48V系統(tǒng)對于電動汽車安全要求國家標準適用性分析

張英男，陸春，劉桂彬

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

48V系統(tǒng)對于電動汽車安全要求國家標準適用性分析

張英男，陸春，劉桂彬

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

汽車48V系統(tǒng)被公認為是現(xiàn)階段最有效的通過低成本而達到節(jié)能減排目標的技術(shù)手段，其直流電路的最大工作電壓不到60Vd.c.，但交流電路的最大工作電壓超過了30Va.c.，達到了我國電動汽車安全要求國家標準中B級電壓電路的規(guī)定。通過對汽車人員觸電防護單點失效情況以及48V系統(tǒng)電路的分析，研究了汽車48V系統(tǒng)在單點失效和產(chǎn)生第二失效點的情況下的人員觸電危害，提出了汽車48V系統(tǒng)人員觸電防護方法的建議。

汽車48V系統(tǒng)；電氣安全；國家標準

CLC NO.:U467.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)05-108-03

1、汽車48V系統(tǒng)的特點

汽車48V系統(tǒng)是在12V系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的結(jié)構(gòu)拓展，保留傳統(tǒng)12V電路，額外增加獨立的48V電路，12V電路處理例如照明、點火、音響系統(tǒng)等傳統(tǒng)負載，48V系統(tǒng)處理空調(diào)系統(tǒng)、制動能量回收系統(tǒng)、主動懸架等底盤系統(tǒng)。48V系統(tǒng)在車輛上的應(yīng)用使得現(xiàn)代車輛上大量的大功率用電系統(tǒng)可以獨立于內(nèi)燃機，不論內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速如何，用電系統(tǒng)都可以處于最佳的驅(qū)動狀態(tài)，甚至發(fā)動機停止時也可以保證如空調(diào)等的一些功能處于工作狀態(tài)，這一方面提高了車輛的舒適性，同時也降低了發(fā)動機的負載，提高了車輛的燃油經(jīng)濟性，且減少了排放。包括寶馬、奧迪、戴姆勒在內(nèi)的多家整車廠推出了使用48V系統(tǒng)的概念車型，試驗車型的節(jié)油率達到15%左右。48V系統(tǒng)作為汽車有效的低成本實現(xiàn)節(jié)能、減排手段已得到全球的共識。

2、48V系統(tǒng)與汽車電氣安全國家標準的關(guān)系

在我國最新修訂的 GB/T 18384.3《電動汽車 安全要求第3部分：人員觸電防護》中，將電氣元件或電路分為以下等級，如表1所示。

表1 電壓等級

上述電壓的分級方法與國外的ISO 6469、ECE94、ECE95和ECER100的電壓分級一致。對于B級電壓電路，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于 100Ω /V，交流電路應(yīng)至少大于500Ω/V。

同樣的，在新制定的推薦性國家標準《電動汽車碰撞后安全要求》中規(guī)定，對于帶有B級電壓電路的車輛，在碰撞試驗后，其B級電壓電路同樣要滿足相應(yīng)的絕緣電阻的要求。

48V系統(tǒng)中直流電壓最大約為54V，不超過直流60V的安全電壓的范圍，但其中交流電子空調(diào)壓縮機、發(fā)動機電子增壓泵、電子水泵等負載，在最高工作電壓時電機內(nèi)部會產(chǎn)生略高于30V的三相交流電，48V系統(tǒng)的交流部分超出了安全電壓的范圍，根據(jù)表2的分類，該情況應(yīng)分到B級電壓，需要滿足國家標準對B級電壓電路正常情況下的絕緣電阻、碰撞后的絕緣電阻以及電位均衡等方面的要求，但48V系統(tǒng)因為其負極接地的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)不能滿足標準的規(guī)定。

圖1顯示了電動車輛一般的高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，按照GB/T 18384.3對汽車高壓電氣系統(tǒng)的要求，高壓電路系統(tǒng)和電平臺應(yīng)絕緣，絕緣電阻值滿足相應(yīng)要求。

圖2顯示了48V系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由于其負極接地，所以存在著單點失效下的觸電危險。

