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一、純電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)安全分析

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

1、低壓電氣系統(tǒng)采用 12 V 供電系統(tǒng)，除了為燈光照明系統(tǒng)、娛樂(lè)系統(tǒng)及雨刷器等常規(guī)低壓用電器供電外，還為整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器及電動(dòng)空調(diào)等高壓附件設(shè)備控制回路供電；

2、高壓電氣系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池組、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)空調(diào)、電暖風(fēng)、車載充電系統(tǒng)、非車載充電系統(tǒng)及高壓電安全管理系統(tǒng)等；

3、CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)整車控制器和電機(jī)控制器、以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、車載充電機(jī)和非車載充電設(shè)備等控制單元之間的相互通信。

圖a 高壓配電盒

純電動(dòng)汽車電壓和電流等級(jí)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(dá)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(dá)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(guó)安全電壓多采用 36 V，大體相當(dāng)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)汽車任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。根據(jù)國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)任何一處的時(shí)候，流經(jīng)人體的電流應(yīng)該小于2 mA 才認(rèn)為整車絕緣合格。

因此，在純電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)特別考慮電氣系統(tǒng)絕緣問(wèn)題，嚴(yán)格按照電動(dòng)汽車相關(guān)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，確保絕緣電阻能夠滿足人身安全需求，保證絕緣電阻值大于 100 Ω/V。

二、電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)概述

相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言，純電動(dòng)汽車采用了大容量、高電壓的動(dòng)力電池及高壓電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用了大量的高壓附件設(shè)備，如：電動(dòng)空調(diào)、PTC 電加熱器及 DC/DC 轉(zhuǎn)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(tǒng)燃油汽車。

根據(jù)純電動(dòng)汽車的特殊結(jié)構(gòu)及電路的復(fù)雜性，并考慮純電動(dòng)汽車高壓電安全問(wèn)題，必須對(duì)高壓電系統(tǒng)進(jìn)行安全、合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)和必要的監(jiān)控，這是電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的必要保證。

1、高壓系統(tǒng)構(gòu)成

圖1示出純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)框圖。作為純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)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(xiàn)該系統(tǒng)功能的重要保證。

圖1 純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)框圖

2、高壓電氣安全系統(tǒng)的總目標(biāo)

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

三、高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

根據(jù)純電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，并從車載儲(chǔ)能裝置、功能安全、故障保護(hù)、人員觸電防護(hù)及高壓電安全管理控制策略等方面綜合考慮，應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車高壓電系統(tǒng)進(jìn)行以下四方面設(shè)計(jì)。

1、 高壓電電磁兼容性設(shè)計(jì)

由于純電動(dòng)汽車上存在高壓交流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的電磁干擾性，因此高壓線束設(shè)計(jì)時(shí)電源線與信號(hào)線盡量采用隔離或分開(kāi)配線；電源線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(hào)線；輸入與輸出信號(hào)線應(yīng)避免排在一起造成干擾；輸入與輸出信號(hào)線盡量避免在同一個(gè)接頭上，如不能避免時(shí)應(yīng)將輸入與輸出信號(hào)線錯(cuò)開(kāi)放置。

2、 高壓部件和高壓線束的防護(hù)與標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

高壓部件的防護(hù)主要包括防水、機(jī)械防護(hù)及高壓警告標(biāo)識(shí)等。尤其是布置在機(jī)艙內(nèi)的部件，如電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)等及它們中間的連接接口，都需要達(dá)到一定的防水和防護(hù)等級(jí)。并且高壓部件應(yīng)具有高壓危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)，以警示用戶與維修人員在保養(yǎng)與維修時(shí)注意這些高壓部件。

由于純電動(dòng)汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋管對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。同時(shí)高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識(shí)為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應(yīng)達(dá)到 IP67 防護(hù)等級(jí)。

3、預(yù)充電回路保護(hù)設(shè)計(jì)

因?yàn)楦邏涸O(shè)備控制器輸入端存在大量的容性負(fù)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(tǒng)需采取預(yù)充電回路的方式對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電。圖 2 示出純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖。

圖2 純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖

4、高壓設(shè)備過(guò)載/短路保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車高壓附件設(shè)備發(fā)生過(guò)載或線路短路時(shí)，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動(dòng)切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置過(guò)載或短路的保護(hù)部件，如在相關(guān)回路中設(shè)置保險(xiǎn)和接觸器，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路而引起保險(xiǎn)或接觸器短路時(shí)，高壓管理系統(tǒng)會(huì)通過(guò)對(duì)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(cè)出相關(guān)電路故障，高壓管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警以提示駕駛員。

5、故障檢測(cè)與故障處理方法

1）、絕緣電阻故障處理

電動(dòng)汽車電氣化程度相對(duì)傳統(tǒng)汽車要高，其中像電池包、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓用電輔助設(shè)備、充電機(jī)及高壓線束等在汽車發(fā)生碰撞、翻轉(zhuǎn)及汽車運(yùn)行的惡劣環(huán)境（汽車振動(dòng)、外部環(huán)境濕度及溫度）影響下，都有可能導(dǎo)致高壓電路與汽車底盤(pán)間的絕緣性能降低，由此可能造成汽車火災(zāi)的發(fā)生，直接影響汽車駕乘人員的生命安全。因此，在電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確保絕緣電阻值大于 100 Ω/V；其次當(dāng)汽車發(fā)生絕緣電阻值低于規(guī)定值時(shí)，高壓管理系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)切斷所有的高壓回路并發(fā)出聲光報(bào)警，并持續(xù)一定時(shí)間待原先故障消失后，汽車才能允許進(jìn)行下一次上電。高壓電路進(jìn)行絕緣檢測(cè)具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車安全要求第 1 部分：車載儲(chǔ)能裝置》。

