電動汽車高壓電安全系統(tǒng)設(shè)計要求（接觸防護(hù)）

秦振海，耿志勇，李雋杰

（1.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200；2.陸軍裝備部車船局駐西安地區(qū)軍代室，陜西 西安 710200）

電動汽車是指由搭載蓄電池提供電力驅(qū)動的汽車，工作電壓高達(dá)幾百伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全電壓。一旦高壓電路發(fā)生絕緣、短路及漏電等情況，直接危及駕乘人員的生命安全。因此電動汽車高壓安全設(shè)計顯得尤為重要。

1 高壓電安全設(shè)計

1.1 防護(hù)設(shè)計

電動汽車車身及各大總成應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，一方面來抵抗發(fā)生碰撞時造成的沖擊，另一方面防止二次事故的發(fā)生。

1.2 高壓部件的要求

1.2.1 高壓部件的殼體強(qiáng)度要求

參考GB 11551－2014的《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》及GB 20071－2006的《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》碰撞試驗條件要求初速度為50km／h，瞬間撞擊能量可達(dá)到30～60kJ，預(yù)抵抗吸收如此大的撞擊能量，對整車駕駛室、車架、側(cè)防護(hù)及高壓部件機(jī)械強(qiáng)度有很嚴(yán)格的要求。

一般高壓部件的殼體強(qiáng)度要求應(yīng)能承受不低于10 kPa的壓強(qiáng)，不發(fā)生明顯的塑性變形。

1.2.2 高壓電源的安裝位置要求

高壓電源 （動力蓄電池、增程器、氫燃料反應(yīng)堆）最好安裝在車架的兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后，在很大程度上可減輕或防止外部碰撞造成的損傷。如整車布置沒法滿足此要求，必須在高壓電源的外圍另外增加高強(qiáng)度輔助防護(hù)圍擋。圖1為奔馳eTruck Concpet卡車動力蓄電池組的布置情況。

圖1 奔馳eTruck Concpet卡車動力蓄電池組的布置

1.3 高壓電纜的防護(hù)

電動汽車高壓電纜是高壓系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，對其進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，為提示和警示維修人員，高壓電纜應(yīng)采用橙色電纜并用橙色波紋管對其進(jìn)行防護(hù)。同時高壓連接器外殼也應(yīng)標(biāo)識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器防水、防塵要求應(yīng)達(dá)到IP67防護(hù)等級。高壓電纜的防護(hù)，對于凸緣、棱角處，使用適當(dāng)膠圈進(jìn)行保護(hù)，對于車架外與支架接觸的高壓電纜總成，須額外增加高壓電纜耐磨抗沖擊保護(hù)材料，防止發(fā)生碰撞對高壓電纜的損傷。

1.3.1 波紋管的要求

因電動汽車使用過程中有高電壓、大電流的特性，并且高壓電纜在外界環(huán)境溫度 （高溫）下和自身在大電流的作用下，經(jīng)過熱量累積高壓電纜溫度可以達(dá)到130℃以上，高壓電纜長時間處于高溫工作狀態(tài)下，車輛停下來后又溫度急劇下降，因此，對波紋管溫度交變性能和基溫性能要求比較高。

1.3.2 高壓電纜耐磨抗沖擊保護(hù)材料的要求

當(dāng)電動汽車發(fā)生碰撞時，首當(dāng)其沖受到損傷的是高壓電纜，如果不對高壓電纜采取耐磨抗沖擊保護(hù)措施，高壓電路發(fā)生絕緣、短路及漏電等情況時，直接危及駕乘人員的生命安全。因此，對高壓電纜耐磨抗沖擊保護(hù)材料的要求是：①抗磨損、耐沖擊能力強(qiáng)；②具有良好的散熱通風(fēng)能力，保證高壓電纜在大電流的作用下熱量散發(fā)到大氣中。

表1為通過撞擊試驗后不同防護(hù)材料高壓電纜損傷情況對比。

表1 撞擊試驗后不同防護(hù)材料高壓電纜損傷情況對比

1.4 過電流及短路保護(hù)

在高壓系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)設(shè)置過載或短路的保護(hù)部件，即在相關(guān)回路中設(shè)置高壓熔斷器，以下為高壓熔斷器選型過程。

