電動汽車高壓電安全測試解讀

張 渤，鄒圣星，范 學，李高林

（深圳市比亞迪汽車有限公司，深圳 518118）

隨著對能源的需求以及對環境保護的需求，越來越多的電動汽車問世，人們也從最開始的性能及價格的關注轉移到了對品質和安全的關注，當然，作為整個電動汽車的核心，高壓電池、高壓回路以及整個電動汽車的安全是必不可少的。純電動汽車工作模式下最高電壓可達600 V左右，對于如此高的電壓，消費者在駕駛、充電或其他操作的時候，如何保障其安全則是我們研究的重點。

本文主要介紹電動汽車高壓部件在電安全方面的要求及測試，以確保消費者在正常操作和誤操作時都不會有觸電危險。國際標準化組織為此制定了ISO 6469系列高壓安全標準。本文參考GB/T 18384以及ISO 6469對電動汽車安全設計中的電安全方面進行解讀。

1 GB/T 18384標準解讀

1.1 電氣產品安全的意義

產品的設計和機構必須能夠保證在正常使用和可能的失效條件下，不會對使用者產生觸電和其他危險，不會對周圍環境產生危害，如火災等。產品在設計和生產時，對可能產生的危害，應提供雙重的保護措施。

1.2 電壓等級及設備分類

1） 根據GB/T 18384.3—2001， 把電壓分為2個等級，如表1所示。

2）設備等級分類:①Ⅰ類設備，即依靠基本絕緣對帶電部件進行防觸電保護，并把這個設備中外露可導電部件與保護導體相連的設備，如圖1所示；②Ⅱ類設備，即使用雙重絕緣或加強絕緣進行防觸電保護的設備，如圖2所示。

表1 電壓等級

車載高壓部件一般包括:電池包、DC-DC、驅動電機、空調壓縮機等高壓部件。這些部件都需要進行電安全測試。

1.3 高壓電器電安全要求

GB 18384中電安全試驗主要項目有:絕緣電阻、絕緣耐壓、等電勢、防直觸等，ISO 6469中增加了泄漏電流測試項目。具體解讀如下。

1.3.1 絕緣電阻

動力電池 （儲能裝置）的絕緣電阻根據GB/T 18384.1提供的公式進行計算。其測試原理如圖3所示。

除高壓電池包外，汽車高壓部件也需進行絕緣電阻試驗，其試驗原理如圖4所示，將整個高壓回路連接在一起，測量回路與汽車底盤之間的絕緣電阻。

動力系統絕緣電阻測試電壓根據GB 18384.3選擇，使用一個至少為動力系統標稱電壓1.5倍的試驗電壓或500 V（DC）電壓，兩者取較高值，施加電壓時間應足夠長，以獲得穩定的讀數。表2為兩類設備的絕緣電阻要求值。

表2 絕緣電阻要求值

1.3.2 絕緣耐壓

絕緣耐壓主要考核產品在異常高壓下絕緣系統的承受能力。當設備不運作時，對測試點施以一高壓，測試是否有絕緣破壞或電氣閃絡發生。

GB 18384中絕緣耐壓有3個等級，實際測試中建議采用ISO 6469中絕緣耐壓的等級，其將國標中Ⅱ類設備的附加絕緣2U+2250等級取消，與雙重絕緣等級合并為一個等級。具體測試要求見表3。

表3 絕緣耐壓試驗電壓選擇

1.3.3 泄漏電流

當電流經過絕緣阻抗后溢出，稱之為泄漏電流.當電流經由人體接觸，使電流經過人體流向大地，即造成電氣傷害。泄漏電流測試與絕緣耐壓、接地保護測試的不同之處在于被測設備是在運行的狀態下進行測試的，其示意圖如圖5所示。泄漏回路中會加上一個人體模擬阻抗電路，可模擬在真實情況下人體的阻抗。

