趙家旺，劉桂彬，周榮（.河北工業(yè)大學，天津 3003；.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

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電動汽車人員觸電防護研究

趙家旺1，劉桂彬2，周榮2
（1.河北工業(yè)大學，天津 300132；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

分析了電動汽車使用過程中可能發(fā)生的人員觸電危害，從基本防護和單點失效防護兩個方面提出了人員觸電防護措施和防護要求。人員觸電防護需要建立冗余機制，保證安全性能的魯棒性，提高車輛整體安全水平。

電動汽車；基本防護；單點失效防護；電氣安全

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.008

CLC NO.: U471Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-22-03

引言

電動汽車經(jīng)過最近幾年的快速發(fā)展，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化運營時代即將到來。區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，電動汽車搭載的電氣系統(tǒng)具有高電壓、大電流、高能量等特點，在使用過程中若發(fā)生人員觸電事故，高壓電力系統(tǒng)將會對人體造成不同程度的傷害。因此，電動汽車必須具有完備的人員觸電防護措施，以降低電擊事故發(fā)生幾率及對人體的危害程度。

人員觸電防護主要包括兩個方面：直接接觸防護和間接接觸防護。避免直接接觸對應基本防護，避免間接接觸對應單點失效情況下的防護。單點失效防護可以看作基本防護失效后，為降低人員電擊事故的危害而采取的應對措施。本文針對基本防護和單點失效防護這兩個方面進行了研究。

1、基本防護

基本防護是指防止人員與高壓帶電部分的直接接觸，避免危險情況的發(fā)生，屬于故障前防護?；痉雷o主要包括基本絕緣和遮攔/外殼兩部分，如圖1所示。

1.1基本絕緣

基本絕緣是指在帶電部件，主要是高壓電纜和線束，表面覆蓋一層不導電材料，形成絕緣保護層，防止高壓帶電部件的直接暴露。

為保證絕緣性能，基本絕緣應滿足如下要求：（1）車輛如果是通過絕緣材料來提供觸電防護，則電氣系統(tǒng)的帶電部分應當全部由絕緣體包裹，并且除非破壞否則無法去掉；（2）絕緣材料應能承受車輛及其系統(tǒng)的溫度等級和最大工作電壓；（3）絕緣體應有足夠的耐電壓能力，進行相關(guān)試驗不應發(fā)生絕緣擊穿或電弧現(xiàn)象。同時為提示人員避免接觸高壓帶電部件，目前基本絕緣均采用橙色進行標識。

1.2遮攔/外殼

對高壓帶電部件使用遮攔/外殼進行隔離，防止人員直接接觸，遮攔/外殼可以是導體也可以是絕緣體。根據(jù)所處位置的不同，遮攔/外殼應具有相應的防護等級，一般來說，乘員艙和行李艙內(nèi)遮攔/外殼的防護等級應達到 IPXXD，其他位置的防護等級應達到IPXXB。

乘員艙和行李艙內(nèi)的遮攔/外殼防護等級試驗用測試試線的規(guī)格為直徑1.0mm，長度100mm（IPXXD）。使用測試探針進行試驗的目的在于確保遮攔/外殼的任何縫隙均不會超過1mm，且內(nèi)部帶電部件距縫隙的距離不低于 100mm。滿足此要求的遮攔/外殼可以防止人員身體部位、微型工具以及乘員艙和行李艙內(nèi)的可導電部件通過縫隙接觸到內(nèi)部高壓帶電部件，避免直接接觸電擊危害的發(fā)生。

乘員艙和行李艙之外的遮攔/外殼防護等級試驗用測試試指的規(guī)格為直徑12mm，長度80mm（IPXXB）。在這里不再使用試線進行試驗的原因是考慮到這些遮攔/外殼被人員接觸到的頻率很低，同時為了便于緊急救援的進行，采用IPXXB防護等級，可以滿足車輛安全要求。

遮攔/外殼應安裝牢固，并且具有一定的機械持久性，在不使用專用工具的情形下應很難打開，并且應有措施防止因機械性能下降等原因?qū)е路钦ｉ_啟。

2、單點失效防護

單點失效一般包括：（1）可觸及的非危險帶電部分變?yōu)槲ｋU帶電部分；（2）可觸及的正常情況下不帶電的可導電部分變?yōu)槲ｋU帶電部分；（3）不可觸及的危險帶電部分變?yōu)榭捎|及危險帶電部分。在電動汽車中，將人員同時接觸到高壓帶電部件和電平臺的情形均視為單點失效。

