣故障、輔助系統(tǒng)（助力油泵、空氣壓縮機）嚴重故障、電機嚴重故障（電機溫度高于限值、電機傳感器失效）等嚴重故障時，控制系統(tǒng)應(yīng)立即停止車輛，確保財產(chǎn)和人身安全。

2.3 危險工況的安全性設(shè)計

由于動力電池的能量密度遠遠低于燃油的能量密度，使得電動汽車的質(zhì)量有較大增加，碰撞中需要車輛耗散的動能明顯增加，產(chǎn)生的事故后果也更為嚴重。同時由于電動汽車集成了大量的高壓電氣設(shè)備和線束，所以純電動汽車在發(fā)生危險工況下的電安全設(shè)計非常重要。

1）高壓線束走向要求布置在車輛骨架內(nèi)側(cè)，以提高對高壓線束和人員的保護作用。

2）電動汽車設(shè)計時，充分考慮電池箱的設(shè)計和固定，并進行相關(guān)的計算機模擬分析（受力分析、碰撞分析），確保碰撞時，動力電池箱不能竄入乘客艙內(nèi)。

3）電池箱與車體應(yīng)實現(xiàn)二次絕緣，箱內(nèi)要設(shè)置煙霧溫度報警系統(tǒng)，以便能及時對事故作出正確處理，確保人身和財產(chǎn)安全。

4）車輛安裝碰撞傳感器和絕緣電阻檢測裝置。當車輛發(fā)生碰撞或絕緣電阻過低時，主動切斷高壓回路，實現(xiàn)電池組與外部電路的電隔離。

5）主回路和電池箱內(nèi)安裝快速熔斷器。當發(fā)生過電流事故時，主回路熔斷器能迅速切斷動力電池和電氣設(shè)備的連接，并能最大限度地保護電池箱內(nèi)部的短路。

6）在主回路和電池箱上安裝手動斷電裝置。當發(fā)生事故時，可以手動切斷各電池箱之間的電連接，將車輛整體電壓降至安全電壓范圍內(nèi)。

2.4 運行實時監(jiān)控系統(tǒng)

純電動汽車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)能采集車輛運行的各種信息，包括電池信息、驅(qū)動系統(tǒng)信息和車輛信息，跟蹤記錄每輛車的運行情況，以遠程診斷的方式及時發(fā)現(xiàn)車輛故障，縮短故障響應(yīng)時間，減少維修時間，并通過對車輛運行參數(shù)的評估，對故障進行預(yù)測，預(yù)防和杜絕重大事故的發(fā)生，確保電動汽車的安全性。

純電動汽車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)具有以下功能：實時監(jiān)控電池/電機安全運行狀態(tài)、采集車輛運行數(shù)據(jù)、車輛遠程監(jiān)控、GPS定位、數(shù)據(jù)存儲管理、統(tǒng)計分析等功能。

3 結(jié)束語

電動汽車的安全性研究是電動汽車研發(fā)與應(yīng)用的重要組成部分。通過對電動汽車安全性的研究，為改進我國電動汽車的安全性設(shè)計和減少事故中的人員傷亡作出貢獻。

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