1.4.1 高壓熔斷器選用時考慮的因素

在選用高壓熔斷器時，應(yīng)充分考慮熔斷器的熔斷特性曲線 （即預(yù)期電流與有效熔斷時間之間的函數(shù)關(guān)系）、0．15%功率因數(shù)時的總焦耳積分I2t、峰值弧電壓UL及負(fù)載特性 （如電機(jī)類長時制、短時制、電阻類）。

1.4.2 高壓熔斷器選用要求

1）高壓熔斷器的額定電壓應(yīng)大于等于電源電壓。

2）高壓熔斷器應(yīng)能耐受正常負(fù)荷和正常負(fù)荷的浪涌電流 （如：變壓器的勵磁峰值電流、電動機(jī)的啟動電流、電容器充電電流等）。

3）高壓熔斷器應(yīng)能在要求的時間內(nèi)分?jǐn)啾槐Ｗo(hù)電路的最小短路電流。

4）高壓熔斷器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于被保護(hù)電路的最大短路電流。

5）高壓熔斷器不得運行于時間電流／熔斷曲線的虛線段。1.4.3 高壓熔斷器選用步驟

1）確定高壓熔斷器的額定電流 根據(jù)負(fù)荷類型及負(fù)荷額定電流確定高壓熔斷器的額定電流。高壓熔斷器的額定電流相應(yīng)的對照其熔斷特性曲線如圖2所示。

式中：IF——高壓熔斷器的額定電流；KP——保險系數(shù)；IL——負(fù)荷額定電流。

當(dāng)負(fù)荷為永磁同步電機(jī)時，KP取值1．5～2．5；當(dāng)負(fù)荷為三相異步交流電機(jī)時，KP取值3．0～4．0；當(dāng)負(fù)荷為變壓器時，KP取值1．3～1．5；當(dāng)負(fù)荷為其他類型負(fù)載時，KP取值1．2。

2）校核高壓熔斷器的總焦耳積分QEg根據(jù)負(fù)荷實際運行工作電壓值，選取圖3對應(yīng)的矯正因數(shù)K，計算總焦耳積分I2t。

式中：QEg——實際運行工作電壓下的總焦耳積分；I——負(fù)荷額定電流；t——有效熔斷時間；Q——額定電壓下高壓熔斷器的總焦耳積分。

3）校核高壓熔斷器的弧電壓UL根據(jù)負(fù)荷實際運行工作電壓值，由圖4對應(yīng)曲線查表得到高壓熔斷器的弧電壓UL。

式中：UL——高壓熔斷器的弧電壓；UL——高壓熔斷器的額定工作電壓。

圖2 高壓熔斷器熔斷特性曲線圖

圖3 實際工作電壓下對應(yīng)的矯正因數(shù)K

圖4 負(fù)荷額定工作電壓與高壓熔斷器的弧電壓對應(yīng)曲線

1.5 直接接觸防護(hù)要求

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

常規(guī)的防直觸有兩類：防止手指觸摸達(dá)到IPXXB要求（如維修插頭、插接器充電插座等）；防金屬探針觸摸達(dá)到IPXXD要求 （如高壓配電箱、高壓蓄電池箱）。

最為重要的是上述保護(hù)裝置不得在未使用工具的情況下被打開、拆開或移除。

1.6 高壓互鎖監(jiān)測及保護(hù)設(shè)計要求

高壓互鎖監(jiān)測及保護(hù)回路設(shè)計必須滿足如下的設(shè)計要求：①高壓互鎖監(jiān)測及保護(hù)回路必須保證互鎖回路形成閉環(huán)連接，高壓電路通斷徹底；②高壓回路的所有高壓連接器在不使用工具或者無意識的情況下，不能被打開、分離或斷開；③ 高壓互鎖監(jiān)測及保護(hù)回路應(yīng)該有安全冗余設(shè)計。

1.6.1 充電插頭插座的高壓互鎖設(shè)計要求

充電插頭插座的高壓互鎖設(shè)計應(yīng)滿足如下要求。

1）交流充電電流大于16 A時，供電接口和車輛接口應(yīng)具有鎖止功能的電子鎖止裝置，防止充電過程中的意外斷開；當(dāng)電子鎖止裝置未可靠鎖止時，供電設(shè)備或電動汽車應(yīng)停止充電或不啟動充電。

