電動(dòng)汽車的高壓安全測(cè)試

電動(dòng)汽車的高壓安全測(cè)試

隨著能源以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，世界上各個(gè)汽車生產(chǎn)大國(guó)都將把越來(lái)越多的電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)。電動(dòng)汽車的一個(gè)重要特點(diǎn)就是帶有高壓動(dòng)力回路，其工作回路中的電壓甚至可以達(dá)到600V以上。因此在考慮電動(dòng)汽車給我們帶來(lái)環(huán)保效益的同時(shí)，高壓安全問(wèn)題同樣不容忽視。因此，如何保護(hù)相關(guān)人員的安全已成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。

一、電動(dòng)汽車高壓的危害

人體電阻主要是皮膚電阻，人體表皮角質(zhì)層的電阻很大，在干燥情況下可達(dá)到6～10kΩ，甚至更高，潮濕情況下可降到1kΩ。在理論研究中，我們可以把人體本身看作是一個(gè)大電阻(1kΩ)，當(dāng)對(duì)人體施加一個(gè)電壓時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流的強(qiáng)度和作用時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)人體造成不同的傷害。從圖1中可以看出，當(dāng)電流強(qiáng)度大于50mA，作用時(shí)間超過(guò)10ms時(shí)，會(huì)造成人體心室顫動(dòng)、呼吸困難，危及觸電人員安全。若以800～1200Ω作為人體電阻值，根據(jù)歐姆定律：U=IR，40～60V的電壓就可能造成這類危害。

如之前提到的，電動(dòng)汽車的電壓可高達(dá)600V以上，因此，在電動(dòng)汽車推廣的同時(shí)，如何保證駕駛?cè)藛T、乘車人員以及汽車保養(yǎng)與維修人員的安全，是值得我們關(guān)注的話題。在電動(dòng)汽車安全要求標(biāo)準(zhǔn)GB/T18384.3-2001中，也對(duì)電動(dòng)汽車的電壓作了規(guī)范定義，標(biāo)準(zhǔn)里將電動(dòng)汽車的工作電壓分為A、B兩級(jí)，如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車的工作電壓等級(jí)劃分

對(duì)于A級(jí)電壓，不需要進(jìn)行觸電防護(hù)，對(duì)于任何B級(jí)電壓電路的中的帶電部件，都應(yīng)為接觸人員提供防護(hù)。

二、電動(dòng)汽車安全要求標(biāo)準(zhǔn)解讀

GB/T18384是電動(dòng)汽車安全要求標(biāo)準(zhǔn)，其分為三部分：車載儲(chǔ)能部分、功能安全和故障防護(hù)、人員觸電防護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)電動(dòng)汽車的電氣安全提出了一系列的要求，以保證電動(dòng)汽車在正常使用情況下的一些可能失效不會(huì)對(duì)使用者和周圍環(huán)境造成危害。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)一般由高壓電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC-DC、DC-AC等高壓部件組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了保證高壓動(dòng)力系統(tǒng)的安全性，我們需從多個(gè)方面去進(jìn)行驗(yàn)證。

1.動(dòng)力電池的絕緣電阻

對(duì)電壓60＜U≤1000的動(dòng)力蓄電池，要求根據(jù)GB/T18384中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行絕緣電阻的計(jì)算，得到的絕緣電阻值除以電池的標(biāo)稱電壓所得到的值不應(yīng)小于100Ω/V。與之相比，美國(guó)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J1766與歐盟的ECE R100都要求絕緣電阻不小于500Ω/V。

動(dòng)力電池的絕緣測(cè)試過(guò)程，如圖3所示。通過(guò)圖中方式測(cè)量動(dòng)力電池正極與負(fù)極對(duì)底盤(pán)(分不帶負(fù)載和帶負(fù)載R0)的電壓，其中，R0為一個(gè)已知的100～500Ω/V的標(biāo)準(zhǔn)電阻。由此，我們可以計(jì)算動(dòng)力電池絕緣電阻Ri，Ri=(V1-V2)/V2·R0(V1>V'1)或Ri=(V'1-V'2)/V'2·R0(V'1>V1)。但從上面我們也可以看出，如果使用一般的電壓表來(lái)測(cè)量動(dòng)力電池的電壓，要經(jīng)歷較為繁瑣的過(guò)程，同時(shí)，結(jié)果需人為計(jì)算。

