高電壓電驅(qū)動車輛安全性設(shè)計分析

陳偉

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

車輛安全一直是使用者最關(guān)心的性能，隨著近年來多種新能源車輛的逐步出現(xiàn)，車輛安全設(shè)計的指標也相應(yīng)地進行了細化。相較于傳統(tǒng)燃油車輛的安全設(shè)計，電驅(qū)動車輛因其能量源的高壓特性，對安全性防護提出了更高、更新的要求。同時，由于能量的傳輸特點，對區(qū)別于傳統(tǒng)油路的安全設(shè)計，電能傳輸?shù)陌惨?guī)要求、失效防護也得以著重考慮。文中對某成熟車型上高壓系統(tǒng)進行分析，歸納出一般設(shè)計準則，作為類似車輛的安全性設(shè)計參照規(guī)范。

1 當前常見的車載電源類型

為更清晰地說明車輛的安全性設(shè)計背景，對當前車載電源的大體情況做個簡單的分析。

1）低壓、低能量型 此類型主要是指偏于微混或弱混形式的混合動力車輛、小型場地機動車，車輛的使用功能為簡單的起動機、發(fā)電機為主，部分車輛設(shè)計上存在一定的動力輔助輸出，但受限于車載能量的多少，僅具備功能上的意義。其電壓不超過36V，滿足常規(guī)環(huán)境下的安全電壓要求，一般不做特殊的安全防護。

2）高壓、高能量型 此類電源主要是針對強混或插電式混合動力車輛和符合國家相關(guān)法規(guī)的純電動汽車，其電壓一般在36～600V之間，車輛功能全面，設(shè)計復(fù)雜，對高壓安全有著特殊的防護需求。對市面上的新能源電驅(qū)動車輛的電源電壓進行分析可以看出，此類車輛占總比例的81% （圖1），是本文討論的重點。

2 車輛高壓安全防護的基本思路

說到車輛高壓安全防護，可以從多角度入手進行分析。從高壓防護應(yīng)對的環(huán)境上看，可分為正常使用環(huán)境和極端惡劣環(huán)境。正常使用環(huán)境主要是針對日常的行車、停放等普態(tài)常見的情況；極端惡劣環(huán)境是著重關(guān)注諸如碰撞、嚴寒、酷熱等偶發(fā)少見的情形。

若從高壓防護面向的對象上看，在車上分為兩類——對人防護和對部件防護。對人防護方面主要是針對駕乘人員和第三方進行防觸電保護；對部件防護主要是針對車載物件的失效損壞防護，避免由其產(chǎn)生二次事故的情況。本文主要從高壓防護對象角度進行具體分析。

2.1 對人身觸電防護的安全設(shè)計

電擊對人體的危害程度，主要取決于通過人體電流的大小和通電時間長短，電流強度越大，致命危險越大；持續(xù)時間越長，死亡的可能性越大。

結(jié)合 “以人為本”的系統(tǒng)安全設(shè)計理念，參照相關(guān)的人體耐受能力，將通過人體的最大擺脫電流定義為5 mA（為安全起見，將交流電15～100 Hz下的閾值電流作為下限），促使車載漏電流檢測閾值也和這個值保持匹配關(guān)系，這樣即使車輛發(fā)生車載電源漏電失效，系統(tǒng)可以通過漏電流檢測，采取快速反應(yīng)，實現(xiàn)對駕乘人員的觸電防護。表1較為詳細地說明了不同路徑下的人體閾值電流。

表1 不同路徑下的人體閾值電流

2.2 對部件損壞防護的安全設(shè)計

在車輛使用過程中，還存在另外一種潛在失效模式，即車載電源引發(fā)火災(zāi)、動力失控等非直接傷害駕乘人員的情況。但是由一次失效引發(fā)的二次事故對駕乘人員存在巨大的安全隱患，并且實際情況下此種安全的失效概率相對較高，這也是整車設(shè)計過程中要著重考慮的。

2.2.1 防火安全設(shè)計

在實際工作中，車輛低壓、高壓系統(tǒng)的信號／能量傳遞完全依賴于導(dǎo)線，故對信號／電能傳遞路徑的載體及其防護部件的絕緣防火性能有著最高的要求。從失效原因上分，由摩擦、撞擊等引起的短路放電起火被認為是此類失效的高發(fā)原因，必須作為設(shè)計環(huán)節(jié)的首要關(guān)注點。