2）直流充電時，車輛接口應(yīng)具有鎖止功能，車輛插頭端應(yīng)安裝機(jī)械鎖止裝置，供電設(shè)備應(yīng)能判斷機(jī)械鎖是否可靠鎖止；車輛插頭應(yīng)安裝電子鎖止裝置，電子鎖處于鎖止位置時，機(jī)械鎖應(yīng)無法操作，供電設(shè)備應(yīng)能判斷電子鎖是否可靠鎖止；當(dāng)機(jī)械鎖或電子鎖未可靠鎖止時，供電設(shè)備應(yīng)停止充電或不啟動充電。

3）電子鎖止裝置應(yīng)具備應(yīng)急解鎖功能，不應(yīng)帶電解鎖且不應(yīng)由人手直接操作解鎖。圖5為奔馳eTruck Concpet卡車應(yīng)急解鎖系統(tǒng)，其操作次序也具有互鎖功能，先按動圖中紅色按鈕1，啟動高壓斷電回路，斷開高壓電池及充電機(jī)的高壓電的同時圖中黑色按鈕上電 （低壓電），按動圖中黑色按鈕2，啟動開啟電子鎖止裝置。具有先下高壓電后才能解開電子鎖止裝置的互鎖功能。

圖5 奔馳eTruck Concpet卡車應(yīng)急解鎖系統(tǒng)

1.6.2 維修開關(guān)的高壓互鎖設(shè)計要求

電動汽車應(yīng)配備一個具有高壓互鎖功能的手動維修開關(guān)來斷開車載動力電源 （例如：動力蓄電池、增程器等）。當(dāng)車輛因維修保養(yǎng)或故障時，不能確保高壓系統(tǒng)絕緣時，該開關(guān)能夠切斷高壓動力電路系統(tǒng)之前先斷開高壓負(fù)載。

1.6.3 維修開關(guān)的安裝位置設(shè)計要求

維修開關(guān)安裝位置一般要求安裝在兩組動力蓄電池中間位置，這樣可以最大限度地避免在維修保養(yǎng)時高壓觸電事故的發(fā)生。

維修開關(guān)安裝位置一般有2種，一種是位于動力蓄電池組的正極，見圖6；另一種是位于兩組動力蓄電池中間位置，見圖7。

圖6 維修開關(guān)位于動力蓄電池組的正極

圖7 維修開關(guān)位于兩組動力蓄電池中間位置

圖7 維修開關(guān)安裝位置優(yōu)于圖6安裝位置，一方面圖7中的維修開關(guān)將動力蓄電池組分為兩部分，其電壓值降低很多，從而降低電壓對人體危害程度，另一方面，假如圖中（2） 號節(jié)點與底盤搭接，圖6中接觸到 （3）、（4）、（5）、（6）號節(jié)點都有觸電的風(fēng)險；而圖7中只有接觸到 （3）號節(jié)點才有觸電的風(fēng)險，大大降低了觸電事故的發(fā)生。

2 間接接觸防護(hù)

2.1 等電位連接

等電位連接是把屬于高壓部件暴露的導(dǎo)電部分 （如外殼保護(hù)蓋，分隔板）互相連在一起，并連接到車輛底盤。對于屬于高壓部件的導(dǎo)電蓋或外殼，應(yīng)具有相同的等電位。可以采用導(dǎo)線 （編織銅帶）連接高壓零部件的外殼與地，以達(dá)到等電位；零部件也可通過支架與車身相連達(dá)到等電位的效果。圖8為高壓部件等電位連接實例。