2.動(dòng)力系統(tǒng)的絕緣電阻

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)量，GB/T18384.3-2001要求須使用一個(gè)至少是動(dòng)力系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1.5倍或者500V電壓(兩者取其高者)的設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)絕緣電阻的要求如表2所述。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)絕緣電阻的要求

3.絕緣電阻監(jiān)控

對(duì)于電動(dòng)汽車，因考慮到其高壓電的危害性，在車上需要提供絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18384.3-2001中要求，在監(jiān)測(cè)到絕緣電阻小于100Ω/V時(shí)，電路自動(dòng)斷開(kāi)。

4.等電勢(shì)

輕松籌運(yùn)營(yíng)形式單一，僅在朋友圈以捐贈(zèng)零錢(qián)的方式傳播，在當(dāng)今自媒體高速發(fā)展，捐贈(zèng)形式多樣化的背景下無(wú)法迎合年輕人的捐贈(zèng)喜好。筆者做了人們對(duì)常在朋友圈中出現(xiàn)的眾籌項(xiàng)目的反感度調(diào)研，發(fā)現(xiàn)年輕人中會(huì)產(chǎn)生反感的比率已經(jīng)超過(guò)20%。此外，捐款后的信息交流不暢，缺乏反饋機(jī)制，也使得人們對(duì)平臺(tái)的可靠性存疑，捐款熱情下降。

為了防止因存在電勢(shì)差造成的觸電危險(xiǎn)，在高壓組件的外殼或者可導(dǎo)電的外蓋等部件之間應(yīng)該采用導(dǎo)線與車身支架相連的方式，以達(dá)到等電勢(shì)的效果，見(jiàn)圖4。在歐盟，ECE R100中針對(duì)等電勢(shì)也做出了規(guī)定，要求高壓組件外殼至車身任一點(diǎn)之間的電阻不大于0.1Ω。

三、高壓電安全測(cè)量實(shí)例

若要進(jìn)行實(shí)際的電動(dòng)汽車高壓測(cè)量，還需選用一款合適的測(cè)量工具，通過(guò)它去完成一項(xiàng)或者多項(xiàng)的測(cè)試項(xiàng)目。本文以一款專為測(cè)量電動(dòng)汽車高壓而設(shè)計(jì)的專業(yè)工具AVL HV Safety 2000為例(圖5)來(lái)完成上述測(cè)量項(xiàng)目。

1.動(dòng)力電池絕緣電阻測(cè)試

如圖6所示，實(shí)際上動(dòng)力電池兩端到車身底盤(pán)的絕緣電阻是不相等的，為了保證安全性，我們一般取較小的動(dòng)力電池絕緣電阻，其測(cè)量方法可參見(jiàn)圖3。

測(cè)量過(guò)程：在動(dòng)力電池絕緣電阻測(cè)試前，電動(dòng)汽車斷開(kāi)高壓電，并斷開(kāi)動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電路的連接。如果手動(dòng)地去完成圖3所示的整個(gè)測(cè)試過(guò)程，顯然較為耗時(shí)，且需要反復(fù)地記錄數(shù)據(jù)以及計(jì)算。AVL HV Safety 2000 內(nèi)置有SAE J1766動(dòng)力電池絕緣電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)流程(同GB/T18384)。選擇SAE J1766模式，完成自檢后，根據(jù)儀器提示測(cè)量動(dòng)力電池電壓、動(dòng)力電池正極對(duì)電氣地、動(dòng)力電池負(fù)極對(duì)電氣地。如圖7所示，最終結(jié)果儀器將自動(dòng)計(jì)算并顯示于屏幕。

2.動(dòng)力系統(tǒng)回路絕緣電阻測(cè)試

動(dòng)力回路的絕緣電阻需要采用系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的1.5倍或500V(兩者取大者)來(lái)完成測(cè)量，一般情況下選用絕緣電阻測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行測(cè)量。其實(shí)原理是在實(shí)測(cè)物體上加上一定的高壓，然后測(cè)試流過(guò)它的漏電流，再換算成絕緣電阻值，由測(cè)量工具顯示出結(jié)果。絕緣電阻測(cè)試儀一般由直流高壓發(fā)生器(測(cè)試電壓)和漏電流測(cè)試器(精密電流表)組成，如圖8所示。

