鄒利寧，胡艷峰，鄭 欣，黃 河

（陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

電動(dòng)汽車(chē)的電壓等級(jí)較高，一般均為B級(jí)電壓，即大于30 V，小于等于1 000 V的交流系統(tǒng)，或大于60 V，小于等于1 500 V的直流系統(tǒng)。就目前電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)現(xiàn)狀而言，乘用車(chē)的電壓等級(jí)多為300～500 V DC，商用車(chē)領(lǐng)域 （包括客車(chē)和載貨汽車(chē)）電壓普遍高于500 V，介于500～700 V之間。這樣的電壓等級(jí)遠(yuǎn)高于人體安全電壓36 V，因此電動(dòng)車(chē)高壓電安全設(shè)計(jì)，不但關(guān)系車(chē)輛使用的可靠耐久，更與駕乘人員的人身安全息息相關(guān)。根據(jù)最新國(guó)標(biāo)《GB／T 18384.3人員觸電防護(hù)》中的要求，筆者結(jié)合多年新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，從電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)、高壓互鎖回路設(shè)計(jì)和整車(chē)電位均衡3方面闡述電動(dòng)汽車(chē)高壓電安全設(shè)計(jì)。

1 絕緣電阻檢測(cè)

電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大功率部件提供電能，主要由動(dòng)力電池組、電源變換器 （DCDC／DCAC）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)制動(dòng)及電動(dòng)空調(diào)等電氣設(shè)備和高壓電線電纜等組成。高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓一般都在300 V以上，采用較高的電壓平臺(tái)，可以減小系統(tǒng)工作電流、減小高壓電纜線徑，有利于整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)。但是，如此高的工作電壓對(duì)高壓電氣系統(tǒng)和車(chē)輛底盤(pán)之間的絕緣性能提出了很高要求。

1.1 絕緣電阻的含義及測(cè)量意義

高壓系統(tǒng)的絕緣電阻是指高壓電氣設(shè)備帶電部分與車(chē)架或車(chē)身之間的電阻值，是電動(dòng)汽車(chē)高壓電安全最重要最基本的一個(gè)指標(biāo)。

測(cè)量絕緣電阻的意義主要有以下幾個(gè)方面：①眾所周知，根據(jù)絕緣材料的耐熱等級(jí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)一般分為Y、A、E、B、F、H、C 7個(gè)等級(jí)。不同的等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的耐熱溫度。絕緣材料在高溫環(huán)境下易加速老化，從而使絕緣電阻值降低。通過(guò)測(cè)量絕緣電阻可間接判斷絕緣材料性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。②高壓電氣設(shè)備大都是發(fā)熱器件，一方面要考慮散熱，另一方面要考慮防塵防水。目前的方案是采用水冷散熱，高壓設(shè)備和連接器防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP66到IP67，通過(guò)檢測(cè)絕緣電阻，可判斷IP防護(hù)是否到位。③檢測(cè)絕緣電阻，可以間接判斷高壓電纜制作品質(zhì)。例如，若電纜屏蔽層處理不佳，可能與高壓導(dǎo)體接觸，造成高壓導(dǎo)體部分搭鐵。

1.2 絕緣電阻檢測(cè)方法

1.2.1 靜態(tài)測(cè)量

絕緣電阻的靜態(tài)測(cè)量方法，就是在整車(chē)裝配結(jié)束后，在上高壓電之前，用兆歐表測(cè)量整車(chē)高壓電氣系統(tǒng)各個(gè)組件，主要包括動(dòng)力電池的正負(fù)極母線接口 （連接器）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器高壓接口、轉(zhuǎn)向制動(dòng)等輔助高壓設(shè)備接口，以及高壓電氣設(shè)備金屬外殼、固定支架等。通過(guò)對(duì)以上測(cè)量點(diǎn)與車(chē)架之間的絕緣電阻值進(jìn)行測(cè)量，判斷高壓電器裝置內(nèi)部及高壓電纜絕緣層的高壓絕緣性能。測(cè)試方法分以下幾個(gè)步驟。

1）測(cè)量前，斷開(kāi)高壓系統(tǒng)電源，對(duì)兆歐表進(jìn)行短路和斷路測(cè)試，確保兆歐表工作正常。

2）兆歐表應(yīng)平穩(wěn)放置在遠(yuǎn)離大電流和外磁場(chǎng)的地方。

3）選擇合適的電壓擋位，以福祿克1508兆歐表為例，其可提供50V、100V、250V、500V和1000V五個(gè)擋位的設(shè)置。

4）選定擋位后，黑色表筆連接車(chē)架，紅色表筆連接被測(cè)部位，按下測(cè)試按鈕開(kāi)始測(cè)量，待屏幕讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，完成該部位絕緣電阻的測(cè)量。

5）測(cè)量完一個(gè)部位后，對(duì)表筆短路放電，防止表筆上的殘留電壓對(duì)后續(xù)部位測(cè)試造成干擾，然后按照步驟4）依次測(cè)量其余部位，記錄數(shù)據(jù)，完成整車(chē)絕緣電阻的測(cè)量。