圖8 高壓部件等電位連接實例

2.2 等電位連接設(shè)計意義

汽車車身、底盤其本身就是一個大的等電位平臺，如果沒有等電位連接，在高壓系統(tǒng)中，各個高壓零部件相互獨立，又各個高壓零部件外殼內(nèi)阻不相同，一旦出現(xiàn)絕緣故障問題，一方面其潛在危險不易檢測，對人身安全造成威脅；另一方面因各個高壓零部件的電參數(shù)不一樣，對絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的探頭安裝也不利，對監(jiān)測出來的絕緣電阻值誤差也比較大。以圖9、圖10為例加以說明，在圖9中，假設(shè)高壓部件1殼體對電源負(fù)極出現(xiàn)絕緣故障，高壓部件2殼體對電源正極出現(xiàn)絕緣故障，如果此時維修人員同時觸及高壓部件1、2時，會有高壓觸電事故的發(fā)生。對于絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的布置安裝，同時需要3個探頭才能對整車的絕緣電阻進(jìn)行實時監(jiān)測。在圖10中，假設(shè)高壓部件1殼體對電源負(fù)極出現(xiàn)絕緣故障，高壓部件2殼體對電源正極出現(xiàn)絕緣故障，如果此時維修人員同時觸及高壓部件1、2時，高壓部件1、2殼體處于等電位平臺，而人體的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高壓部件1與2殼體的電阻，高壓部件1與2殼體的電阻達(dá)到毫歐級別，可以忽略不計，此時高壓回路處于短路狀態(tài)，動力蓄電池組內(nèi)的熔斷絲熔斷，保護(hù)高壓電路，避免安全事故的發(fā)生。對于絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的布置安裝而言，只需1個探頭對等電位連接點進(jìn)行監(jiān)控，便能實現(xiàn)對整車高壓系統(tǒng)的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)控。

圖9 無等電位連接的高壓電路

圖10 有等電位連接的高壓電路

2.3 等電位連接電阻要求

高壓部件至車身搭鐵任意一點之間的等電位電阻≤100 mΩ；高壓部件至其最近車身搭鐵之間的等電位電阻≤40 mΩ；非直連車身搭鐵的高壓部件，與其相鄰支架或其他接觸部件之間的等電位電阻≤10 mΩ。

2.4 保護(hù)搭鐵

在交流電網(wǎng) （電源）搭鐵端子，直流電網(wǎng) （電源）搭鐵端子和車輛插頭的搭鐵端子之間應(yīng)提供保護(hù)搭鐵導(dǎo)體。

保護(hù)搭鐵是將電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分用保護(hù)線與大地連接防護(hù)措施，保護(hù)搭鐵一般應(yīng)用在電動汽車充電系統(tǒng)中。圖11所示為交流充電系統(tǒng)對電動汽車車身采用保護(hù)搭鐵措施，即在供電設(shè)備端利用PE線直接搭鐵，充電設(shè)備充電插頭與電動汽車充電插座的PE端相連，車載充電機(jī)與車輛插座的PE端共同連接到車身搭鐵，這樣車輛和充電系統(tǒng)形成TT網(wǎng)。此時如果人員站在車輛底盤接觸到帶有危險電壓的設(shè)備外殼 （如圖11中所示的車載充電機(jī)），由于保護(hù)線PE的電阻很小，故人體兩端承受的電壓也很小，通過人體的漏電流也就會很小 （漏電流都由PE線經(jīng)大地流回電網(wǎng)），從而使得人員的間接電擊危險性大大降低。

圖11 保護(hù)搭鐵對人員的防護(hù)

保護(hù)搭鐵線顏色一般為黃綠雙色線，設(shè)備保護(hù)搭鐵點一般在設(shè)備的連接處，應(yīng)有搭鐵標(biāo)示符號，并可靠連接。

2.5 保護(hù)搭鐵導(dǎo)體最小截面積要求

為了確保充電過程中接觸觸電安全，一方面保護(hù)搭鐵導(dǎo)體與搭鐵極的連接應(yīng)牢靠，且有良好的導(dǎo)電性能，這種連接應(yīng)采用鋁熱焊、壓接器或其它機(jī)械連接器，才能保證流過人體的漏電流不超過2 mA（交流）；另一方面，對保護(hù)搭鐵導(dǎo)體其最小截面積應(yīng)滿足表2的要求。

表2 搭鐵導(dǎo)體的最小截面積

2.6 電氣隔離

電氣隔離主要對電動汽車電機(jī)控制器高壓輸入母線與底盤之間進(jìn)行隔離，一般采用高壓瓷片電容，即Y電容，這些電容的值在幾nF，也是為了確保流過人體的漏電流不超過10 mA （直流）。

3 總結(jié)

以上介紹了電動汽車的高壓系統(tǒng)及部件的高壓電安全-防護(hù)接觸方面采取的措施，是我們在吸收國內(nèi)外汽車廠家先進(jìn)經(jīng)驗、技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過實際工作總結(jié)出來的，并提出一整套針對高壓系統(tǒng)及部件的高壓電安全-防護(hù)接觸的設(shè)計方法和要求，對電動汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計具有一定的參考和借鑒作用。