2.2.2 防動力失控安全設(shè)計

車輛在處于靜止狀態(tài)時候，除了極端的起火、觸電等失效隱患外，一般不存在與其它物體的相互影響。但是一旦車輛處于行駛狀態(tài)，任何差異于駕駛員意圖的動作，都可能引起道路行駛中的連發(fā)事故，往往會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至?xí)＜吧Ｋ约訌妼ο到y(tǒng)驅(qū)動失控的防護，也是在高壓安全設(shè)計中的重要一環(huán)。

3 車輛高壓安全設(shè)計準則

為更清楚地闡述安全設(shè)計的思路，以某樣車的具體實際為例，進行逐項分析。

3.1 尺寸原則

汽車的安全性很大程度上體現(xiàn)在對尺寸的把握上。對整車強度而言，是否留有足夠的安全裕度最終可反映在關(guān)鍵部件的尺寸上。對高電壓電驅(qū)動車輛而言，此法則依然有效。

在汽車的整體設(shè)計上，要為能量源及其傳輸途徑中的相關(guān)部件留有足夠的緩沖空間，以適應(yīng)可能的變形；對關(guān)鍵的組件，進行雙層或多層密封防護，盡可能地加大高壓部件彼此或?qū)圀w的距離。

整車結(jié)構(gòu)中，保證任何一個非外接高壓部件距離整車外廓的最小尺寸均保持在110mm以上。以動力電池包為例，在前、后方向上分別存在1.4 m和0.8m的安全緩沖吸能空間；在左右方向上，一方面降低碰撞高度落差，避開沖擊中心，同時邊界距離保證在0.3m的吸能空間。

高壓裸露導(dǎo)電器件之間，通過優(yōu)化零部件形狀和整體布局，優(yōu)選爬電距離大于30 mm，電氣最小間隙大于15mm或者采用二次絕緣防護。

對需要人員進行裝配、可觸及使用的部件，通過對防護等級的設(shè)定，均以不超過2mm作為使用狀態(tài)下的縫隙要求，同時還需要滿足IPXXB的要求和IPXXD的要求；部分關(guān)鍵的器件，可實現(xiàn)塵密、短時浸水的IP67等級要求。

對高壓線束的固定而言，若線束相對于車身靜止，則本著相鄰固定點間距不大于200mm原則；若線束終端需保持活動，則自由長度不超過300 mm為宜。

3.2 材料原則

由前文防失效的思路可以看出，對人、物的防護上，防火、防漏電是非常重要的，轉(zhuǎn)換到對使用材料的要求上，除了基本的強度要求外，主要體現(xiàn)在如下的幾個方面：材料絕緣耐壓性能、阻燃性能和耐候性能。

絕緣耐壓性能是用電安全設(shè)計中首先考慮的因素。在實際工作環(huán)境下，隨著時間的延續(xù)、環(huán)境濕度的變化，材料的絕緣耐壓性能會相應(yīng)改變，同時根據(jù)各自特點，不同產(chǎn)品所應(yīng)擁有的耐壓特性有所差異，表2規(guī)定了產(chǎn)品依據(jù)的測試標準。

相應(yīng)地，對導(dǎo)電部件搭鐵的絕緣電阻應(yīng)大于10MΩ，方可保證產(chǎn)品在多種應(yīng)力環(huán)境下的持續(xù)可靠工作。所以在最初選型時，參照人體耐受電流的相關(guān)閾值，選用綜合物性優(yōu)異的材質(zhì)，其中PBT和PA類玻纖增強型材料，較好地兼顧絕緣性能和韌性。同時隨著技術(shù)的進步，新型的材料也不斷研制出來，近期SPS類材料也越發(fā)凸顯其更優(yōu)的綜合特性。

表2 不同類別設(shè)備測試電壓標準選擇

在材料阻燃性能方面，產(chǎn)品在設(shè)計之初就將正常工作溫度范圍定位在－40～150℃，進而選用耐溫性好、性能穩(wěn)定的材料。表3匯總了主要材料的部分性能參數(shù)。

表3 部分材料的阻燃性能

耐候性能，一方面指隨著氣候的變化，會影響其他指標，如前文提及的溫度、濕度變化影響絕緣性能，這方面在材料絕緣性能和阻燃性能的選取上兼顧考慮；另一方面也指由于氣候變化產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)力對材料或產(chǎn)品的壽命損傷，此方面損傷是漸進的、量變累積的，通過對產(chǎn)品的快速壽命老化可以有效地驗證選材的正確性。

3.3 設(shè)計雙向原則

我們對產(chǎn)品的設(shè)計遵從兩個原則：正向需求原則——在規(guī)定的輸入情況下，可以按規(guī)定概率完成預(yù)定功能；反向需求原則——在不期望但又可能的非正常輸入情況下，能有正確的反應(yīng)。