《GB／T 18384.3—2015電動(dòng)汽車(chē)安全要求 第3部分 人員觸電防護(hù)》中規(guī)定：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值至少大于1 00 Ω／V，交流電路至少大于500 Ω／V。一般的電動(dòng)汽車(chē)均為交直流混合系統(tǒng)，因此應(yīng)按照500 Ω／V的要求設(shè)計(jì)、測(cè)量絕緣電阻。

表1為某款純電動(dòng)汽車(chē)典型高壓部位的對(duì)搭鐵絕緣電阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從表1中不難看出，動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的絕緣電阻值較高，輔機(jī)中的轉(zhuǎn)向和助力電機(jī)次之，舒適系統(tǒng)中的空調(diào)暖風(fēng)絕緣電阻較小。若按照600 V DC計(jì)算，國(guó)標(biāo)對(duì)絕緣電阻值的要求是不小于300 kΩ，表1中最小的PTC絕緣電阻也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)要求。

表1 某款電動(dòng)汽車(chē)典型高壓部位絕緣電阻值

既然單個(gè)高壓部件的絕緣電阻值可以做到如此高，為何國(guó)標(biāo)要求卻這么低呢？筆者認(rèn)為有3點(diǎn)原因：①以600 V直流系統(tǒng)計(jì)算，300 kΩ的絕緣電阻所造成的泄露電流僅有2 mA，只是身體有感電流的下限，不會(huì)造成人身傷害；②對(duì)于單個(gè)高壓部件，絕緣阻值做到兆歐級(jí)別并非難事，但是就電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)而言，高壓部件少則五六種，多則十種，這些高壓部件的絕緣電阻構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)電阻系統(tǒng)，其阻值大小類(lèi)似“木桶原理”，由最小值決定，而且要比最小值還小；③設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱和長(zhǎng)期使用造成的絕緣材料老化，以及氣候因素引起的潮濕等因素，使得不論單個(gè)高壓部件還是高壓系統(tǒng)的絕緣阻值都不同程度下降。

綜合以上3點(diǎn)，在進(jìn)行高壓部件絕緣電阻材料選型和絕緣電阻指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)車(chē)輛使用環(huán)境和工況等因素綜合考慮，預(yù)留一定的設(shè)計(jì)余量。

1.2.2 在線實(shí)時(shí)測(cè)量法

絕緣電阻的第二類(lèi)測(cè)量方法稱(chēng)為在線實(shí)時(shí)測(cè)量法，目前應(yīng)用最廣最為成熟的是低頻信號(hào)注入法。采用該方法的絕緣檢測(cè)儀已經(jīng)比較成熟，有專(zhuān)門(mén)配套廠生產(chǎn)。整車(chē)廠設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是外形尺寸、安裝布置、電氣參數(shù)、EMC以及通信協(xié)議方面的需求。比如，用于電動(dòng)商用車(chē)的絕緣檢測(cè)儀，工作電壓范圍滿(mǎn)足18～32 V，靜態(tài)功耗不大于3 mA；通信協(xié)議滿(mǎn)足SAE J1939規(guī)范；電磁兼容滿(mǎn)足GB／T 18655和GB／T 17619的相關(guān)要求。

采用低頻信號(hào)注入法，可以在上低壓電后、上高壓電之前檢測(cè)整車(chē)高壓系統(tǒng)絕緣電阻狀態(tài)，一旦出現(xiàn)絕緣電阻故障，可通過(guò)控制策略限制上高壓電，避免上高壓后出現(xiàn)不可預(yù)知的后果；待排查并處理絕緣故障后，方可上高壓。但是這種方法也有一定局限性，比如由于BMS主放電接觸器在上高壓電前未閉合，因此無(wú)法檢測(cè)放電接觸器前端的絕緣電阻。目前，比較常見(jiàn)的解決辦法是通過(guò)BMS內(nèi)置絕緣檢測(cè)模塊檢測(cè)，BMS低壓供電接常電，行車(chē)時(shí)與整車(chē)絕緣檢測(cè)儀協(xié)同檢測(cè)絕緣電阻，充電時(shí)BMS進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，并通過(guò)遠(yuǎn)程終端發(fā)送充電狀態(tài)至企業(yè)平臺(tái)和公共平臺(tái)。

表2為某款電動(dòng)車(chē)絕緣電阻故障等級(jí)定義及處理機(jī)制。以往設(shè)計(jì)中出現(xiàn)過(guò)4個(gè)故障等級(jí)的劃分，除表2中一、二級(jí)故障外，還有三級(jí)故障 （接線故障），四級(jí)故障 （設(shè)備故障）；實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)三、四級(jí)故障的同時(shí)一般都會(huì)伴有一、二級(jí)故障出現(xiàn)，因此簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅保留一、二級(jí)故障處理機(jī)制即可。