單點失效防護是指在基本防護失效情形下的故障后應對措施，降低電氣系統(tǒng)故障對人員造成的傷害。主要包括：電位均衡、絕緣電阻、電容耦合、斷電以及其他觸電防護替代方法等，如圖2所示。

2.1電位均衡

當人員同時接觸到兩個及以上的高壓帶電部件時，若存在電勢差，則人體就會有電流通過。為防止故障電流對人體造成傷害，B級電壓電氣設(shè)備的所有外露可導電部分，包括可導電的遮攔/外殼，應連接到電平臺以保持電位均衡。電位均衡電路可采用焊接，螺栓連接等多種方式建立。

NHTSA（美國高速公路安全管理局）的研究顯示，電動汽車在使用過程中，存在一種小概率極端事件，即人員同時與高壓電路的正負極母線形成間接接觸。此時對人員的安全防護主要取決于外殼的絕緣性能失效情況以及人體和外殼之間的電阻。分析認為，為避免危害電流流過人體，電位均衡電阻應小于0.1Ω。這樣當基本防護失效而人員接觸到高壓母線形成間接接觸時，有害電流絕大部分可以經(jīng)過電位均衡電路導入車輛平臺，避免人員電擊傷害的發(fā)生，如圖3所示。

理論上講，均衡電阻越低，防護性能越好，當電阻降低到0.001Ω，即可以避免絕大多數(shù)意外事故的危害電流流過人體。但考慮到目前實際的制造工藝水平和機械連接接頭的合格性驗證限制，將均衡電阻降低到0.001Ω是不切實際的。因此，在經(jīng)過大量相關(guān)試驗及理論分析后，汽車及其他行業(yè)將 0.1Ω作為電氣連接電位均衡電阻要求的標準限值。例如，MIL_B_5087，NASA技術(shù)標準NSA-STD-P023“NASA發(fā)射車輛、載具、飛行設(shè)備的電位均衡”，ISO-6469，ECE R100以及IEC 60335-1“家用電器及類似電器”第一部分：一般要求等。

2.2絕緣電阻

絕緣電阻是阻礙電流通過的一種方式，因此，更高的電阻意味著通過的電流更低。人體同時接觸到帶電部件和電平臺時，即構(gòu)成了閉合回路，絕緣電阻的存在相當于在回路中串聯(lián)了一個分壓電阻，降低了通過人體的電流，如圖4所示。

車輛高壓電路系統(tǒng)的電阻由高壓電路和車輛電平臺之間的電阻除以高壓電源的工作電壓確定。絕緣電阻的單位是Ω /V，可通過下式計算。

根據(jù)人體安全電流限值：交流2mA，直流10mA，電動汽車電氣系統(tǒng)最大工作電壓下的絕緣電阻最小限值要求如圖5所示。

人體電阻是由許多因素決定的，如接觸面積，接觸部位，接觸電壓，環(huán)境濕度等，因此它是一個范圍值。目前行業(yè)選取人體電阻值為 500Ω，這是人體“一只手到另一只手”電阻575Ω的0.87倍。經(jīng)過試驗驗證和理論分析，0.87是合理的，因為人體“手到腳”路徑的電阻要比“手到手”路徑的電阻低10%到30%。

若絕緣電阻最小值無法在所有運行條件和全生命周期內(nèi)滿足要求，即出現(xiàn)絕緣失效的情形，則應采取一定的措施防止事故的發(fā)生，通常采用的方法有絕緣電阻監(jiān)測和附加防護兩類方法。

絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)或間歇的監(jiān)測車輛絕緣電阻情況，在發(fā)現(xiàn)絕緣電阻性能下降到不足以保證人員安全的防護要求時，應給予駕駛員適當?shù)木?，以便其采取相應的措施，避免事故的發(fā)生。同時，根據(jù)車輛的實際運行狀態(tài)，車輛可以自動關(guān)閉B級電壓系統(tǒng)，或者限制B級電壓系統(tǒng)的激活。需要注意的是，若車輛及其附屬系統(tǒng)具有兩個及以上的絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，應保證系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。

附加防護是指以基本防護為基礎(chǔ)，采取類似的結(jié)構(gòu)，提高對高壓帶電部件的隔離能力，降低防護失效的可能性。具體防護措施主要包括：（1）用雙重絕緣或加強絕緣代替基本絕緣，提高絕緣防護的耐用性；（2）在基本防護之上增加一層或多層絕緣、遮攔/外殼，形成冗余保護機制；（3）在車輛的使用壽命中，使用具有足夠機械強度和耐久性的剛性遮攔/外殼，避免出現(xiàn)過快磨損導致的防護能力下降。

