EV、HEV和PHEV車安全操作概述

路建強

EV、HEV和PHEV車安全操作概述

路建強

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)保和能源問題日漸嚴峻。為解決這些問題，高性能的環(huán)保車成了汽車發(fā)展的必然，改變了傳統(tǒng)汽車以燃油為主的時代，各大汽車研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出了純電動汽車（EV）、油電混合動力車（HEV）、外插充電式混合動力車（PHEV）及燃料電池車（FCV）。純電動汽車（EV）、油電混合動力車（HEV）的動力輸出方式如圖1、圖2所示。我國的汽車維修企業(yè)在對上述車型的維修準備還處于初期狀態(tài)，甚至空白等待階段，尤其是安全保護設施和人員安全作業(yè)知識、培訓方面需要全面投入，本文就EV、HEV、PHEV和FCV汽車的安全性和汽車維修企業(yè)如何做好安全操作進行全面闡述。

1 國內(nèi)外EV、HEV、PHEV車輛系統(tǒng)的電氣安全參照標準

目前國內(nèi)外的電動汽車安全標準已全面覆蓋汽車設計和維修領域，其中著名的有SAE（Society of Automotive Engineers美國工程師協(xié)會）安全系列標準和UL美國保險商實驗室（Underwriter Laboratories Inc.）發(fā)布的安全系列標準，例如關于高電壓線束SAEJ1654和SAEJ1673的設計指導標準，高壓連接器 SAEJ1742標準；1996年UL美國保險商實驗室發(fā)布了充電設備的標準UL 2202 Electric Vehicle Charging Equipment 和人員安全保護的標準UL 2231 Personnel Protection Systems for Electric Vehicle （EV）Supply Circuits；電動汽車耐撞的安全性則參照SAEJ1766及FMVSS 305。

在國家標準化管理委員會的協(xié)調(diào)和支持下， 國內(nèi)的電動汽車相關標準有：《電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分：通用要求》《電動汽車傳導充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口》《電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分：直流充電接口》《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》《電動汽車安全要求 第1部分：車載儲能安全》《電動汽車安全要求 第2部分：操作安全和故障防護》《電動汽車安全要求 第3部分：人員觸電防護》和《混合動力電動汽車安全要求》等標準。

2 EV、HEV和PHEV車的危險源

EV、HEV和PHEV車輛的電氣安全包括對人體潛在危險的電氣源（過大的電壓、電流），因此從系統(tǒng)設計的角度需要考慮保護人員不能遇到這種危險。在正常的操作條件下，電氣隔離通過物理分離（絕緣導線、外殼等保護機構）等方法保護人員的安全。在正常操作以外，環(huán)境條件和可能發(fā)生的意外事件都可能使得這種物理保護強度降低，尤其在能量轉換中會有更大的潛在危險，以油電混合動力車為例，在動力輸出和轉換過程中，發(fā)動機、發(fā)電機、動力控制單元和蓄電池通過動力分配裝置（POWER SPLIT DEVICE）實現(xiàn)動力輸出和儲備，核心部件動力控制單元通過交、直流轉換和逆變提供車輛動力和電量儲備。在動力傳輸和轉換變化中，將產(chǎn)生650 V及以上電壓，需要對隔離強度進行檢測。所以純電動車或混合動力車基本都采用危險電壓自動斷開、手動斷開、互鎖系統(tǒng)、專用工具和安全接地的多重保護，通過這些保護防止人員意外接觸危險電壓或防止不受控制的電壓對人員進行傷害。但從車輛維修和維護的角度，也需要一些手段保證維修人員在物理保護喪失的情況下，對整個系統(tǒng)進行接觸并進行調(diào)整。

我國明確規(guī)定交流電壓為25 V或直流電壓為 60 V即對人體產(chǎn)生潛在的威脅，參照美國工業(yè)安全標準為交流電壓為30 V和直流電壓為60 V即對人體產(chǎn)生潛在威脅，在車身警告標注時會略有不同。但由于電擊對人體的危害程度主要取決于通過人體電流的大小和通電時間的長短。電流強度越大，產(chǎn)生致命危險就越大；持續(xù)時間越長，死亡的可能性越大。根據(jù)歐姆定律可以得知流經(jīng)人體電流的大小與外加電壓和人體電阻有關。人體電阻除人的自身電阻外，還應附加上人體以外的衣服、鞋、褲等電阻，雖然人體電阻一般可達5 000 Ω，但是影響人體電阻的因素很多，如皮膚潮濕出汗、帶有導電性粉塵、加大與帶電體的接觸面積和壓力及衣服、鞋、襪的潮濕油污等情況，均能使人體電阻降低，所以通常流經(jīng)人體電流的大小是無法事先計算，維修人員操作時的保障就依靠防護用品了，常用的防護用品的相關參數(shù)見表1。

表1 常用的防護用品的相關參數(shù)

所有參與電能轉換的核心部件都包裹在堅固的金屬殼體內(nèi)，系統(tǒng)耐高壓能力體現(xiàn)在施加高電壓以后不會產(chǎn)生絕緣擊穿、跳火等現(xiàn)象。這類元件連接主要對象是線束、總線和連接器，在SAEJ2578中有詳細的說明和測試標準。