3、48V系統(tǒng)對電安全國家標準適用性分析

3.1 單點失效情況的說明

單點失效（single-point failure）指由未采用安全機制進行保護的系統(tǒng)或系統(tǒng)中的部分（包括硬件、軟件）的故障而導(dǎo)致的失效。既是由單點故障而導(dǎo)致的失效。汽車B級電壓電路單點故障的示意圖見圖3。

為了防止單點失效，車輛會視情況采取絕緣電阻、電位均衡、防止接觸、斷電等多種防護方法。圖3便顯示了采用絕緣電阻的方法防止單點失效，在圖3中，正極因絕緣退化或者防護層的破損，使得系統(tǒng)發(fā)生了單點故障，但由于負極的絕緣電阻處于正常狀態(tài)，所以并沒有形成回路，單點故障便沒有形成單點失效。

3.2 48V系統(tǒng)發(fā)生單點失效時人員觸電的危險

不同于圖1和圖3中所示的B級電壓電路防護方法，48V系統(tǒng)負極直接與電平臺相連接，如圖2所示，也就是說48V系統(tǒng)負極的絕緣電阻為 0Ω。在這種情況下如果發(fā)生單點故障，則B級電壓電路和人體形成了回路，存在了人員觸電的危險。如圖4所示。

3.3 48V系統(tǒng)發(fā)生單點失效時觸電電壓的分析

48V系統(tǒng)中的電力分配盒、48V儲能系統(tǒng)以及12V-48V雙向變換器的工作電壓均為不超過54V的直流電壓，雖然負極接地形成回路，但由于48V的直流系統(tǒng)工作電壓在安全電壓范圍內(nèi)，因此即便發(fā)生單點故障，也不存在安全隱患。如圖5中的①和②。

48V系統(tǒng)的交流電路在某些工作情況下會產(chǎn)生超過30V交流的相間電壓，如圖5中的③，但在單點失效情況下，人員不可能同時與兩個交流相位接處，最多只能接觸到一個相位，只有發(fā)生第二個故障時，才有可能同時接觸兩個相位。

48V系統(tǒng)交流電路的一個交流相位與點平臺之間產(chǎn)生的不是直流電壓，而是脈沖的直流電壓，如圖5中的④，而且該直流電壓工作范圍也不超過60V，在發(fā)生單點失效的情況下不會對人員造成傷害。

①直流電壓，直流電流 => U < 60V d.c.

②直流電壓，交替直流電流（紋波）

③交流電：交流電壓（交替/正弦），交流電流（正弦）在某些工作模式下，相位間 U > 30V a.c. ；

但是，相位與底盤之間的交替直流電壓 U <60V d.c.④交替直流電壓

進一步對48V系統(tǒng)進行分析可以看出，在單點失效的情況下，48V系統(tǒng)與電底盤之間的電壓都在安全范圍之內(nèi)，詳見圖6。

3.4 國際法規(guī)對48V系統(tǒng)觸電安全方面的規(guī)定

針對汽車 48V系統(tǒng)觸電安全方面與國際法規(guī)存在的問題，歐洲ECE相關(guān)標準中已經(jīng)進行了的相應(yīng)說明：

a）ECE-R100/02對絕緣電阻的檢測進行了補充說明：與底盤相連的電路，只要滿足以下條件，就可以免除絕緣電阻的要求：任何帶電體和底盤之間或者帶電體與外露的導(dǎo)體之間電壓不超過30VAC或者60VDC。

理解：因為48V系統(tǒng)中電機兩相之間有超過30V的交流電，應(yīng)歸為B級電壓，但是電機的每一相電壓與底盤之間電壓都低于60V DC，外露導(dǎo)體電壓也都低于60V DC，因此可以免除絕緣電阻檢測。通過對絕緣電阻監(jiān)測對象進行說明，將48V系統(tǒng)排除在絕緣監(jiān)測的范圍之外。

出處: ECE-R100/02, Amendment 1, 5.1.3. Isolation resistance “This paragraph shall not apply to chassis connected electrical circuits where the maximum voltage between any live part and the electrical chassis or any exposed conductive part does not exceed 30V AC (rms) or 60 V DC.”[1]

b）ECE-R95 5.2.8.1中對碰撞后電氣系統(tǒng)的絕緣電阻檢測進行了說明，如果規(guī)定碰撞結(jié)束后48V系統(tǒng)停止工作，則不需要進行絕緣電阻檢測。