2.3電容耦合

電動汽車B級電壓電路和電平臺之間的電容耦合通常是由Y電容器或寄生電容耦合產(chǎn)生，用來實現(xiàn)電磁兼容。在單點失效的情況下，絕緣電阻雖然可以限制從REESS流過人體的電流，但不能限制從Y電容器流過人體的電流，因此需要滿足電容耦合的要求。

當人體與直流高壓電路接觸時，為防止由于電容放電產(chǎn)生的危害電流對人體造成傷害，應滿足：（1）任何高壓帶電部件和電平臺之間的總電容在其最大工作電壓時所存儲的總能量應小于0.2J；（2）機械或電氣防止接觸方法。

當人體與交流高壓電路接觸時，為防止由于電容放電產(chǎn)生的危害電流對人體造成傷害，應滿足：（1）流過人體的交流電流不應超過5mA；（2）機械或電氣防止接觸方法。

機械或電氣的防護方法包括：（1）雙重絕緣或加強絕緣代替基本絕緣；（2）在基本防護之上增加一層或多層絕緣，遮攔/外殼；（3）在車輛的整個使用壽命中，使用具有足夠機械強度和耐久性的剛性遮攔/外殼。

2.4斷電

當電動汽車B級電壓電路出現(xiàn)故障時，若故障情形可能會影響到行車安全，則根據(jù)電路的工作狀態(tài)，車輛應采取自動切斷B級電壓電路能量供應的措施，防止事故的發(fā)生。在車輛制造商規(guī)定的時間內(nèi)，切斷供電的電路應滿足：（a）交流電路電壓應降低到30V a.c.(rms)，直流電路電壓應降低到60V d.c.，或以下；（b）電路存儲的總能量小于0.2J，如圖6所示。

在故障排除前，原則上不允許對車輛B級電壓電路系統(tǒng)上電，若進行強制上電操作，則車輛應對操作人員進行必要的提醒，告知其車輛仍處于故障狀態(tài)，需要盡快進行檢查維修。

2.5觸電防護替代方法

為提高電動汽車的安全性能，車輛制造商應進行適當?shù)奈：Ψ治霾⒔⒁幌盗蓄A防單點失效情況下的人員觸電防護措施。

3、結(jié)束語

電動汽車具有高能量的高壓電力系統(tǒng)，因此除滿足車輛的通用安全要求外，還要采取必要的措施，保證日常使用中的電氣安全性能。人員觸電防護是電動汽車安全要求與傳統(tǒng)汽車安全要求的主要區(qū)別之一。高電壓、大電流、高能量電力系統(tǒng)的失效防護需要采取冗余機制，避免對人體造成傷害。目前電動汽車安全性能已基本滿足市場要求，但仍然存在一些不足，需要繼續(xù)進行完善，提高安全防護性能的魯棒性和全面性，進一步降低危害事故發(fā)生幾率，保證整車安全性能。

[1]付于武.中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)研究與發(fā)展.新能源汽車.北京：機械工業(yè)出版社.2013.

[2]純電動汽車及混合動力汽車設(shè)計基礎(chǔ)：原書第二版/（美）侯賽因（Husain，I.）著；林程譯。——北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護.

[4]ISO 20653：2013 Road vehicles-Degrees of protection (IP-Code)-Protection of electrical equipment against foreign objects,water and access.

[5]IEC 60479-1 Effects of current on human beings and livestock—part1: General aspects.

[6]Draft global technical regulation (GTR) No.XXX on Electric Vehicle Safety.

Study on Protection of Persons Against Electric Shock in Electric Vehicles

Zhao Jiawang1,Liu Guibin2,Zhou Rong2
（1.Hebei University of Technology,Tianjin,300132 ; 2.Chinese Automotive Technology & Research Center,Tianjin 300300）

Analyzed the persons electric shock hazard may occur in the process of using electric vehicles,put forward protection measures and protection requirements in basic protection and protection under single-failure conditions.The protection of persons against electric shock need redundancy protection,ensure safety performance robustness and improve the overall vehicle safety level.

electric vehicles; basic protection; protection under single-failure conditions; electrical safety

U471

A

1671-7988（2016）08-22-03

趙家旺（1991-），男，碩士，就讀于河北工業(yè)大學。