表2 絕緣電阻故障等級(jí)定義及處理機(jī)制

2 高壓互鎖回路

2.1 高壓互鎖的定義

ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《ISO 6469-3：2001電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電氣傷害防護(hù)》規(guī)定：車(chē)上的高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置。高壓互鎖，也指危險(xiǎn)電壓互鎖回路（HVIL， Hazardous Voltage Interlock Loop），其原理是通過(guò)使用電氣小信號(hào)來(lái)檢查整個(gè)高壓設(shè)備、電纜、連接器電氣完整性，識(shí)別回路異常時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)高壓電。

2.2 高壓回路的互鎖設(shè)計(jì)

高壓互鎖回路通過(guò)帶互鎖信號(hào)的高壓連接器和手動(dòng)維修開(kāi)關(guān) （MSD）實(shí)現(xiàn)。連接器主要實(shí)現(xiàn)配電端即高壓設(shè)備端的高壓互鎖，MSD則實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組即供電端的高壓互鎖。互鎖端子相互串聯(lián)連接，構(gòu)成互鎖信號(hào)回路，每個(gè)高壓連接器相當(dāng)于互鎖信號(hào)回路的一個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，只有高壓連接插接到位，接觸良好時(shí)，互鎖信號(hào)才會(huì)導(dǎo)通。一般將互鎖信號(hào)接搭鐵后送入VCU（整車(chē)控制器），VCU接收到低電平信號(hào)后方可進(jìn)行高壓上電。其原理如圖1所示。

圖1 高壓電氣互鎖回路

高壓互鎖功能通過(guò)帶互鎖功能的高壓連接器、互鎖回路和整車(chē)控制策略3方面完善設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。高壓互鎖功能主要有以下3方面意義：①?gòu)浹a(bǔ)了高壓連接機(jī)械鎖止機(jī)構(gòu)安裝不到位或長(zhǎng)期振動(dòng)后松脫的不足；②防止由于端子壓接品質(zhì)不過(guò)關(guān)，出現(xiàn)部分退針接觸面積不足的情況；③提高連接器插接件電氣安全性和人身安全，先閉合低壓回路，檢測(cè)低壓信號(hào)，然后閉合高壓回路，可以最大限度避免帶電插拔高壓連接器的可能。

3 高壓電氣系統(tǒng)電位均衡

國(guó)標(biāo)《GB／T 18384-3：2015電動(dòng)汽車(chē)安全要求 第3部分》中，將等電位連接 （電位均衡）定義為：電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分之間電位差最小化。

電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)雖為直流供電系統(tǒng)，但有很多感性負(fù)載，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)等。這些感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其機(jī)體內(nèi)部的繞組和高壓連接電纜會(huì)通過(guò)交變電流，交變電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)，如果電機(jī)本體和高壓電纜屏蔽性能不佳或絕緣性能下降，有可能使高壓部件外殼產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得高壓部件外殼兩點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，有觸電的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 電位均衡示意圖

高壓電氣系統(tǒng)電位均衡不但是實(shí)現(xiàn)人員安全防護(hù)的要求，同時(shí)也與整車(chē)的正常運(yùn)行息息相關(guān)。通過(guò)電位均衡系統(tǒng)將高壓電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分電位最小化，可在一定程度上提高整車(chē)EMC性能和ESD性能。如圖2所示，高壓組件的可導(dǎo)電外殼與底盤(pán)連接，使所有高壓組件可導(dǎo)電外殼連接成一個(gè)整體，具有相同電勢(shì)，以滿(mǎn)足高壓組件系統(tǒng)外漏可導(dǎo)電部分任意兩點(diǎn)電位差最小的要求。電位均衡連接需要注意以下幾點(diǎn)：①任一高壓設(shè)備外殼應(yīng)預(yù)留專(zhuān)用等電位連接點(diǎn)，并布置于設(shè)備外緣，以便用最短的導(dǎo)線與車(chē)架或車(chē)身連接；②等電位連接點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)成焊接螺母或螺紋孔，便于用螺栓可靠地固定連接端子；③連接時(shí)需保證連接孔及孔緣清潔、干燥，避免因油污、車(chē)漆等絕緣性物質(zhì)增大接觸電阻；④連接導(dǎo)線推薦使用不小于6 mm2的銅編織線，保證導(dǎo)線具有足夠小的電阻。以上4點(diǎn)的最終目的是保證等電位通路中任意兩個(gè)可同時(shí)被人觸碰的外漏可導(dǎo)電部分之間的電阻不大于0.1 Ω。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從絕緣電阻檢測(cè)、高壓互鎖和電位均衡3個(gè)方面論述高壓電安全設(shè)計(jì)，具體介紹了絕緣電阻檢測(cè)常見(jiàn)方法、高壓互鎖回路的一般電氣原理和電位均衡的含義和重要意義。安全性是汽車(chē)各項(xiàng)性能指標(biāo)中最基本、最重要，也是最難的一項(xiàng)工作，而高壓電安全又是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域最重要的一項(xiàng)課題，可謂任重道遠(yuǎn)。本文拋磚引玉，希望能為高壓電安全設(shè)計(jì)提供一些借鑒。