理解：前面已經(jīng)提到48V設(shè)計中控制器持續(xù)監(jiān)測碰撞傳感器的信號，在碰撞發(fā)生后50毫秒內(nèi)將切斷系統(tǒng)工作，斷開與48V電池系統(tǒng)的連接，因此不再需要檢測絕緣電阻。

出處：ECE-R95 5.2.8.1: No Insulation resistance needed, if 48V-System is switched off after impact. “After the impact, at least one of the four criteria in paragraph 5.2.8.1.1.through paragraph 5.2.8.1.4.2.below shall be met. …”[2]

c）ECE-R100/02的修訂說明中對高壓系統(tǒng)進行了定義，連接到底盤的電路系統(tǒng)，只有運行電壓高于30VAC和60VDC的才被稱作高壓母線，從而將48V系統(tǒng)排除在外。

出處：ECE-R100/02, Amendment 1, 2.20 HV component definition: “Where electrical circuits, that are galvanically connected to each other, are galvanically connected to the electrical chassis and the maximum voltage between any live part and the electrical chassis or any exposed conductive part is≤ 30 V AC and ≤ 60 V DC, only the components or parts of the electric circuit that operate on high voltage are classified as a high voltage bus.”[1]

3.5 小結(jié)

通過上述分析，48V系統(tǒng)無論直流電路還是交流電路，在發(fā)生單點失效時均不會對人員造成觸電傷害；但交流電路在發(fā)生第二個故障的情況下，由于其相間電壓超過了安全電壓的范圍，因此會對人員造成觸電傷害。

國外相關(guān)法規(guī)對高壓母線和絕緣電阻的適用范圍進行了重新定義，使得48V系統(tǒng)得以豁免絕緣電阻的要求。我國相關(guān)國家標準可參考借鑒國外法規(guī)的做法。

4、汽車48V系統(tǒng)人員觸電防護方法建議

由于48V系統(tǒng)確實存在負極絕緣電阻為0Ω，交流電路相間電壓超過 30V a.c.，等電氣安全的風險，因此車輛在設(shè)計時應(yīng)對以上風險進行考慮。48伏系統(tǒng)的電氣安全可通過以下方法予以保證：

a）系統(tǒng)電壓值低于直流電路的高電壓閾值；

b）在交流電路中，限制相位與電底盤之間的電壓；

c）提供IP等級（外殼、隔板等）的物理防護；

d）線路絕緣；

e）電位均衡。

單點失效時，因為最多只能接觸到一個相位而電壓低于高電壓閾值（60V DC），因此不存在高電壓風險。只有發(fā)生第二個失效時，才能接觸到第二個相位。同時，堅固的機械外殼或絕緣也可防止直接接觸；采用電位均衡（等電位搭鐵），可避免出現(xiàn)兩次間接接觸。

[1] uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train [S]. ECE/ TRANS/505/Rev.2/ Addendum 99: Regulation No. 100 part 02.

[2] Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants in the event of a lateral collision [S]. ECE/TRANS/505/Rev.1/Addendum 94: Regulation No. 95.

Applicability Analysis of Electrical Vehicle Safety Requirements National Standard on 48V System

Zhang Yingnan, Lu Chun, Liu Guibin
（China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

48V Systems could be technically easy and very fast introduced into market with very high quantity which multiplies the CO2 reduction benefit at once. The maximum working voltage of its D.C. circuit is lower than 60V d.c., and the A.C. circuit is higher than 30V a.c., match the classification of voltage class B, which is specified by GB/T 18384. Analysis on the circuit of 48V system and its probably first failure condition, get the results of its safety requirements on first failure and second failure conditions, propose the protection method against electric shock.

automobile 48V system; electric safety requirements; national standard

U467.3

B

1671-7988(2015)05-108-03

張英男，現(xiàn)就職于中國汽車技術(shù)研究中心、碩士研究生。

國家質(zhì)檢公益性項目：電動汽車安全關(guān)鍵技術(shù)標準研究（201310241）