一、純電動(dòng)汽車(chē)電氣系統安全分析

純電動(dòng)轎車(chē)電氣系統主要包括低壓電氣系統、高壓電氣系統及 CAN 通訊信息網(wǎng)絡(luò )系統。

1、低壓電氣系統采用 12 V 供電系統，除了為燈光照明系統、娛樂(lè )系統及雨刷器等常規低壓用電器供電外，還為整車(chē)控制器、電池管理系統、電機控制器、DC/DC 轉換器及電動(dòng)空調等高壓附件設備控制回路供電；

2、高壓電氣系統主要包括動(dòng)力電池組、電驅動(dòng)系統、DC/DC 電壓轉換器、電動(dòng)空調、電暖風(fēng)、車(chē)載充電系統、非車(chē)載充電系統及高壓電安全管理系統等；

3、CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統用來(lái)實(shí)現整車(chē)控制器和電機控制器、以及電池管理系統、高壓電安全管理系統、電動(dòng)空調、車(chē)載充電機和非車(chē)載充電設備等控制單元之間的相互通信。

純電動(dòng)汽車(chē)電壓和電流等級都比較高，動(dòng)力電壓一般都在 300～400 V（直流），電流瞬間能夠達到幾百安。人體能承受的安全電壓值的大小取決于人體允許通過(guò)的電流和人體的電阻。有關(guān)研究表明，人體電阻一般在 1 000～3 000 Ω。人體皮膚電阻與皮膚狀態(tài)有關(guān)，在干燥、潔凈及無(wú)破損的情況下，可高達幾十千歐，而潮濕的皮膚，特別是受到操作的情況下，其電阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我國安全電壓多采用 36 V，大體相當于人體允許電流 30 mA、人體電阻 1 200 Ω的情況。所以要求人體可接觸的電動(dòng)汽車(chē)任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。根據國際電工標準的要求，人體沒(méi)有任何感覺(jué)的電流安全閾值是 2 mA，這就要求人體直接接觸電氣系統任何一處的時(shí)候，流經(jīng)人體的電流應該小于2 mA 才認為整車(chē)絕緣合格。

因此，在純電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應特別考慮電氣系統絕緣問(wèn)題，嚴格按照電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)國標標準要求設計，確保絕緣電阻能夠滿(mǎn)足人身安全需求，保證絕緣電阻值大于 100 Ω/V。

二、電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統安全設計概述

相對于傳統汽車(chē)而言，純電動(dòng)汽車(chē)采用了大容量、高電壓的動(dòng)力電池及高壓電機和電驅動(dòng)控制系統，并采用了大量的高壓附件設備，如：電動(dòng)空調、PTC 電加熱器及 DC/DC 轉換器等。由此而隱藏的高壓安全隱患問(wèn)題和造成的高壓電傷害問(wèn)題完全有別于傳統燃油汽車(chē)。

根據純電動(dòng)汽車(chē)的特殊結構及電路的復雜性，并考慮純電動(dòng)汽車(chē)高壓電安全問(wèn)題，必須對高壓電系統進(jìn)行安全、合理的規劃設計和必要的監控，這是電動(dòng)汽車(chē)安全運行的必要保證。

1、高壓系統構成

圖1示出純電動(dòng)汽車(chē)高壓系統框圖。作為純電動(dòng)汽車(chē)高壓系統安全管理的單元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是實(shí)現該系統功能的重要保證。

2、高壓電氣安全系統的總目標

高壓電氣系統控制與安全管理和故障診斷的總目標是確保純電動(dòng)汽車(chē)在靜止、運行及充電等全過(guò)程的高壓用電安全。

三、高壓電氣系統安全設計

根據純電動(dòng)汽車(chē)安全標準要求，并從車(chē)載儲能裝置、功能安全、故障保護、人員觸電防護及高壓電安全管理控制策略等方面綜合考慮，應對電動(dòng)汽車(chē)高壓電系統進(jìn)行以下四方面設計。

1、 高壓電電磁兼容性設計

由于純電動(dòng)汽車(chē)上存在高壓交流系統，具有較強的電磁干擾性，因此高壓線(xiàn)束設計時(shí)電源線(xiàn)與信號線(xiàn)盡量采用隔離或分開(kāi)配線(xiàn)；電源線(xiàn)兩端考慮采用隔離接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合將噪聲耦合至信號線(xiàn)；輸入與輸出信號線(xiàn)應避免排在一起造成干擾；輸入與輸出信號線(xiàn)盡量避免在同一個(gè)接頭上，如不能避免時(shí)應將輸入與輸出信號線(xiàn)錯開(kāi)放置。

2、 高壓部件和高壓線(xiàn)束的防護與標識設計

高壓部件的防護主要包括防水、機械防護及高壓警告標識等。尤其是布置在機艙內的部件，如電機及其控制系統、電動(dòng)空調系統、DC/DC 電壓轉換器、車(chē)載充電機等及它們中間的連接接口，都需要達到一定的防水和防護等級。并且高壓部件應具有高壓危險警告標識，以警示用戶(hù)與維修人員在保養與維修時(shí)注意這些高壓部件。

