新能源汽車碰撞后電安全現(xiàn)狀與分析

王青貴 謝軍 朱鑫

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津市 300000

1 新能源汽車發(fā)展?fàn)顩r

中國(guó)汽車市場(chǎng)正在以舉世矚目的速度發(fā)展，其中電動(dòng)汽車更是迅猛發(fā)展，銷量高速增長(zhǎng)。近年來(lái)，我國(guó)電動(dòng)汽車已經(jīng)占到世界市場(chǎng)份額的50%以上。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車高速發(fā)展所帶來(lái)的一系列問(wèn)題也日益凸顯。電動(dòng)汽車搭載有一整套高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。受限于整車結(jié)構(gòu)布置，電動(dòng)汽車碰撞安全的防護(hù)性能也差異較大。電動(dòng)汽車在碰撞過(guò)程中存在碰撞后高壓系統(tǒng)受損，導(dǎo)致高壓電裸露、高壓泄露、短路、電池起火等次生風(fēng)險(xiǎn)，乘客和救援人員等在電動(dòng)汽車碰撞過(guò)程中，也將面臨新的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車的碰撞安全性不容忽視。根據(jù)調(diào)查電動(dòng)汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞。其中碰撞成為電動(dòng)汽車起火事故的關(guān)鍵誘因，電動(dòng)汽車碰撞安全也愈發(fā)引人關(guān)注。

2 新能源汽車碰撞安全要求及設(shè)計(jì)

2.1 政策碰撞法規(guī)要求

為了讓新能源汽車得到更好的健康發(fā)展，國(guó)家制定了嚴(yán)格的新能源汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，涉及了碰撞后乘員防觸電保護(hù)等方面，保證電動(dòng)汽車的高壓電安全。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于電動(dòng)汽車碰撞后電安全要求執(zhí)行的法規(guī)是2015年5月15日發(fā)布的GB/T31498-2015《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》。該標(biāo)準(zhǔn)要求帶有B級(jí)電壓電路的純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，按照GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》和GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，整車的動(dòng)力用高壓系統(tǒng)以及動(dòng)力用高壓系統(tǒng)傳導(dǎo)連接的高壓部件應(yīng)同時(shí)滿足防觸電保護(hù)要求（電壓要求、電能要求、物理防護(hù)要求、絕緣電阻要求）、電解液泄漏要求和REESS要求。新發(fā)布的GB/T31498-2021將在2022年3月1日正式實(shí)施，適用范圍增加了GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》，此次改版完善了電動(dòng)汽車碰撞安全的考察方式。

此外CNCAP2018版也將電安全納入了考核。對(duì)現(xiàn)有的正面碰撞、側(cè)面碰撞、偏置碰撞試驗(yàn)后電安全進(jìn)行檢測(cè)?？己隧?xiàng)目中分為基本條款、選項(xiàng)條款、電解液泄漏、REESS安全評(píng)價(jià)。其中基本條款也稱作必測(cè)條款即測(cè)量REESS端絕緣電阻，而選項(xiàng)條款有四項(xiàng)，分別是電壓、電能、物理防護(hù)、絕緣電阻，四項(xiàng)中有一項(xiàng)通過(guò)即可。如果考核結(jié)果合格，除評(píng)定星級(jí)結(jié)果之外，還將采用電氣安全標(biāo)識(shí)進(jìn)行標(biāo)示；如果不合格，僅公布所有項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果，不做星級(jí)評(píng)價(jià)。在即將實(shí)施的CNCAP2021版中對(duì)新能源汽車碰撞形式的考察分為正碰、MPDB、側(cè)面柱碰。新版本內(nèi)容中對(duì)電安全考核進(jìn)行了改進(jìn)，其中基本條款不再?gòu)?qiáng)制要求，而是根據(jù)繼電器的位置來(lái)決定是否考核。在選項(xiàng)條款中：電壓考核增加了電壓下降趨勢(shì)的考察；電能考核中修改了其中一種計(jì)算公式；在絕緣電阻考察中量表法操作改為雙表筆法測(cè)試，同時(shí)考慮了測(cè)試設(shè)備內(nèi)阻的影響并修改了計(jì)算公式。選項(xiàng)條款中依舊是四項(xiàng)有一項(xiàng)通過(guò)即可。

