《電動汽車 安全要求》系列國家標準解讀

● 中國汽車技術研究中心 張英男

《電動汽車 安全要求》系列國家標準解讀

● 中國汽車技術研究中心 張英男

張英男

張英男，中國汽車技術研究中心標準化研究所工程師，從事電動汽車整車和安全領域標準研究和制修訂工作，GB/T18384-2015《電動汽車 安全要求》系列標準第一起草人。2013年獲中國汽車工業科學技術獎二等獎。

作為緩解能源壓力和減少溫室氣體排放的重要手段，電動汽車被視為汽車產業發展重要技術方向，近年來得到全球各國的重視并得到快速發展，中國在產業政策、科研支撐、財稅補貼和公安及交通管理方面均給予了電動汽車持續的較大力度的鼓勵和支持，中國電動汽車產品的使用和推廣正在快速的擴大。電動汽車區別于傳統汽車的主要特點就是在高電壓的環境下運行，因此高壓系統的安全性一直是行業研究和消費者關注的重中之重。

標準概況

作為電動車最為基礎和重要的標準之一，我國早在2005年就發布了GB/T 18384《電動汽車 安全要求》系列標準，主要參考了國際標準ISO 6469。該系列標準的出臺對于規范行業發展、保證產品質量、促進技術提升起到了非常重要的作用。隨著技術的不斷發展以及在產品應用和檢測方面越來越多的積累，我國在2010年啟動了對GB/T 18384系列標準的修訂工作，2013年提交全國汽車標準化技術委員會電動車輛分委會審查并通過，于2015年5月15日發布，并于2015年10月1日正式實施。

新修訂的GB/T 18384包括3個部分，分別是GB/T 18384.1—2015《電動汽車 安全要求 第1部分：車載可充電儲能系統》（以下簡稱第1部分）、GB/T 18384.2—2015《電動汽車 安全要求 第2部分：操作安全和故障防護》（以下簡稱第2部分）和GB/T 18384.3—2015《電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護》（以下簡稱第3部分）。該系列標準的適用范圍是車載驅動系統最大工作電壓是B級電壓的電動汽車。該范圍有兩個限定條件：電動汽車和B級電壓，也就是說，只要是電動汽車，并且其車載驅動系統的最大工作電壓在B級電壓的范圍內，則應滿足《電動汽車 安全要求》系列標準的要求。其中B級電壓是指交流大于30 V a.c.（rms）且小于等于1 000 V a.c.（rms），直流大于60 V d.c.且小于等于1 500V d.c.的電壓范圍。

標準解讀

1. 車載可充電儲能系統

第一部分的對象是車載可充電儲能系統（REESS，rechargeable energy storage system），REESS就相當于傳統汽車的油箱，是車輛驅動能源的來源，最典型的代表便是動力電池。超級電容器也屬于REESS，但燃料電池堆并不屬于REESS，因為它是電能的發生裝置，并不存儲電能。第一部分主要規定了REESS絕緣電阻、電氣間隙和爬電距離、有害氣體和有害物質排放、危害人員的熱量以及過電流斷開幾方面的要求，其中絕緣電阻測量和計算方法是修訂的重點。絕緣電阻測量前，應將REESS的高壓部分和低壓部分斷開，將低壓部分與車輛電平臺相連接，目的是不僅測量REESS與電平臺之間的絕緣電阻，還包括了與其低壓部分的絕緣電阻。REESS應先在的環境下準備8 h，而后在溫度，相對濕度，氣壓86kPa～106kPa的條件下進行測量。規定該試驗環境的目的是為了使被測設備達到露點，所以如果廠家和檢測機構有其他的準備和試驗條件可以使得被測設備很快的達到露點，則可以使用其他試驗條件。標準中規定測量階段是一個8 h的測量過程過程，并不是指測量一定要持續8 h，只要露點出現，并且捕捉到絕緣電阻可能的最小值，測量便可以結束。實驗過程如圖1所示。

REESS絕緣電阻的計算公式中，R0是已知電阻，正負極兩端有各自的絕緣電阻，標準將較小的一端定義為R2，既R1＞R2，U1＞U2。如圖2。

2005版標準中REESS絕緣電阻的計算公式是：

…………（1）

新修訂版本中的 REESS絕緣電阻計算公式是：

…………（2）

將U1、U2、U1'分別用Ub來表示，并帶入公式（1）和公式（2）可以得出，2005版的公式Ri相當于R1和R2并聯的阻值，新修訂版本中的公式Ri相當于R1和R2的較小值。在實際情況中，REESS正負極絕緣電阻并聯起作用的情況是不存在的，無故障的情況下兩側絕緣電阻串聯起作用，單點故障情況下絕緣電阻單側起作用。所以修訂后的計算公式更符合實際。

