新能源汽車車載充電系統(tǒng)電擊危險性分析

陳成 任丹 陳志軍

摘 要：隨著國家對新能源汽車的政策推動以及企業(yè)電動化戰(zhàn)略的調(diào)整，目前企業(yè)內(nèi)部大量的人員急需取得新能源汽車電工操作資質(zhì)，而新能源汽車車載充電系統(tǒng)的電擊危險性分析是新能源電工資質(zhì)培訓(xùn)中一項重要的內(nèi)容。本文根據(jù)企業(yè)實際車型參數(shù)，結(jié)合資質(zhì)培訓(xùn)內(nèi)容，綜述了新能源汽車車載充電系統(tǒng)的危險性因素以及相應(yīng)的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 車載充電系統(tǒng) 電擊 防護(hù)措施

Abstract：With the promotion of national policies on new energy vehicles and the adjustment of enterprise on electrification strategy， now a large number of staffs need to obtain the new energy vehicle electrician operation qualification， and the electric shock risk analysis of the on-board charging system of new energy vehicles is an important part of the new energy electrician qualification training. According to the actual parameters of vehicles in enterprise and combined with the content of qualification training， the study summarizes the risk factors of on-board charging system of new energy vehicles and the corresponding protective measures.

Key words：new energy vehicle， on-board charging system， electric shock， protective measure

1 前言

面對日益嚴(yán)峻的全球生態(tài)環(huán)境及能源問題，許多國家已經(jīng)將新能源的開發(fā)和利用上升到了國家戰(zhàn)略地位。對于我國而言，發(fā)展新能源汽車不僅能夠緩解環(huán)境污染及傳統(tǒng)石油能源消耗的問題，也能夠促進(jìn)汽車行業(yè)由傳統(tǒng)汽車邁向科技型汽車[1]。為此國家出臺了一系列的政策，包括面向消費者的補貼、上牌政策以及面向企業(yè)的雙積分政策。而企業(yè)也提出了“新四化”戰(zhàn)略，即電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化。由傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車發(fā)展，也對傳統(tǒng)汽車行業(yè)員工提出了新的知識及資質(zhì)要求?！靶履茉措姽ぃ‥FffT）”是大眾集團(tuán)新能源汽車高壓安全認(rèn)證資質(zhì)之一，其主要職責(zé)包括：切斷高壓系統(tǒng)的電源并認(rèn)證，且對此檢測和實施安全保障;在斷電狀態(tài)下實施所有的工作（不包括拆解電池包）;驗收在處于斷電狀態(tài)的高壓系統(tǒng)上進(jìn)行的工作;按照操作指導(dǎo)書啟動運行高壓系統(tǒng)。其中車載充電系統(tǒng)的電擊危險性分析是“新能源電工（EFffT）”資質(zhì)培訓(xùn)的重要內(nèi)容。

2 車載充電系統(tǒng)電擊危險性分析

新能源汽車的高壓安全不僅是消費者的重點關(guān)注問題，也是從業(yè)者在生產(chǎn)制造過程中必須要關(guān)注的問題。以上汽大眾培訓(xùn)用的輝昂（Phideon）混動車型為例，其高壓電池包的電壓約為直流384V，而國標(biāo)中定義的人體直流安全電壓極限為60V[2]，一旦車輛發(fā)生絕緣故障或其他漏電風(fēng)險時，將對人身安全造成巨大威脅，因此對車輛高壓系統(tǒng)的安全分析十分有必要。而車載充電系統(tǒng)作為高壓系統(tǒng)中涵蓋高壓部件最多的系統(tǒng)，對其進(jìn)行電擊危險性分析意義重大。

2.1 等電位保護(hù)

在一般的家用充電場景中，主要以壁掛式充電盒或普通家用插座為主要充電設(shè)施，其皆為交流充電（AC），因此本文的分析建立在交流充電的基礎(chǔ)上。新能源汽車交流充電機(jī)布置在車上，通過充電線，交流電源將電能傳輸?shù)诫妱悠囓囕d儲能裝置中。在充電時，如果充電機(jī)與動力電池組發(fā)生漏電，而操作者雙手分別觸碰到充電機(jī)和電池包外露可導(dǎo)電部分，此時有觸電危險。針對此種故障現(xiàn)象，車載充電系統(tǒng)設(shè)計了等電位保護(hù)，將所有的高壓部件金屬外殼用等電位線連接起來，在發(fā)生上述絕緣故障時，可以對人體起到短接保護(hù)的作用。根據(jù)大眾集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)-VW80303，高壓零部件和車身地之間的等電位線電阻必須小于40mΩ，而高壓零部件和附加導(dǎo)電部件之間的等電位線電阻推薦小于10mΩ。

2.2 保護(hù)接零

如果在充電過程中，充電機(jī)發(fā)生漏電，操作人員站在地上，觸碰到車身外露可導(dǎo)電部分，此時也會發(fā)生觸電危險。針對此種風(fēng)險，根據(jù)GB20234[3]，無論交流充電插頭還是直流充電插頭都必須配有地線，當(dāng)充電插頭配有地線（PE）時，即便在充電時充電機(jī)發(fā)生絕緣故障，PE線也能很好地起到保護(hù)作用，避免觸電事故。接地線的橫截面積至少應(yīng)等于相線的橫截面積。