2.2 零部件級(jí)電池包碰撞試驗(yàn)要求

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的能量之源，也是造成電動(dòng)車起火的主要來(lái)源。隨著用戶對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程需求的增長(zhǎng)，高功率、大能量密度的電池組使用越來(lái)越廣泛，這使得動(dòng)力電池的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。電池包在實(shí)車行駛中受到的損傷可以簡(jiǎn)化為單體動(dòng)力電池零部件受到的損傷。電池包檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》中對(duì)電池單體和電池模塊規(guī)定了一系列跌落、擠壓、針刺、浸泡試驗(yàn)，要求按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，單體或模塊不爆炸、不起火。在電池系統(tǒng)方面，GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》對(duì)動(dòng)力電池包和系統(tǒng)規(guī)定了包括振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、擠壓在內(nèi)的安全性試驗(yàn)。在未來(lái)，部分推薦性標(biāo)準(zhǔn)即將轉(zhuǎn)成強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，如基于GB/T 31485以及GB/T 31467.3將轉(zhuǎn)成GB《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》。

2.3 新能源汽車電安全設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車日常使用過(guò)程中，安全設(shè)計(jì)方式有：高壓系統(tǒng)絕緣、高壓系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)絕緣故障報(bào)警以及高壓設(shè)備防護(hù)觸電保護(hù)。新能源汽車高壓系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、動(dòng)力總成、高壓電控系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、高壓設(shè)備，及其線束系統(tǒng)。這些部件由絕緣材料組成或經(jīng)過(guò)絕緣處理。而高壓電池系統(tǒng)的電汽安全直接關(guān)系到人員生命安全。絕緣失效會(huì)造成高壓對(duì)人體的直接傷害。通常絕緣在線監(jiān)測(cè)有兩種檢測(cè)方式。一是信號(hào)注入法，另一種是電阻測(cè)量法。信號(hào)注入法就是輸入一定頻率的直流信號(hào)，測(cè)量反饋的直流信號(hào)從而計(jì)算出絕緣電阻。通常這種注入信號(hào)的方式會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作。電阻測(cè)量法是通過(guò)在正對(duì)地和負(fù)對(duì)地之間并入電阻來(lái)計(jì)算出絕緣性能[3]。對(duì)于系統(tǒng)故障報(bào)警由電池管理系統(tǒng)BMS來(lái)承擔(dān)檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到的絕緣電阻值低于該值時(shí)，BMS將對(duì)應(yīng)的絕緣故障代碼上報(bào)給上位機(jī)，整車上則由組合儀表來(lái)進(jìn)行代碼顯示和故障燈報(bào)警，以提醒乘員進(jìn)行故障排查。

最后防觸電保護(hù)考慮的是線束及設(shè)備過(guò)載等情況。是新能源汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋管對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。同時(shí)高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識(shí)為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應(yīng)達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)。另外當(dāng)汽車高壓附件設(shè)備發(fā)生過(guò)載或線路短路時(shí)，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動(dòng)切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。

3 新能源汽車碰撞后電安全狀況分析

3.1 部分新能源車輛碰撞后未下電

從圖1可知車輛在碰撞測(cè)試過(guò)程中電壓沒(méi)有下電，存在人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。在法規(guī)中規(guī)定此時(shí)可以用防觸電保護(hù)中另外三個(gè)條款中的任意一個(gè)進(jìn)行判斷。雖然電安全結(jié)果最終能夠通過(guò)，但是整車高壓作為人員觸電防護(hù)的危險(xiǎn)源，應(yīng)將其嚴(yán)格要求。建議將電壓調(diào)整為必過(guò)條款，只有這樣才能徹底保護(hù)到乘員安全。

圖1 新能源汽車碰撞后未下電

3.2 碰撞后電壓下電緩慢

通過(guò)分析新能源汽車碰撞后電安全數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目前絕大部分車輛都具備整車斷電功能。但是在執(zhí)行斷電功能時(shí)，電壓隨時(shí)間的變化情況不同。大部分車輛在執(zhí)行下電時(shí)電壓瞬間掉到0伏，而有的車輛在下電時(shí)一種情況是放電策略設(shè)計(jì)不合理（如圖2）。負(fù)載端有大電容，放電后下降緩慢，即使在碰撞60秒后整車電壓一直處于高于人體電壓值。