盡管電動車設計中設置了單個、多個電氣故障的安全保護設計，但是人們還是很關心單個故障和多個電氣件故障產(chǎn)生的安全隱患會對操作人員產(chǎn)生的傷害，電動車（EV/ HEV/PHEV）設計要求任何一個單個軟/硬件故障，或受過培訓的人員在不遵守某一項安全規(guī)定，不能使電動車對人員有安全威脅。從某種角度而言，這是一個非常高的要求，即在發(fā)生單項故障時系統(tǒng)需要有安全保護，這說明電動車電氣故障有安全保護但潛在的電能釋放危險依然存在。

電動車電路的自動切斷和手動切斷在設計中要求同時存在，同時電動車在危險電壓總線放電狀態(tài)，除了電源切斷外還在總線和各總成間設計訪問蓋互鎖，危險電壓閉鎖回路，充電接口的互鎖等方式。另外，除電路切斷的安全保護外，熔絲熔斷是保護線路和元件及人員的最后屏障，當然可以根據(jù)熔絲盒電路說明，用排除法檢查熔斷源。尤其高壓系統(tǒng)危險電壓自動斷開保護是所有保護的核心，在系統(tǒng)意外故障發(fā)生的時候，整個系統(tǒng)需要自動將整個系統(tǒng)的供電源和負載進行電氣分離。在清除了這些意外的條件以后，系統(tǒng)產(chǎn)生一個回復的信號，將整個系統(tǒng)重新連接起來。以下有幾個典型的自動斷開的功能輸入條件：汽車碰撞傳感器，檢測高電壓絕緣故障，危險電壓閉鎖回路斷開，電池輸出過流。需要注意的是，這個工作是在整車控制器內(nèi)完成的，是考慮將各種條件匯聚之后實施的安全保護措施。

EV、HEV和PHEV車發(fā)生電氣故障時會自動斷開電源并顯示故障警告、故障代碼，這是系統(tǒng)自動斷路器工作生成的。自動斷路器一般靠近高壓蓄電池（高壓源），以減少在斷電時候繼續(xù)蓄能的電路。自動斷路器具有自診斷的能力，將其內(nèi)部的故障檢測出來并予以顯示，如果不能正常工作則整個車需要特殊處理（手動斷電或其他）。

故障處理后，對復位自動斷路器復位要求操作者施加額外的信號，需要進行和危險電壓之間的電氣隔離。

這是由于自動斷路器需要處在常開的狀態(tài)下，在故障安全的條件下保證整個輸出源被切斷。自動斷路器即使是在相應的供電電壓過低的情況下也能操作。自動斷路器需要提供一個輸出信號，提前通知其他用電負載，使之能在斷電之前有響應提前進行操作。

在故障自動斷開操作無法確定時，可以使用手動斷開危險電壓。手動斷開位置和類型一般分單極和雙極，如果是單極斷開開關，將會處于高壓蓄電池中心位置；雙極斷開開關，則可以同時作用于斷開高壓蓄電池的正極和負極。操作手動斷開不需要專用的工具，僅僅依靠人員施加一定程度的力就可以完成。但要求操作者注意斷開開關也需要進行和危險電壓之間的電氣隔離，穿戴好防護隔離用具。

3 EV、HEV和PHEV車的維修過程中的注意事項

經(jīng)過上述分析，參考與安全相關的標準，結合具體的模塊的功能和必須采取的基本方法，詳細闡述EV、HEV和PHEV車的維修過程中的注意事項，希望能給維修企業(yè)實施安全生產(chǎn)起到幫助指導作用。

（1）識別顏色。所有高壓部件和連接導線均為橙色（圖3），在關鍵部件嚴禁觸碰和拆卸位置會標注警告標記（圖4），請仔細閱讀標記要求并按要求操作。

（2）安全檢測。觸電的危險的大小評估是取決于通過人體的電流值和持續(xù)發(fā)熱時間。這種身體有害電流的影響，如果直流不超過10 mA或交流不超過2 mA連續(xù)流動是安全的。安全運作通過電氣隔離的方式，在不確定維修設施和動力元件安全的狀態(tài)下，可以用絕緣電阻（insulation resistance）檢測方法證明安全性。絕緣電阻是指絕緣物在規(guī)定條件下的直流電阻，通常情況下加直流電壓于電介質，經(jīng)過一定時間極化過程結束后，流過電介質的泄漏電流對應的電阻稱絕緣電阻。絕緣電阻是電氣設備和電氣線路最基本的絕緣指標。對于低壓電氣裝置的交接試驗，常溫下電動機、配電設備和配電線路的絕緣電阻不應低于0.5 MΩ（對于運行中的設備和線路，絕緣電阻不應低于1 MΩ/kV）。低壓電器及其連接電纜和二次回路的絕緣電阻一般不應低于1 MΩ，在比較潮濕的環(huán)境不應低于0.5 MΩ，二次回路小母線的絕緣電阻不應低于10 MΩ。I類手持電動工具的絕緣電阻不應低于2 MΩ。在電動機額定負載工作到穩(wěn)定狀態(tài)時，其繞組與機殼之間的絕緣電阻Rm（單位為MΩ）應符合下列公式所表示的關系：