2）、電壓檢測(cè)與故障處理

純電動(dòng)汽車的動(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(dāng)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(shè)備并會(huì)嚴(yán)重影響電池使用壽命。當(dāng)檢測(cè)到電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷相關(guān)回路。因此為了保障純電動(dòng)汽車在動(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(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路對(duì)高壓電路系統(tǒng)工作電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)和安全合理的故障處理

3）、電流檢測(cè)與故障處理

汽車由于受到運(yùn)行道路環(huán)境及駕駛員操控的影響，汽車運(yùn)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(dāng)電流超過(guò)預(yù)設(shè)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(yīng)，造成汽車功率器件的損壞，危及汽車高壓系統(tǒng)安全。因此，這就要求高壓管理系統(tǒng)需對(duì)動(dòng)力電池實(shí)時(shí)進(jìn)行電流監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到電流異常時(shí)，高壓管理系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)切斷所有高壓回路并發(fā)出聲光報(bào)警，提示駕乘人員和其他汽車。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度，文章選取霍爾式電流傳感器對(duì)動(dòng)力電池充放電電流進(jìn)行檢測(cè)，如圖 3 示出霍爾式電流傳感器原理圖。

圖3 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(cè)與故障處理

為實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車的控制功能和高壓電路的可自行切斷保護(hù)功能，在電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)中必須配置可控制的并且有自我保護(hù)切斷高壓回路功能的高壓接觸器。根據(jù)整車設(shè)計(jì)的需求，任何電動(dòng)汽車在動(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(yīng)的正確處理方式應(yīng)對(duì)，將有可能引起不正常的控制而造成汽車不能正常啟動(dòng)或不能啟動(dòng)。嚴(yán)重的情況下，將會(huì)給汽車和人身安全造成危險(xiǎn)。鑒于上述問(wèn)題的嚴(yán)重性，應(yīng)對(duì)高壓接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行安全有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)故障進(jìn)行處理。當(dāng)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(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，以提示操作人員并根據(jù)故障的級(jí)別控制汽車是否可進(jìn)行其他操作。

5）、高壓互鎖回路檢測(cè)及故障處理

高壓回路互鎖功能設(shè)計(jì)是針對(duì)高壓電路連接的可靠程度提出的。危險(xiǎn)電壓閉鎖回路也稱為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個(gè)典型的互鎖系統(tǒng)，通過(guò)使用電氣的信號(hào)，來(lái)檢查整個(gè)模塊、導(dǎo)線及連接器的電氣完整性 。當(dāng)高壓安全管理系統(tǒng)檢測(cè)到某處連接斷開(kāi)或某處連接沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的可靠性時(shí)，安全管理系統(tǒng)將直接或通過(guò)整車控制器切斷相關(guān)動(dòng)力電源的輸出并發(fā)出聲光報(bào)警,直到該故障完全排除。如圖 4 示出高壓互鎖回路檢測(cè)原理圖。

圖4 高壓互鎖電路檢測(cè)原理圖

6）、 充電互鎖檢測(cè)及故障處理

出于安全考慮，充電時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都需要處于斷電狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高壓接觸器需處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)高壓安全管理系統(tǒng)接收到有效的充電信息指令后，高壓管理系統(tǒng)首先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警以提示相關(guān)人員，直至故障排除。

6、高壓系統(tǒng)余電放電保護(hù)設(shè)計(jì)

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

圖b 車載充電機(jī)

四、靜止停放時(shí)安全管理概述

汽車靜止停放時(shí)，每隔一定時(shí)間（20 s 或 30 s）高壓安全管理系統(tǒng)需對(duì)高壓電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行 1 次絕緣測(cè)量，即判別高壓電網(wǎng)系統(tǒng)有無(wú)絕緣故障，整個(gè)高壓回路系統(tǒng)包括動(dòng)力電池內(nèi)部、動(dòng)力線、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)控制器和電機(jī)三相線）及連接高壓設(shè)備附件的導(dǎo)線。當(dāng)檢測(cè)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)汽車采用了高達(dá) 400 V 左右的大容量動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)力源，因而電力未切斷的動(dòng)力電池會(huì)對(duì)汽車和人員造成不容忽視的威脅和傷害 。若汽車在行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞、翻滾或在充電狀態(tài)中被其他汽車撞擊等意外事故，將會(huì)使動(dòng)力電池組、高壓用電設(shè)備及高壓線束等與車身之間發(fā)生摩擦或接觸，造成潛在的絕緣失效和短路等危險(xiǎn)。為避免由于上述狀況而引起的汽車安全問(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(cè)汽車的狀態(tài)，當(dāng)高壓管理系統(tǒng)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(tǒng)余電放電電路將汽車高壓部件電容端的電壓在 1 s 內(nèi)放掉，避免火災(zāi)或漏電事故引起的人員觸電事故的發(fā)生 。

六、結(jié)論

通過(guò)參與大量的電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，文章對(duì)多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目中純電動(dòng)汽車高壓電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障及存在的安全隱患進(jìn)行分析，并提出一整套針對(duì)高壓電系統(tǒng)安全防護(hù)、故障處理及碰撞安全的設(shè)計(jì)方案，對(duì)純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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