由于純電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)束包括低壓線(xiàn)束與高壓線(xiàn)束，為提示和警示用戶(hù)和維修人員，高壓線(xiàn)束應采用橙色線(xiàn)纜并用橙色波紋管對其進(jìn)行防護。同時(shí)高壓連接器也應標識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應達到 IP67 防護等級。

3、預充電回路保護設計

因為高壓設備控制器輸入端存在大量的容性負載，直接接通高壓主回路可能會(huì )產(chǎn)生高壓電沖擊，故為避免接通時(shí)的高壓電沖擊，高壓系統需采取預充電回路的方式對高壓設備進(jìn)行預充電。圖 2 示出純電動(dòng)汽車(chē)高壓系統預充電回路原理圖。

4、高壓設備過(guò)載/短路保護設計

當汽車(chē)高壓附件設備發(fā)生過(guò)載或線(xiàn)路短路時(shí)，相關(guān)高壓回路應能自動(dòng)切斷供電，以確保高壓附件設備不被損壞，保證汽車(chē)和駕乘人員的安全。因此在高壓系統設計中應設置過(guò)載或短路的保護部件，如在相關(guān)回路中設置保險和接觸器，當發(fā)生過(guò)載或短路而引起保險或接觸器短路時(shí)，高壓管理系統會(huì )通過(guò)對接觸器觸點(diǎn)和相關(guān)控制接觸器閉合的有效指令進(jìn)行綜合判定，若檢測出相關(guān)電路故障，高壓管理系統會(huì )發(fā)出聲光報警以提示駕駛員。

5、故障檢測與故障處理方法

1）絕緣電阻故障處理

電動(dòng)汽車(chē)電氣化程度相對傳統汽車(chē)要高，其中像電池包、電驅動(dòng)系統、高壓用電輔助設備、充電機及高壓線(xiàn)束等在汽車(chē)發(fā)生碰撞、翻轉及汽車(chē)運行的惡劣環(huán)境（汽車(chē)振動(dòng)、外部環(huán)境濕度及溫度）影響下，都有可能導致高壓電路與汽車(chē)底盤(pán)間的絕緣性能降低，由此可能造成汽車(chē)火災的發(fā)生，直接影響汽車(chē)駕乘人員的生命安全。因此，在電動(dòng)汽車(chē)高壓系統設計時(shí)，首先應確保絕緣電阻值大于 100 Ω/V；其次當汽車(chē)發(fā)生絕緣電阻值低于規定值時(shí)，高壓管理系統應及時(shí)切斷所有的高壓回路并發(fā)出聲光報警，并持續一定時(shí)間待原先故障消失后，汽車(chē)才能允許進(jìn)行下一次上電。高壓電路進(jìn)行絕緣檢測具體實(shí)施標準參照國標《電動(dòng)汽車(chē)安全要求第 1 部分：車(chē)載儲能裝置》。

2）電壓檢測與故障處理

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源是動(dòng)力電池，動(dòng)力電池的電壓與其放電能力和放電效率有很大的關(guān)系。當動(dòng)力電池電壓處于低電壓時(shí)仍大電流放電，將會(huì )損壞高壓用電設備并會(huì )嚴重影響電池使用壽命。當檢測到電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，應及時(shí)切斷相關(guān)回路。因此為了保障純電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力蓄電池低壓時(shí)用電器及動(dòng)力蓄電池和駕乘人員的安全，需要設計電壓檢測電路對高壓電路系統工作電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)準確的檢測和安全合理的故障處理

3）電流檢測與故障處理

汽車(chē)由于受到運行道路環(huán)境及駕駛員操控的影響，汽車(chē)運行狀態(tài)會(huì )隨時(shí)發(fā)生變化，動(dòng)力電池的放電電流會(huì )隨駕駛員的操控而發(fā)生明顯變化。當電流超過(guò)預設定的允許范圍，就會(huì )引起溫度過(guò)分升高，此時(shí)不僅影響電池的壽命，而且極端情況下還會(huì )引起異常的反應，造成汽車(chē)功率器件的損壞，危及汽車(chē)高壓系統安全。因此，這就要求高壓管理系統需對動(dòng)力電池實(shí)時(shí)進(jìn)行電流監控，當檢測到電流異常時(shí)，高壓管理系統將會(huì )及時(shí)切斷所有高壓回路并發(fā)出聲光報警，提示駕乘人員和其他汽車(chē)。為了提高測量的準確度和精確度，文章選取霍爾式電流傳感器對動(dòng)力電池充放電電流進(jìn)行檢測，如圖 3 示出霍爾式電流傳感器原理圖。