不論是國家標準法規還是地區標準法規，泄漏電流的標準因產品絕緣類型不同而有所不同。“CLASSⅠ、Ⅱ、Ⅲ”主要考慮產品的絕緣系統，源自IEC體系，簡要介紹如下:CLASSⅠ是指產品的防觸電保護不僅依靠基本絕緣，而且還包括接地方式，也即上文中的Ⅰ類設備；CLASSⅡ是指產品的防觸電保護不僅依靠基本絕緣，而且還包括附加的安全措施，例如雙重絕緣或加強絕緣，但沒有接地或依賴安裝條件的保護措施，也即Ⅱ類設備；CLASSⅢ是指產品的防觸電保護依靠電源電壓為安全特低電壓 （SELV），以保證其不會產生危險電壓。

泄漏電流可大致劃分為接地泄漏電流、外殼泄漏電流與患者泄漏電流，如表4所示。

Ⅰ類設備不需要測量外殼泄漏電流 （金屬外殼必須進行接地以提供觸電保護）。由于金屬外殼已在接地電阻測試中進行過等電勢測試，因此僅需測試未接地的外殼。

表4 泄漏電流的分類

對于Ⅱ類設備來說，所有外殼都未接地以提供觸電保護，因此必須進行測試。

外殼泄漏電流有兩個流過途徑: “外殼→人體→接地端子”以及 “外殼→人體→外殼”。請注意，為 “外殼→人體→外殼”時，人必須觸摸兩處隔離的電絕緣封閉部分 （也就是完全隔離）。

模擬人體試驗用網絡的選擇，測試中推薦使用IEC 60990規定的網絡C進行測試，當然也可商討使用其他網絡進行測試。網絡C的原理如圖6所示。

泄漏電流大小的確定:①按相關的標準GB/T18488.1—2006《電動汽車用電機及其控制器第一部分:技術條件》的要求為5 mA；②GB 4706.1的要求為不應超過下述值:對Ⅰ類便攜式器具0.75mA，對Ⅱ類器具0.25 mA，因電動汽車在非充電狀態的防護等級等同于Ⅱ類設備，故建議泄漏電流要求值選取為0.25 mA。

1.3.4 防直觸

整車高壓部件的安裝要滿足防護要求，外殼要滿足防人身直接碰觸而受到的電擊危害。如圖7所示。

以下為可能遇到的危險:①手指可通過產品上的孔接觸到帶危險電壓的零部件，外部的小導體（如手鏈）可通過小孔接觸帶有危險電壓的零部件；②帶危險電壓的元件與安全低電壓之間的絕緣被擊穿,使可接觸的零部件帶上危險電壓；③電容的放電；④接地不良。

常規的防直觸有2類:防手指觸摸、防金屬探針觸摸 （例如維修工具）。IPXXD:防金屬探針接近。IPXXB:防止手指接近。GB 4208中對以上兩種防護等級測試方法的要求如表5所示。

表5 試具的尺寸要求

1.3.5 等電勢

等電勢是指屬于高壓部件暴露的導電部件 （如外殼保護蓋，分隔墻）互相連在一起，并連到車輛地線上。對于屬于高壓部件的導電蓋子或外殼，應達到足夠低的等電勢。可以采用導線 （編織帶）連接高壓零部件的外殼跟地，以達到等電勢；零部件也可以使用支架與車身相連達到等電勢。

如果高壓部件的蓋子或外殼由若干單獨的部件組成，那么在蓋子或外殼表面的任何位置均應滿足等電勢要求。2 m內的兩個裸露部件的測量，可通過這兩部件的電壓降和電流進行計算。

當兩高壓部件在2 m之內，其高壓部件之間的等電勢電阻≤100 mΩ；不考慮距離，高壓部件至車身地任何一點之間的等電勢電阻≤100 mΩ；高壓部件至其最近車身地之間的等電勢電阻應≤40 mΩ；非直連車身地的高壓部件，與其相鄰支架或其它接觸部件之間的等電勢電阻≤10 mΩ。

