秦振海，耿志勇，李雋杰

（1.陜西汽車集團有限責任公司，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動的汽車，工作電壓高達幾百伏，遠遠高于安全電壓。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計顯得尤為重要。

1 高壓電安全設計

1.1 防護設計

電動汽車車身及各大總成應有足夠的強度，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 高壓部件的殼體強度要求

參考GB 11551－2014的《乘用車正面碰撞的乘員保護》及GB 20071－2006的《汽車側面碰撞的乘員保護》碰撞試驗條件要求初速度為50km／h，瞬間撞擊能量可達到30～60kJ，預抵抗吸收如此大的撞擊能量，對整車駕駛室、車架、側防護及高壓部件機械強度有很嚴格的要求。

一般高壓部件的殼體強度要求應能承受不低于10 kPa的壓強，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度輔助防護圍擋。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

電動汽車高壓電纜是高壓系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，對其進行加強防護，為提示和警示維修人員，高壓電纜應采用橙色電纜并用橙色波紋管對其進行防護。同時高壓連接器外殼也應標識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器防水、防塵要求應達到IP67防護等級。高壓電纜的防護，對于凸緣、棱角處，使用適當膠圈進行保護，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材料的要求

當電動汽車發(fā)生碰撞時，首當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材料的要求是：①抗磨損、耐沖擊能力強；②具有良好的散熱通風能力，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材料高壓電纜損傷情況對比。

表1 撞擊試驗后不同防護材料高壓電纜損傷情況對比

1.4 過電流及短路保護

在高壓系統(tǒng)設計中應設置過載或短路的保護部件，即在相關回路中設置高壓熔斷器，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，應充分考慮熔斷器的熔斷特性曲線 （即預期電流與有效熔斷時間之間的函數(shù)關系）、0．15%功率因數(shù)時的總焦耳積分I2t、峰值弧電壓UL及負載特性 （如電機類長時制、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大于等于電源電壓。

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

3）高壓熔斷器應能在要求的時間內(nèi)分斷被保護電路的最小短路電流。

4）高壓熔斷器的分斷能力應大于被保護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)負荷類型及負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——負荷額定電流。

當負荷為永磁同步電機時，KP取值1．5～2．5；當負荷為三相異步交流電機時，KP取值3．0～4．0；當負荷為變壓器時，KP取值1．3～1．5；當負荷為其他類型負載時，KP取值1．2。

2）校核高壓熔斷器的總焦耳積分QEg根據(jù)負荷實際運行工作電壓值，選取圖3對應的矯正因數(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)負荷實際運行工作電壓值，由圖4對應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的矯正因數(shù)K

圖4 負荷額定工作電壓與高壓熔斷器的弧電壓對應曲線

1.5 直接接觸防護要求

整車高壓部件的安裝要滿足防護要求，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)測及保護設計要求

高壓互鎖監(jiān)測及保護回路設計必須滿足如下的設計要求：①高壓互鎖監(jiān)測及保護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)測及保護回路應該有安全冗余設計。

1.6.1 充電插頭插座的高壓互鎖設計要求

充電插頭插座的高壓互鎖設計應滿足如下要求。

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；當電子鎖止裝置未可靠鎖止時，供電設備或電動汽車應停止充電或不啟動充電。

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

3）電子鎖止裝置應具備應急解鎖功能，不應帶電解鎖且不應由人手直接操作解鎖。圖5為奔馳eTruck Concpet卡車應急解鎖系統(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卡車應急解鎖系統(tǒng)

1.6.2 維修開關的高壓互鎖設計要求

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

1.6.3 維修開關的安裝位置設計要求

維修開關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 維修開關位于動力蓄電池組的正極

圖7 維修開關位于兩組動力蓄電池中間位置

圖7 維修開關安裝位置優(yōu)于圖6安裝位置，一方面圖7中的維修開關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)點都有觸電的風險；而圖7中只有接觸到 （3）號節(jié)點才有觸電的風險，大大降低了觸電事故的發(fā)生。

2 間接接觸防護

2.1 等電位連接

等電位連接是把屬于高壓部件暴露的導電部分 （如外殼保護蓋，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電蓋或外殼，應具有相同的等電位。可以采用導線 （編織銅帶）連接高壓零部件的外殼與地，以達到等電位；零部件也可通過支架與車身相連達到等電位的效果。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，假設高壓部件1殼體對電源負極出現(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行實時監(jiān)測。在圖10中，假設高壓部件1殼體對電源負極出現(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，而人體的電阻遠遠大于高壓部件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行監(jiān)控，便能實現(xiàn)對整車高壓系統(tǒng)的絕緣情況進行監(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提供保護搭鐵導體。

保護搭鐵是將電氣設備外露可導電部分用保護線與大地連接防護措施，保護搭鐵一般應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搭鐵措施，即在供電設備端利用PE線直接搭鐵，充電設備充電插頭與電動汽車充電插座的PE端相連，車載充電機與車輛插座的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備外殼 （如圖11中所示的車載充電機），由于保護線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 保護搭鐵對人員的防護

保護搭鐵線顏色一般為黃綠雙色線，設備保護搭鐵點一般在設備的連接處，應有搭鐵標示符號，并可靠連接。

2.5 保護搭鐵導體最小截面積要求

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

表2 搭鐵導體的最小截面積

2.6 電氣隔離

電氣隔離主要對電動汽車電機控制器高壓輸入母線與底盤之間進行隔離，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

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)外汽車廠家先進經(jīng)驗、技術的基礎上，通過實際工作總結出來的，并提出一整套針對高壓系統(tǒng)及部件的高壓電安全-防護接觸的設計方法和要求，對電動汽車高壓系統(tǒng)安全設計具有一定的參考和借鑒作用。