在產(chǎn)品壽命周期中，按正常設(shè)定環(huán)境進行輸入的情況屬多發(fā)情況，自然是我們設(shè)計的重心，這方面的重要性我們不予詳述，著重探討反向需求在高壓安全設(shè)計中的必要性。

所謂的反向需求原則，一定程度上和濫用設(shè)計存在共通之處，是指處理極端情況下的輸入。例如，系統(tǒng)中高壓和低壓是分離的，并確保低壓控制高壓，在啟動階段，高壓系統(tǒng)喚醒需要時間；在關(guān)機的過程中，同樣也存在響應(yīng)時間。若存在人為的頻繁啟動、關(guān)閉情況，必須要對高壓系統(tǒng)遭受反復(fù)沖擊后的可能響應(yīng)進行失效分析，規(guī)避可能發(fā)生的系統(tǒng)性災(zāi)難。

反向需求原則還需要考慮系統(tǒng)內(nèi)的某個器件異常輸入輸出，并且前后狀態(tài)會影響系統(tǒng)響應(yīng)的階躍性改變。如，車輛電子油門系統(tǒng)需要實時反饋駕駛員的加速需求，若出現(xiàn)某點輸出值短暫失控或超差，驅(qū)動控制系統(tǒng)對此信號的處理會有兩種選擇，一是認可輸入的數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)的控制影響功率輸出；另一種是通過系統(tǒng)性的關(guān)聯(lián)審核 （周邊數(shù)據(jù)比對、歷史數(shù)據(jù)分析、可能失效分析等），進一步確定輸入信號是否可信，以當前狀態(tài)的平緩切換為目標，對輸入進行響應(yīng)。具體何種選擇，還需要根據(jù)系統(tǒng)策略進行比對分析，最終實現(xiàn)控制輸出狀態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的可控性。

反向需求原則還必須考慮到車輛在使用過程中少見偶發(fā)的使用環(huán)境，例如極溫、浸水、碰撞等環(huán)境，將這些環(huán)境下的潛在失效分解到每一個可能的誘因上，并最終如實地反映到部件、系統(tǒng)和整車安全防護設(shè)計中來，最終集成一體來提高安全性。

3.4 在線監(jiān)測原則

產(chǎn)品品質(zhì) “零缺陷”是每一個工程人員的目標，但是絕對的可靠是難以實現(xiàn)的，可行的方法是對產(chǎn)品的失效進行分解，找出潛在因素，一方面加強對失效潛在因素的控制，同時加強對失效的檢測、監(jiān)控，在失效最細微的時候進行識別，采取應(yīng)對措施，這樣將可能的事故消弭于初期，事故成本也可以大大降低。

在線監(jiān)測一方面可以通過對數(shù)據(jù)的實時捕捉，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險進行控制。例如車輛存在多個漏電傳感器，一旦有漏電信號被捕捉到，系統(tǒng)根據(jù)既定的安全策略實施動作。同時，由于借助于車載網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，整車控制單元將車輛行駛的狀態(tài)信息，適時按需通過無線網(wǎng)絡(luò) （2G／3G）統(tǒng)一發(fā)送到車輛運營服務(wù)中心，結(jié)合車輛的維護信息，對車輛進行實時診斷，既可以為使用者提供更加貼心的服務(wù)，同時也對車型的使用數(shù)據(jù)進行了搜集，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

電驅(qū)動車輛的安全設(shè)計是保障車輛可以正常使用、異常防護的惟一途徑。保護人員安全和保護部件安全是一個密不可分的整體，不可能完全割裂開來。

在新車型開發(fā)過程中，提高單體部件的安全設(shè)計標準，同時分析各個部件之間的聯(lián)系，全面地、動態(tài)地進行系統(tǒng)設(shè)計，將 “以人為本”的安全理念融入設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)。在實踐中可參照四大原則進行展開，即尺寸原則、材料原則、設(shè)計雙向原則和在線監(jiān)測原則，通過閉環(huán)的控制，使得整車達到足夠的安全指標。

［1］GB／T 2408—2008，塑料燃燒性能試驗方法：水平法和垂直法［S］.

［2］GB／T 13870.1—2008，電流對人和家畜的效應(yīng) 第1部分：通用部分［S］.

［3］IEC TR 60479－5—2007，電流對人和家畜的影響 第5部分：生理影響的接觸電壓閥值［S］.

［4］GB 7251.1—2005，低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第一部分：型式試驗和部分試驗成套設(shè)備［S］.

［5］GB 4208—93，外殼防護等級 （IP代碼）［S］.