楊濤 陳玉剛 王江宏 李玉吉
陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省西安市 710300
日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問題,世界各國(guó)共同承諾節(jié)能減排,由于電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),成為各國(guó)汽車行業(yè)未來發(fā)展的方向[1],電動(dòng)汽車由動(dòng)力電池的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為汽車產(chǎn)生動(dòng)力,取代了傳統(tǒng)汽車的油箱和發(fā)動(dòng)機(jī),而電動(dòng)汽車中電壓可達(dá)到上萬伏,然而安全電壓的直流電壓不超過60V,交流電壓不超過25V,因此電動(dòng)汽車不僅對(duì)車載高壓電安全管理系統(tǒng)有更高的要求,對(duì)電動(dòng)汽車檢修安全也提出了新知識(shí)和技能的要求,本文從電動(dòng)汽車高壓電安全設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析,為電動(dòng)汽車檢測(cè)與維修提供一定的技術(shù)支持。
觸電會(huì)對(duì)人體造成電擊、電傷、電磁三種形式的傷害。電流流經(jīng)人體造成抽筋、呼吸麻痹、甚至死亡稱為電擊。電流對(duì)人體外部造成的傷害稱為電傷,如電灼傷、電烙印、皮膚金屬化等。電場(chǎng)傷害是指人體在高壓電磁場(chǎng)作用下受到的傷害。
電動(dòng)汽車作為一款新能源汽車,通過車載電源為電機(jī)提供電能,使用時(shí)以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),符合國(guó)家相關(guān)的道路交通和安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的汽車[2]。電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別在于電機(jī)代替了發(fā)動(dòng)機(jī),蓄電池代替了燃油箱,底盤部分只是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,車身和電氣基本變化不太大。電動(dòng)汽車的能源有效利用率高、實(shí)現(xiàn)零排放、噪聲低,整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn),促使電動(dòng)汽車迅速產(chǎn)業(yè)化。
在電動(dòng)汽車快速推廣,銷量迅猛增加的進(jìn)程中,眾泰純電動(dòng)車出租車杭州街頭自燃;上海電池+電容純電動(dòng)825路公交車在公交站點(diǎn)自燃;比亞迪E6電動(dòng)出租車被高速行駛的跑車撞擊后起火燃燒;特斯拉純電動(dòng)跑車碰撞起火或自燃等等眾多安全事故的發(fā)生將電動(dòng)汽車高壓電氣安全問題推向熱點(diǎn)。其中一例特斯拉純電動(dòng)跑車碰撞事故,車主按照車載的安全警示系統(tǒng),駛離高速公路,并成功停車、脫身,沒有受傷,就歸功于安全的高壓安全系統(tǒng)。
電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)包括自身的高壓系統(tǒng)和充電時(shí)的高壓系統(tǒng)。即在電池箱體內(nèi)合理布置的動(dòng)力電池組和驅(qū)動(dòng)電機(jī),保證能夠提供正常的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力;能夠在車輛發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷高壓回路的安全部件;絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng),診斷漏電流、分析絕緣性,及時(shí)診斷高壓安全狀態(tài);設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路,保證高電壓、大電流的功率部件的安全性。一般采用絕緣線纜或其他可以防止人員直接接觸高壓線路的裝置等物理方法對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行充分隔離,并將電動(dòng)汽車高壓電配線的線皮設(shè)置成鮮艷的橙色和通過設(shè)置明顯的高壓警示標(biāo)志,以防止人員誤接觸高壓系統(tǒng)發(fā)生觸電。按國(guó)際通行規(guī)定,電動(dòng)汽車上應(yīng)用顏色鮮艷的明顯警戒標(biāo)識(shí)有高電壓的器件。同時(shí)還設(shè)計(jì)了很多監(jiān)控系統(tǒng)如自動(dòng)危險(xiǎn)電壓斷開、手動(dòng)斷開、互鎖和等電位聯(lián)結(jié)等,來保證電動(dòng)汽車的用電安全[3]。另外,對(duì)電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)或者維修時(shí),必須有相應(yīng)的安全保護(hù)系統(tǒng)或者安全防護(hù)措施以防止人員遭受電擊傷害。