2. 車輛操作方面的安全要求以及進行故障防護的思路

第二部分主要規定了車輛操作方面的安全要求以及進行故障防護的思路。在操作安全方面，車輛的電源接通斷開程序中定義了車輛個的兩個狀態，分別是“驅動系統電源切斷狀態”和“可行駛模式狀態”，其中可行駛模式是指“當踩下加速踏板（或激活某種控制設備）或松開制動系統，車輛的驅動系統就可以移動車輛的模式”，這描述的是車輛驅動系統高壓電已經接通并且車輛已經掛入前進檔或倒車檔時的狀態。車輛各個狀態、驅動系統高壓電接通狀態和標準中規定的兩個狀態之間的對應見圖3。

圖1 REESS絕緣電阻測量過程

圖2 REESS絕緣電阻測量示意圖

圖3 接通斷開程序示意圖

圖4 電源接通程序中對2個不同動作的認定

圖5 單點失效防護舉例

圖6 觸電防護方法

標準中規定車輛從驅動系統電源切斷狀態到可行駛模式需要經過兩個不同的有意識的動作，對于這兩個動作的認定見圖4。

標準中對于功率降低顯示的規定目的是避免在車輛功率不足的情況下駕駛員對車輛有過多的動力要求而導致的潛在危險。舉例來說，如果驅動電機過熱，車輛便可能會限制驅動功率，此時駕駛員若想加速超車，則動力需求便得不到滿足，超車的持續時間會超過駕駛員的預期，這是一種非常危險的行車情況。如果有低功率提示的功能，駕駛員便可以知道車輛目前“心有余力不足”，便不會進行超車。此外，標準中規定“驅動功率的限制和降低影響到了車輛的行駛，該狀態應向駕駛員指示。”因此如果驅動功率的限制和降低不會影響車輛的行駛，則不必向駕駛員指示，例如混合動力電動汽車，驅動電機功率的限制可以通過內燃機來彌補，因此就不必設置低功率顯示這一功能。

在故障防護思路方面，標準引入了單點失效這一概念。單點失效是功能安全中的一項重要概念，源自國際標準ISO 26262。單點失效簡單來講就是系統中的一個點、一個部分、一個組件發生故障而導致的失效，在功能安全的設計理念中，是要通過多重或冗余的保護來保證單點失效不會影響系統的正常運作。具體到電動汽車，以車輛的絕緣系統為例，如圖5所示，由于另一側絕緣電阻的存在，高壓系統單側的絕緣失效并不會導致人員觸電。這便是一種對于單點失效的防護。

3. 人員觸電防護的要求

第三部分規定了人員觸電防護的要求。標準章節的設置分為：觸電防護的方法（6.1條-6.4條），對于以上方法的要求（6.5條-6.10條），對于以上要求的試驗驗證（第7章）。其中觸電防護的方法分為基本防護和單點失效情況下的防護，基本防護包括基本絕緣、遮擋或外殼，單點失效情況下的防護包括絕緣電阻、電位均衡、電容耦合、斷電以及其他電機防護方法。其邏輯見圖6所示。

電位均衡的目的是當基本防護方法失效的情況下，保證電流流過電位均衡通路，而不流過人體。電位均衡的通路可通過焊接或金屬緊固件等方式實現。

對于絕緣電阻的要求，標準將電路分為“非傳導連接到電網的B級電壓電路”和“傳導連接到電網的B級電壓電路”，因為二者可能有不同的工作電壓和工作環境，因此絕緣電阻的要求亦不同。舉例來說如何區分兩種電路。交流充電采用隔離式車載充電機的情況，車載充電機隔離線圈后部的整個電路（圖中紅色部分）均是非傳導連接到電網的B級電壓電路，車載充電機隔離線圈前部到接口的電路是傳導連接到電網的B級電壓電路（圖中藍色部分）。如圖7所示。

交流充電采用非隔離式車載充電機的情況，整個車載高壓系統均是傳導連接到電網的B級電壓電路。如圖8所示。

直流充電的情況，由于采用的是非車載充電機，因此整個車載高壓系統均是非傳導連接到電網的B級電壓電路。如圖9所示。

此外，感應充電自然也是整個車載高壓系統均為非傳導連接到電網的B級電壓電路。

標準中還提出了對電容耦合的要求。絕緣電阻可以限制從電池流過人體的電流，但無法限制從Y電容流過人體的電流，詳見圖10。電容耦合保證了從Y電容流過人體的電流在安全電流的范圍內。

除了以上觸電防護方法，如果車輛B級電壓電路出現問題，車輛還可以采用自動斷電的方式對人員觸電進行防護。但考慮到車輛復雜的運行情況，自動斷電的方法并不推薦。例如車輛在高速行駛，如果在駕駛員毫無防備的情況下車輛突然斷電，很可能釀成較嚴重的交通事故。因此，自動斷電的方案是由廠家根據自身的控制策略選擇性的提供。

《電動汽車 安全要求》系列標準的修訂對于提高我國電動汽車產品質量，改善試驗能力和試驗水平，促進電動汽車技術進步具有十分積極的作用。相信在國家進一步推動電動汽車產業化，擴大市場化規模，以及在保證人民和財產安全方面均會發揮重要的作用。■

圖7 交流充電采用隔離充電機

圖8 交流充電采用非隔離充電機

圖9 直流充電

圖10 電容耦合的目的