圖8為等電勢的測試方法。等電勢測試也稱為接地電阻測試。

2 高壓電器電安全測試案例

2.1 動力電池絕緣電阻測試

2.1.1 一般要求

直流電路中最小保護所需的絕緣電阻值為:直流電路100 Ω/V，交流電路500 Ω/V。動力電池的兩端到汽車電地盤之間的絕緣電阻一般不同 （Ri1和Ri2），參見圖3。基于安全原因，取較低值的絕緣電阻值作為動力電池的絕緣電阻。

2.1.2 測試方法

動力電池電壓測量如圖9所示。電動汽車先斷開高壓電，然后將12 V電氣系統的正、負極從蓄電池上取下并連接到車身地，再斷開RESS兩端與動力驅動電路的連接，最后用內阻≥10 MΩ的萬用表進行測量。

2.2 動力回路的絕緣電阻測試

2.2.1 一般要求

除高壓電池包外的高壓零部件也同樣需要進行絕緣電阻檢測。根據ISO 6469中的要求，如果交流高壓回路采用了雙重絕緣或加強絕緣，則其直流高壓回路絕緣電阻可降低到100 Ω/V。目前整車漏電傳感器的一般漏電報警判定值為500 Ω/V，嚴重漏電報警判定值為100 Ω/V。結合ISO 6469的要求，目前對絕緣電阻的判定值為＞500 Ω/V。

2.2.2 充電口絕緣電阻的要求

1）交流充電口絕緣電阻的要求 ①車輛充電口應與外部電源地 （電網地）有導通連接，并且應該有一個端子把車輛的車身地連接到電網地；②充電槍含有充電期間與電網連接的電路，在充電連接斷開的情況下，其總絕緣電阻應大于1MΩ，參考IEC 61851要求。

2）直流充電口絕緣電阻的要求 ①車輛充電口應與外部電源地 （電網地）有導通連接，如有等電勢要求，應該有一個端子把車輛與外部充電器的車身地連接到電網地；②充電槍含有充電期間與充電口連接的電路，在充電連接斷開的情況下，其總的絕緣電阻應大于500 Ω/V。

2.2.3 動力回路絕緣電阻測試方法

電動汽車先斷開高壓電，然后將12 V電氣系統的正、負極從蓄電池上取下并連接到車身地，再斷開RESS兩端與動力驅動電路的連接，將動力直流回路所有單元連接在一起，采用動力系統標稱電壓的1.5倍或500 V（DC）電壓，兩者取最大值。測量回路與車身地之間的絕緣電阻。

圖10是以某車型動力回路絕緣電阻測試案例，采用便攜式絕緣電阻儀進行測量。

2.3 動力回路的絕緣耐壓測試

測試動力回路與車身地之間的絕緣耐壓，具體步驟同動力回路絕緣電阻測試。其測試電壓采用表3中Ⅱ類設備的等級。在試驗中，不能發生絕緣體的擊穿，也不能出現閃絡。

2.4 防護等級測試

2.4.1 防護等級測試工具介紹

防護等級測試一般為2類:①測試手指（IPXXB）；②測試金屬棒 （IPXXD）。具體測試見圖11、 圖12。

2.4.2 防護等級要求

1）汽車充電口的防護等級要求 斷開充電耦合器，輸入口的電壓應≤30 V AC或60 V DC。如不滿足以上要求，則充電口需滿足IPXXB的要求。

2）外殼和防護柵的防護等級要求 防護柵/外殼最小滿足IPXXB。乘員廂和負載廂的外殼/防護柵最小滿足IPXXD。

3）連接器的防護等級要求 如果連接器可不用工具斷開，則在未匹配的情況下需滿足IPXXB。

2.4.3 測試案例

測試案例 （圖13、圖14）說明:把連接好的試指接觸端插入充電連接口處，萬用表一端接測試手指，另一端接觸被測回路，若不導通則說明接口滿足IPXXB的要求，反之不滿足。

2.5 等電勢測試

2.5.1 基本要求

所有能形成等電勢電流器件的部分，都應能承受在最長失效時間內的最大電流。任何電壓等級B級的電路中，人可觸碰到的裸露可導部件之間的等電勢電阻值必須不超過0.1 Ω。

2.5.2 測試方法

測試電流最小1 A，交流電壓＜30 V AC（直流電壓＜60 V DC），在兩個可導部件之間至少持續5 s的時間。測試部分要與其它未測量部分絕緣。測試部件必須包括電壓等級B級的支架。接地電阻測試儀如圖15所示。