2.3 BMS絕緣檢測

電池管理系統(tǒng)（BMS）是一套保護(hù)動力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，為新能源車輛的使用安全提供保障[4]。BMS每30秒進(jìn)行一次絕緣測量，如圖1所示，當(dāng)主繼電器吸合時，BMS檢測整車的絕緣阻值，當(dāng)主繼電器斷開時，BMS檢測電池包的絕緣電阻。絕緣電阻過低時，車輛會發(fā)出相應(yīng)的報警信息，當(dāng)絕緣阻值低于500Ω/V時，組合儀表顯示黃燈，而當(dāng)絕緣阻值低于100Ω/V時，組合儀表顯示紅燈。

2.4 隔離式車載充電機(jī)

在充電過程中，操作人員可能會因為直接觸碰車端的有源體而發(fā)生觸電事故，針對該種事故類型，設(shè)計了隔離式車載充電機(jī)，圖2是Delta品牌3.6KW車載充電機(jī)的原理圖，通過DC/DC電路中的變壓器將供電端與車端進(jìn)行了電氣隔離。在充電過程中，即便操作人員一只手誤觸車端有源體，但由于新能源車輛高壓系統(tǒng)本身對地絕緣，且供電端與車端電氣隔離，因此沒有觸電危險。

2.5 開蓋保護(hù)

在充電過程中，打開高壓部件殼體也會面臨直接觸碰車端有源體而觸電的風(fēng)險，因此進(jìn)行開蓋保護(hù)是必要的。開蓋保護(hù)主要有三個設(shè)計思路，一是高壓互鎖，當(dāng)高壓互鎖被觸發(fā)后，高壓系統(tǒng)無法從下電狀態(tài)切換到上電狀態(tài)，如圖3，開蓋以后直接切斷高壓互鎖線;二是延遲接近，即至少需要兩步操作才能觸碰到有源體，而第一步必須觸發(fā)高壓切斷，如圖4，通過機(jī)械設(shè)計，必須先斷開高壓空調(diào)壓縮機(jī)（EKK）插頭，從而觸發(fā)高壓切斷，隨后才能夠打開功率電子的上罩蓋;三是復(fù)雜拆解，需要復(fù)雜的過程或?qū)I(yè)知識才能打開高壓零部件。

2.6 RCD（剩余漏電保護(hù)器）

在充電槍插入到車之前，如果充電線發(fā)生漏電，人員站在地面上，接觸到充電線，也會發(fā)生觸電事故，針對該種事故類型，無論是在充電樁還是在便攜式充電器內(nèi)，都內(nèi)置了RCD（剩余漏電保護(hù)器）， 其工作原理是，當(dāng)電氣設(shè)備漏電時，漏電保護(hù)裝置會檢測到異常電流或電壓信號，經(jīng)過信號處理后，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，借助開關(guān)設(shè)備迅速切斷電源，RCD對于直接接觸觸電可以起到良好的保護(hù)效果。

2.7 機(jī)械鎖/電子鎖

為了防止在充電過程中充電接口意外斷開，在充電槍接口處設(shè)計了鎖止功能（機(jī)械鎖止或電子鎖止），在鎖止?fàn)顟B(tài)下，即便施加一定的拔出外力，連接也不應(yīng)被斷開，并且鎖止裝置不得被損壞。此外在充電過程中，車輛無法啟動。

2.8 IPXXB接口設(shè)計

IP（Ingress Protection）防護(hù)等級系統(tǒng)是由IEC（國際電工委員會）所起草，將電器依其防塵防濕之特性加以分級。IP后跟隨兩個特征數(shù)字及附加字母和補充字母組成。其中第一個數(shù)字表示防止接近危險部件和防止固體異物進(jìn)入，第二位數(shù)字表示防水等級，數(shù)字越大，防護(hù)等級越高，不要求規(guī)定特征數(shù)字時，用X表示。附加字母表示接近危險部件的防護(hù)等級，分別以A、B、C、D表示，其具體含義如表1所示[5]。補充字母可用來表示補充的內(nèi)容，其含義是對所在防護(hù)等級進(jìn)行試驗時要加的補充條件。對于新能源汽車非乘員艙及裝載空間，要求其外殼至少滿足IPXXB的防護(hù)等級要求。

3 結(jié)論

針對新能源汽車車載充電系統(tǒng)潛在的電擊危險性，在新能源汽車高壓系統(tǒng)的設(shè)計上，有以下八種充電保護(hù)措施：等電位保護(hù)、保護(hù)接零、BMS絕緣檢測、隔離式車載充電機(jī)、開蓋保護(hù)、RCD（剩余漏電保護(hù)器），機(jī)械鎖/電子鎖，IPXXB接口設(shè)計。作為“新能源電工（EFffT）”，應(yīng)深刻理解危險源及其防護(hù)措施，同時在日常作業(yè)中，還需做好管理上的工作，確保全面安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡楊靜，張亦鋮.對我國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考與建議[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇.2012（22）：27-28.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18384.3-2001 電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 20234.1-2015 電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分：通用要求[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4]謝紹偉.電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）及其驗證系統(tǒng)的開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2015：9.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 4208-2017/IEC 60529：2013 外殼防護(hù)等級（IP代碼）[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

作者簡介

陳成：（1988—），男，江蘇人，工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)任上汽大眾汽車有限公司儀征分公司現(xiàn)場技術(shù)員。主要研究方向：整車制造工藝與質(zhì)量。