4）高壓接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)檢測與故障處理

為實(shí)現純電動(dòng)汽車(chē)的控制功能和高壓電路的可自行切斷保護功能，在電動(dòng)汽車(chē)的高壓系統中必須配置可控制的并且有自我保護切斷高壓回路功能的高壓接觸器。根據整車(chē)設計的需求，任何電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力主回路中都會(huì )配置高壓接觸器，如果高壓接觸器觸點(diǎn)發(fā)生閉合或斷開(kāi)失效時(shí)，沒(méi)有相應的正確處理方式應對，將有可能引起不正常的控制而造成汽車(chē)不能正常啟動(dòng)或不能啟動(dòng)。嚴重的情況下，將會(huì )給汽車(chē)和人身安全造成危險。鑒于上述問(wèn)題的嚴重性，應對高壓接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行安全有效的實(shí)時(shí)監控，并對故障進(jìn)行處理。當高壓接觸器觸點(diǎn)發(fā)生閉合或斷開(kāi)失效故障時(shí)，高壓管理系統會(huì )發(fā)出聲光報警，以提示操作人員并根據故障的級別控制汽車(chē)是否可進(jìn)行其他操作。

5）高壓互鎖回路檢測及故障處理

高壓回路互鎖功能設計是針對高壓電路連接的可靠程度提出的。危險電壓閉鎖回路也稱(chēng)為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個(gè)典型的互鎖系統，通過(guò)使用電氣的信號，來(lái)檢查整個(gè)模塊、導線(xiàn)及連接器的電氣完整性 。當高壓安全管理系統檢測到某處連接斷開(kāi)或某處連接沒(méi)有達到預期的可靠性時(shí)，安全管理系統將直接或通過(guò)整車(chē)控制器切斷相關(guān)動(dòng)力電源的輸出并發(fā)出聲光報警,直到該故障完全排除。如圖 4 示出高壓互鎖回路檢測原理圖。

6）充電互鎖檢測及故障處理

出于安全考慮，充電時(shí)，整個(gè)驅動(dòng)系統都需要處于斷電狀態(tài)，即驅動(dòng)系統高壓接觸器需處于斷開(kāi)狀態(tài)，當高壓安全管理系統接收到有效的充電信息指令后，高壓管理系統首先檢測驅動(dòng)系統相關(guān)接觸器是否處于斷開(kāi)狀態(tài)。若處于斷開(kāi)狀態(tài)則閉合充電回路相關(guān)接觸器。否則，充電接觸器將不會(huì )閉合，高壓管理系統將發(fā)出聲光報警以提示相關(guān)人員，直至故障排除。

6、高壓系統余電放電保護設計

由于高壓系統的電機控制器和電動(dòng)空調等高壓部件存在大量的電容。當高壓主回路斷開(kāi)時(shí)，因高壓部件電容的存在，高壓系統中還存有很高的電壓和電能。為避免對人員和汽車(chē)造成危害，在切斷高壓系統后應將電容的高壓電通過(guò)并聯(lián)在高壓系統中的電阻釋放掉。

四、靜止停放時(shí)安全管理概述

汽車(chē)靜止停放時(shí)，每隔一定時(shí)間（20 s 或 30 s）高壓安全管理系統需對高壓電網(wǎng)系統進(jìn)行 1 次絕緣測量，即判別高壓電網(wǎng)系統有無(wú)絕緣故障，整個(gè)高壓回路系統包括動(dòng)力電池內部、動(dòng)力線(xiàn)、電驅動(dòng)系統（電機控制器和電機三相線(xiàn)）及連接高壓設備附件的導線(xiàn)。當檢測到有絕緣故障且故障一直存在時(shí)，儀表便會(huì )顯示絕緣故障指示，以提示駕駛員。

五、碰撞安全概述

通常，電動(dòng)汽車(chē)采用了高達 400 V 左右的大容量動(dòng)力電池作為驅動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，因而電力未切斷的動(dòng)力電池會(huì )對汽車(chē)和人員造成不容忽視的威脅和傷害 。若汽車(chē)在行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞、翻滾或在充電狀態(tài)中被其他汽車(chē)撞擊等意外事故，將會(huì )使動(dòng)力電池組、高壓用電設備及高壓線(xiàn)束等與車(chē)身之間發(fā)生摩擦或接觸，造成潛在的絕緣失效和短路等危險。為避免由于上述狀況而引起的汽車(chē)安全問(wèn)題，可通過(guò)一些相關(guān)的傳感器（如碰撞傳感器、角度傳感器）來(lái)檢測汽車(chē)的狀態(tài)，當高壓管理系統接收到相關(guān)傳感器發(fā)出的信息后，立即關(guān)閉高壓電，并利用高壓系統余電放電電路將汽車(chē)高壓部件電容端的電壓在 1 s 內放掉，避免火災或漏電事故引起的人員觸電事故的發(fā)生 。

六、結論

通過(guò)參與大量的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)項目設計，文章對多個(gè)研發(fā)項目中純電動(dòng)汽車(chē)高壓電系統出現的故障及存在的安全隱患進(jìn)行分析，并提出一整套針對高壓電系統安全防護、故障處理及碰撞安全的設計方案，對純電動(dòng)汽車(chē)高壓系統安全設計具有一定的參考意義。

來(lái)源：純電動(dòng)汽車(chē)電氣設計