電動(dòng)汽車的高壓電氣設(shè)備,兩個(gè)接線端和連接線束與電氣設(shè)備的外殼,外殼與車身之間都設(shè)置有絕緣電阻。高壓部位直接對(duì)車身的絕緣失效,母線正極對(duì)車身的絕緣電阻值變小,若當(dāng)人體接觸到負(fù)極母線時(shí),通過人體的電流恰好超過了安全電流限值,就會(huì)發(fā)生電擊事故。針對(duì)該問題采取的措施,主要通過基本絕緣、輔助絕緣和雙重絕緣保護(hù)來實(shí)現(xiàn)[4]。雙重絕緣保護(hù)能夠有效的減少人員的觸電事故,但是這種做法會(huì)大大增加成本。
高壓部位對(duì)設(shè)備外殼的絕緣失效,如果人體一端接觸漏電的電氣外殼,另一端接觸高壓母線負(fù)極,即使人體與車身之間是絕緣的,仍然會(huì)有電流流過人體,很有可能造成間接的電擊。為了避免此類問題的發(fā)生,人體可能直接觸及的外殼必須達(dá)到IPXXD防護(hù)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。
由于汽車上工作環(huán)境復(fù)雜,線路老化或絕緣破損等都可能產(chǎn)生人員觸電、線路漏電及短路等危險(xiǎn)[5],所以在用電安全方面,不僅采取基于設(shè)備自身的防護(hù)措施,還需要采用一些高壓電氣系統(tǒng)的防護(hù)措施,如保護(hù)接地和保護(hù)接零、等電位聯(lián)結(jié)、電氣隔離、熔斷、自動(dòng)斷路和手動(dòng)斷開等。
結(jié)合不同用電設(shè)備特點(diǎn)采用不同的防護(hù)措施,如保護(hù)接地和接零一般都是電擊的防護(hù)措施,通過對(duì)電氣設(shè)備外殼接地或與電網(wǎng)零線連接,當(dāng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象時(shí)對(duì)人員進(jìn)行安全保護(hù),保護(hù)接零還可以通過短路裝置或熔斷器實(shí)現(xiàn)切斷電源,實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的電擊防護(hù)。電氣設(shè)備外殼主要是等電位聯(lián)結(jié)指將直流電氣設(shè)備外殼與車輛底盤直接連接,使得設(shè)備外殼和車身為相同電位,避免人體遭受電擊。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中最常用的電氣隔離方法是通過交、直流隔離的充電機(jī)實(shí)現(xiàn)的[6]。
自動(dòng)斷路功能能在一些特殊情況下,通過斷路器等裝置將高壓電氣回路切斷,對(duì)人員和電氣系統(tǒng)安全起到保護(hù)的目的?;ユi監(jiān)測(cè)及保護(hù)環(huán)路互鎖是對(duì)高壓電路的連接可靠程度而提出,主要是從電氣回路連續(xù)性完整性的角度而設(shè)計(jì),用來監(jiān)測(cè)電氣回路上是否存在斷路的情況。其設(shè)計(jì)為在高壓回路中并聯(lián)一組高壓互鎖回路,電路中串聯(lián)著自動(dòng)斷開裝置,在需要檢測(cè)的高壓危險(xiǎn)的回路中輸入較小的電流信號(hào),檢測(cè)返回電流值,以對(duì)電氣回路的連續(xù)性進(jìn)行檢查。如果系統(tǒng)不能接收到返回電流,則安全管理系統(tǒng)判斷出現(xiàn)接觸不良或斷路故障,則互鎖系統(tǒng)會(huì)采取一定的措施,如自動(dòng)斷開裝置啟動(dòng)、切斷電源等,防止高壓電對(duì)人體帶來傷害。在充電系統(tǒng)高壓回路中也設(shè)計(jì)互鎖回路,確保電動(dòng)汽車在充電過程中接口和電纜的安全性,同時(shí)保證了電動(dòng)汽車互相連接的安全。
面對(duì)目前的全球能源和環(huán)境的宏觀環(huán)境,電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)不言而喻,但是電動(dòng)汽車必須確保安全的前提下才能讓得到很好的推廣,因此我們必須高度重視安全問題和提高處理安全問題的能力。雖然我們對(duì)一些能夠預(yù)見性的安全問題,采取了一定的可行性的措施,如高壓絕緣措施和系統(tǒng)監(jiān)控等,但是汽車在運(yùn)行過程中還會(huì)出現(xiàn)一些常規(guī)和特殊的安全問題,除了本文所談到的電動(dòng)汽車的安全問題外,其他未談到的安全問題還很多,如電池可能對(duì)人帶來的化學(xué)傷害、充電過程中的安全問題、電動(dòng)汽車碰撞后的安全問題和維修過程中維修人員的安全問題等,隨著電動(dòng)汽車行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,電動(dòng)汽車安全要求也在不斷提升。