圖2 新能源汽車碰撞后電壓下降緩慢

另一種情況是在下電過(guò)程中，由于整車有絕緣自檢，電壓會(huì)存在周期性的變化，導(dǎo)致電壓居高不下。圖3中可以看出，車輛碰撞后V1和V2沒(méi)有下電。因此上述兩種情況需要車輛做出相關(guān)優(yōu)化調(diào)整。CNCAP2021版電安全考察中針對(duì)此種情形，也增加了電壓趨勢(shì)的考察。

圖3 新能源汽車碰撞后絕緣自檢

3.3 自動(dòng)斷電功能驗(yàn)證方式不一

在CNCAP18版試驗(yàn)中廠家可以選擇自動(dòng)斷電功能的驗(yàn)證。具體驗(yàn)證方式可以同廠商進(jìn)行協(xié)商。目前各個(gè)廠商對(duì)自身產(chǎn)品驗(yàn)證的方式不一。大部分廠商通過(guò)測(cè)量負(fù)載端電壓赫爾電池包端電壓來(lái)判斷有無(wú)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)自動(dòng)斷電功能。還有一部分廠家通過(guò)讀取試驗(yàn)后BMS發(fā)送報(bào)文內(nèi)容來(lái)進(jìn)行判斷。因此需要建立規(guī)范性和統(tǒng)一性的判定方式。目前實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了一套自動(dòng)斷電評(píng)價(jià)體系并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相關(guān)工具，結(jié)合報(bào)文信息和整車試驗(yàn)后電壓斷電情況進(jìn)行判定。

3.4 非常規(guī)電池包整車級(jí)碰撞試驗(yàn)方法缺失

對(duì)于電動(dòng)汽車而言，其電池包為高危儲(chǔ)能部件，嚴(yán)重的碰撞和沖擊載荷可能會(huì)對(duì)電池包安裝強(qiáng)度或者是內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成傷害，從而給車輛帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，甚至?xí)斐绍囕v直接起火等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。目前，對(duì)于高壓電池包的碰撞測(cè)試和沖擊載荷測(cè)試，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在部件級(jí)測(cè)試方面，也就是單獨(dú)對(duì)高壓電池包進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。如針刺、擠壓、臺(tái)架沖擊等。對(duì)于高壓電池包的整車級(jí)測(cè)試，目前極少。隨著電動(dòng)汽車銷量的持續(xù)增加，電動(dòng)汽車面臨底部磕碰危險(xiǎn)工況的概率也會(huì)持續(xù)增加。但是在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法方面，卻沒(méi)有針對(duì)上述的考核要求。底部電池包物理變形方面的考核，由于車輛的車身結(jié)構(gòu)對(duì)電池包有一定的防護(hù)，以及電池包內(nèi)部也預(yù)留有一定的防擠壓空間。因此，常規(guī)試驗(yàn)類型都難以直接對(duì)高壓電池包產(chǎn)生物理性地破壞。但是在實(shí)際的道路交通環(huán)境中，對(duì)于將電池包布置于底部的電動(dòng)汽車而言。在遇到一些較差的道路時(shí)，常常會(huì)發(fā)生電池包托底的情況。嚴(yán)重的電池包托底會(huì)對(duì)電池包產(chǎn)生直接的物理性破壞，而且極易引發(fā)電池包的內(nèi)部短路，更為嚴(yán)重的可能會(huì)造成車輛的起火等危險(xiǎn)情況。另外，對(duì)于電池包在加速度沖擊的考核方面，傳統(tǒng)的碰撞測(cè)試都是對(duì)電池包在水平方向上進(jìn)行沖擊載荷的測(cè)試，缺少垂直方向上的沖擊載荷測(cè)試，也就無(wú)法全面的測(cè)試出電動(dòng)汽車的整體安全性能。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車在設(shè)計(jì)使用過(guò)程中已具備成熟完善的高壓防護(hù)策略。在碰撞后電安全方面也有相關(guān)法規(guī)考核，提高了電動(dòng)汽車碰撞后安全系數(shù)。但在零部件整車碰撞方面目前還未有相關(guān)法規(guī)和試驗(yàn)方法，需要在方面進(jìn)行相關(guān)工作的完善。同時(shí)部分車輛在碰撞后電安方面仍存在不足之處，需要對(duì)相關(guān)考核指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。相信在不久之后，新能源汽車電安全會(huì)有質(zhì)的提升。