3.等電勢(shì)

如圖11所示，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞等意外時(shí)，可能導(dǎo)致高壓回路上的組件漏電，在這種情況下，兩個(gè)不同的組件表面可能存在不相等的電位。如果沒(méi)有進(jìn)行等電位聯(lián)接(汽車的等電勢(shì)線如圖12所示)，當(dāng)人同時(shí)觸碰到兩個(gè)組件時(shí)，會(huì)因?yàn)殡妱?shì)差UAB的存在，形成電流I，對(duì)人體造成傷害。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，等電勢(shì)電阻不得大于0.1Ω。

測(cè)量過(guò)程：選用AVL HV Safety 2000，選擇等電勢(shì)測(cè)量模式，自檢完成后，在車身上選擇合適測(cè)量點(diǎn)(如組件外殼等電勢(shì)連接點(diǎn)與車身之間)，根據(jù)提示進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖13所示。

在等電勢(shì)電阻測(cè)量中，由于所測(cè)量的電阻阻值較小(不得大于0.1Ω)，為了得到較為精確的值，AVL HV Safety 2000采用開(kāi)爾文四線測(cè)量技術(shù)。如圖14所示，在實(shí)測(cè)電阻的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)引出兩條測(cè)試線，二者嚴(yán)格分開(kāi)，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；在電壓回路上，要求要有極高輸入阻抗的測(cè)試回路上，使流過(guò)的電流極小，近似為零。r表示引線電阻和探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻之和。由于流過(guò)測(cè)試回路的電流為零，在r3，r4上的壓降也為零，而激勵(lì)電流I在r1，r2上的壓降不影響I在被測(cè)電阻上的壓降，所以電壓表可以準(zhǔn)確測(cè)出Rt兩端的電壓值，從而準(zhǔn)確測(cè)量出Rt的阻值。測(cè)試結(jié)果與r無(wú)關(guān)，有效地減小了測(cè)量誤差。

4.絕緣電阻監(jiān)控

電動(dòng)汽車直流高壓系統(tǒng)的電纜絕緣介質(zhì)老化或受潮濕環(huán)境等因素影響，都會(huì)導(dǎo)致高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤(pán)之間的絕緣性能下降，電源正極或負(fù)極引線將在絕緣層和底盤(pán)之間構(gòu)成漏電回路，使車輛底盤(pán)電位上升，危及駕乘人員的人身安全。

絕緣監(jiān)測(cè)器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻，當(dāng)高壓系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)的絕緣電阻低于設(shè)定的報(bào)警判定值時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并切斷汽車高壓電源。絕緣監(jiān)測(cè)器的安裝位置如圖15所示，目前，電動(dòng)汽車上的絕緣監(jiān)測(cè)器報(bào)警判定值一般為500Ω/V(ISO 6469)。

為了檢查絕緣監(jiān)測(cè)器的狀況，可以模擬絕緣電阻的臨界狀態(tài)，來(lái)觀察絕緣監(jiān)測(cè)器是否出現(xiàn)報(bào)警提示。AVL HV Safety 2000功能項(xiàng)中有一項(xiàng)是用于做絕緣監(jiān)測(cè)器檢測(cè)的。在通電的情況下，將AVL HV Safety 2000兩探針?lè)謩e與高壓正極(或負(fù)極)及底盤(pán)相連，激活測(cè)試，通過(guò)儀器內(nèi)部的可變負(fù)載電阻阻值不斷下降，模擬出臨界報(bào)警值，如在圖16所看到的，當(dāng)儀器內(nèi)部負(fù)載電阻為200kΩ，車載絕緣監(jiān)測(cè)器報(bào)警(圖17)，此時(shí)，高壓系統(tǒng)供電切斷，AVL HV Safety 2000得到的電壓值小于1V。

四、結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)，汽車排氣污染已成為城市大氣污染的重要因素，發(fā)展新能源汽車，用電代油已成為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略措施。保障電動(dòng)汽車的安全需要嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)，我們也期待國(guó)家在電動(dòng)汽車安全方面的要求越來(lái)越完善。

(供稿：廈門(mén)海騰發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備有限公司)