Rm≥U/（1 000+P/100）；

式中U——被試電動機繞組的額定電壓，單位為V；

P——被試電動機的額定功率，單位為kw。

（3）絕緣檢測。首先通過感應式測電筆檢測有無漏電情況，通過測電筆的電流(也就是通過人體的電流)很小，通常不到1 mA，這樣小的電流通過人體時，對人沒有傷害，而這樣小的電流通過測電筆的氖泡時，氖泡會發(fā)光。若顯示帶電指示燈亮，需要絕緣電阻檢測，在安全狀態(tài)下才能作業(yè)。

（4）嚴禁徒手接觸高壓部件和拔插高壓線接口（圖5）。

（5）必須嚴格按照使用絕緣專用工具和防護用具，在作業(yè)前必須在作業(yè)車輛上顯著位置擺放警示牌如圖，作業(yè)人員嚴禁穿戴金屬飾件，如手表、項鏈、耳環(huán)，防止金屬皮帶扣裸露；使用絕緣手套，換穿絕緣鞋，戴絕緣帽。

（6）嚴格使用專用絕緣配套工具操作（圖6），嚴禁使用非絕緣工具進行維修操作。

（7）必須嚴格按照維修手冊電源拆卸步驟操作：安全插頭拔出后等待5 min～10 min再開始操作。操作順序如圖7所示。

（8）防止高壓蓄電池泄漏威脅。高壓蓄電池總成密封在堅固的金屬殼體內(nèi)，有助于防止高電壓蓄電池的損壞。但在當蓄電池總成損壞或凝膠電解液泄露時，需要知道如何減輕損壞程度和如何預防人身不被傷害。

4 EV、HEV和PHEV車的維修過程中事故應急處理

（1）一旦凝膠電解液溢出或泄露，需要采取以下措施：

1）消除附近區(qū)域的所有火源，包括煙火、明火、火焰、火花等；

2）禁止碰觸泄露物質；

3）用沙子、土或不可燃材料覆蓋并吸收電解液；

4）將損壞的蓄電池和被污染的吸收材料放入金屬容器并按隔絕方法遠離人員。

（2）如果發(fā)現(xiàn)EV、HEV車高壓蓄電池產(chǎn)生濃煙、明火，應及時注意嚴格按消防要求操作。鋰離子聚合物蓄電池內(nèi)含有膠質體電解液，在溫度大于150 ℃時會排出氣體，并產(chǎn)生火花。這種燃燒為聚燃反應，應急處理很難控制，應立即撤除現(xiàn)場無關人員。燃燒釋放物為氟化氫、一氧化碳、二氧化碳等有害氣體，工作人員需要及時穿戴自給式呼吸器（SCBA）和全套防護用具。

（3）對于高電壓蓄電池的火災，可以采用干粉滅火器滅火；二氧化碳滅火器滅火；水噴淋滅火，但水量要大，注意防止泄漏物的擴散和污染；泡沫滅火器滅火，注意遮蔽泡沫的擴散。高壓設備上可以噴水，車輛的高電壓系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的12 V電器系統(tǒng)，和車身底盤不是整體，絕緣非常好。接近車輛起火點后，消防人員可以使用大水滅火。

（4）如果車輛和蓄電池組嚴重損壞，凝膠電解液產(chǎn)生泄漏，必須防止和嚴禁人員接觸，一旦發(fā)生人員在非保護狀態(tài)接觸電解液，必須立即采取以下安全措施：

1）急救人員要注意保護自己，清楚使用的材料符合絕緣和隔離要求；

2）將受害人移至新鮮空氣的空曠區(qū)域；

3）如發(fā)生受害人呼吸停止，請立即實施人工呼吸法施救；

4）呼吸困難的立即輸氧；

5）脫掉并隔離被污染的衣物和鞋子。

（5）車輛跨接起動處理。

1）人員準備：按標準要求穿戴好防護用具，如護目鏡、絕緣手套、絕緣鞋等，在維護車輛周圍設置防護欄和安全警示牌。被跨接車輛出現(xiàn)蓄電池電解液凍結和液位低的狀態(tài)，嚴禁跨接，否則會引起蓄電池損壞甚至爆炸。

2）打開（通常在后行李箱內(nèi)的）輔助蓄電池蓋確認輔助蓄電池類型（12 V），檢查確認負極位置和類型。

3）如果實施跨接起動（輔助蓄電池在另一車輛上，蓄電池類型相同），則需保持跨接車輛距離，禁止兩車互相接觸。

4）先跨接輔助蓄電池正極，再跨接輔助蓄電池正極，切勿使跨接線端子接觸到其他物體，在跨接端子時切勿將身體接觸或靠在蓄電池上。

5）跨接完成后起動跨接輔助車輛的發(fā)動機，并使發(fā)動機以2 000 r/min的轉速運轉，然后起動虧電車輛發(fā)動機，將點火開關轉至“混合動力準備就緒”位置，汽油發(fā)動機隨之起動，LDC給12 V輔助蓄電池再充電。

2016-10-20）