等電勢測試中，采用不超過30 V的無負載電壓的電流源，將25 A交流電 （至少1 A）加在等電勢的接線上。通過分離的電纜及測試觸點 （四線測量）來測量試驗電流及電壓，以某車型配電箱外殼導電部位與車身地之間的等電勢電阻為例，如圖16、圖17所示。

2.6 泄漏電流測試

2.6.1 基本要求

1）充電情況下 主要模擬電動汽車在充電情況下裸露部件的外殼，也即汽車車身，測試車身地和大地之間的漏電流是否能造成對人身的危害。

2）非充電情況下 主要模擬電動汽車在正常運行或駐車等非充電情況下裸露部件的外殼，也即汽車車身，測試車身地和大地之間的漏電流是否能造成對人身的危害。

2.6.2 測試方法

1）充電狀態下 對于電動汽車，在充電時因車身通過地線與大地連接 （含慢充和快充），可看做Ⅰ類設備，這時可以進行接地電流測試，測試時需通過裝置斷開地線連接。模擬地線接觸不良，具體原理圖如圖18所示。

2）非充電狀態下 對于電動汽車，在充完電斷開充電裝置后，電動汽車無接地裝置，應看做Ⅱ類設備。對于Ⅱ類設備，需測試外殼泄漏電流，測試時建議上電、怠速，測試原理圖如圖19所示。

無論電動汽車在哪種狀態下，均需要測試導電外殼之間的泄漏電流，測試原理如圖20所示。

以上所有的電安全試驗，建議在最嚴酷條件下開展，例如下雨天。

3 結束語

電動汽車的安全是眾人關注的焦點，只有滿足了標準中的安全規定，才能保障車主的使用安全。本文僅解讀了電安全部分，其它如機械安全、化學安全、物理安全、氣候安全等部分限于篇幅，未進行闡述。

[1]ISO DIS 6469-3—2009，電動道路車輛 安全要求 第3部分:防止人員觸電[S].

[2]ISO DIS 6469-1—2009，電動道路車輛 安全要求 第1部分:車載儲能裝置[S].

[3]GB／T 18384.1—2001， 電動汽車 安全要求 第1部分: 車載儲能裝置[S].

[4]GB／T 18384.3—2001， 電動汽車 安全要求 第3部分: 人員觸電防護[S].

[5]IEC 61851，電動車輛傳導充電系統[S].

附:審稿意見及作者回復

1）網上下載的GB/T 18384標準文本中有 “本標準不適用于指導電動汽車的裝配、維護和修理”，這與論文內容是否有點沖突？

回復:GB/T 18384是一份電動汽車安全設計指導規范，我們本次的論文課題為 《電動汽車高壓電安全測試解讀》，測試是為了驗證設計，故論文的內容與標準不沖突。GB標準是設計要求，論文是解讀測試，是為了驗證產品的設計要求。GB標準中規定的其它安全設計要求，限于篇幅，未進行解讀。另外，已去掉文中 “維修”的內容，僅保留了消費者的相關使用內容。

2）國家還有GB/T 19751—2005，也是關于這方面的標準，為何沒有參考和引用？

回復:GB/T 19751—2005中的高壓電安全標準也是參考GB/T 18384，所以GB/T 18384為源頭標準。

3）文中提及的 “碰撞時的高壓安全”是制定電動車輛安全標準等全球標準的聯合國專門機構“世界車輛法規協調論壇 （WP29）”的碰撞安全工作組 “GRSP”在2009年12月舉行的第46次會議上，通過的電動車輛國際安全標準修正案中的內容。在這方面，想聽聽作者的高見。

回復:關于碰撞安全，我本人不是負責此方面的，故對此了解不深，不方便對此進行評論。我們有汽車安全方面的專家，后續如有機會可以邀請其做評論。