纯电动汽车电安全分析与设计

2012-10-15裴春松

客车技术与研究 2012年1期

裴春松

（河南少林汽车股份有限公司，河南荥阳 450100）

相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量动力电池、高压驱动电机等高压电气系统，由此而造成的高压电伤害完全有别于传统汽车。因此，随着电动汽车产业化进程的推进，对电动汽车电安全的研究刻不容缓。

1 纯电动汽车电安全分析

纯电动客车电气系统主要包括低压电气系统、CAN网络通信系统和高压电气系统。低压电气系统采用24V电源，一方面为灯光、刮水器等常规低压电器供电，另一方面为整车控制器（VCU）和电池管理系统（BMS）以及电机控制器、DC/AC等高压电气设备的控制回路供电；CAN网络系统用来实现整车控制器、BMS和电机控制器之间的通信；高压电气系统主要由动力电池、驱动电机及其控制器、辅助电机及其控制器以及充电机等大功率、高电压电气设备组成。纯电动客车的高压电气系统是区别于传统车的部分，也是纯电动客车安全性的研究重点[1]。

1.1 纯电动汽车电伤害

纯电动汽车的电压和电流等级都较高，纯电动大客车的电池组电压一般在300～600V,电流可达几百安培。人体能承受的安全电压的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。人体电阻主要是由体内电阻、体表电阻、体表电容组成。人体电阻随着条件的不同在很大范围内变化，但是人体电阻一般不低于1 kΩ。我国安全电压多采用36 V，大体相当于人体允许电流30 mA、人体电阻1200Ω的情况，这就要求人体可接触的电动汽车任意两个带电部位的电压要小于36 V。根据国际电工标准[2]的要求，人体没有任何感觉的阈值是2 mA。这就要求如果人或其他物体构成动力蓄电池系统（或“高电压”电路）与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不能超过2 mA，即人直接接触电气系统任一点的时候，流过人体的电流应当小于2 mA才认为车辆绝缘合格。因此，在电动汽车的开发中，要注意高压电气系统的绝缘设计，严格控制绝缘电阻值，使泄漏电流在安全的范围内。

1.2 动力电池安全性

电动汽车的关键部分是动力电池，对于电动汽车动力电池安全性的研究是分析电动汽车安全性的前提。近年来，锂离子电池在纯电动车上得到了广泛的应用。所以从锂离子电池来分析动力电池组的安全性。锂离子电池在正常使用过程中不会出现安全问题，但电池的滥用会导致电池的热效应加剧，这是锂离子电池出现安全问题的导火索，最终表现为电池的“热失控”，从而引起安全事故。导致热失控有以下几种情况。

1）过充放电。在电池充电末期，电池内部离子的浓度增加，扩散性能下降，浓差极化增加，电池接受能力下降，电池再充电就会出现过充电。过充时如果电池的散热较好，或者过充电流很小，此时电池的温度较低，过充后只发生电解液的分解，电池仍然安全；如果此时电池的散热较差，或者由于高倍率充电导致电池温度很高而引发化学反应，往往导致安全问题[3]。同样，在电池放电末期提供大电流的能力下降，当电池剩余电量不足而又需要大电流放电时，就会使电池过放电。过放电过程如下：当电池负极的锂离子完全脱出以后，为了维持电流，电池负极表面电极电位低的物质继续被氧化，同时正极材料LiPF6中的锂离子有可能发生还原反应[4]。在发生过放电时，由于电池负极的锂离子减少，脱出能力下降，极化电压增加，当电池的放电电压达到集流体（铜）的溶解电压的时候，集流体会发生氧化和溶解，使得电池负极的活性物质脱落，容易造成电池内部短路。

2）过电流。电池过电流主要有以下几种情况：

①低温环境下充放电。在低温环境下，由于电池的导电性和扩散性下降，特别是电池负极的锂离子嵌入和脱出能力下降，电池可接受电流的能力下降，容易导致电池出现过电流。

②电池老化、电池的性能下降（包括容量降低、内阻增加、倍率特性下降等）后，仍按照原来电流充电。

③电池并联成组。在充电过程中，由于电池一致性的差异，单体电池的内阻各不相同，分配到各单体电池的充电电流不同，可能会导致分配到某些单体电池电流远大于充电电流。

④电池的内外部短路。电池短路会在瞬间产生很大电流，电池内部温度急剧升高，而使电池发生泄漏、起火等安全事故。

3）电池过温。上述提到的过充、过放、过电流会导致电池过温，以下几种情况也会引起电池过温：

①电池的热管理系统失效。表现为电池箱内电池温度传感器损坏、检测控制电路失效或散热风扇损坏。

②电池温度采样点有限。电动汽车上电池数量众多，很难对每个单体电池都实现温度检测。

③温度采样点受限制。由于电池本身结构的原因，BMS对电池的温度采样点一般都在电池正负极接线柱上，或者通过贴片采集电池外壳的温度，不能反映实际的电池内部温度。

④工作环境温度高。如果电池靠近驱动电机或空气压缩机等发热部件，会导致电池过温。

1.3 危险工况下的安全性

1）纯电动汽车在涉水、暴雨情况下的安全性分析：

①电伤害。当电动汽车遇到涉水、暴雨等危险工况时，电池间的连线或电机、电机控制器等高压电气设备的接线可能由于水气的侵袭造成短路，导致漏电。强大的漏电电流通过车体，使乘员遭受触电危险，危害乘员人身安全。

②动力电池的热失控。当电动汽车遇到涉水、暴雨等危险工况时，可能引起电池的短路，使得电池温度升高，从而引起电池的热失控。热失控会导致电池的燃烧和爆炸。

③控制系统电气故障。当电动汽车遇到涉水、暴雨等危险工况时，由于水汽的侵袭，电动汽车的控制系统可能会出现短路或漏电事故，导致整车控制器、电机控制器或BMS失灵，引起电动汽车失控或无法起动等故障。

2）纯电动汽车在碰撞、翻车情况下的安全性分析。电动汽车在碰撞、翻车等情况下，高压线束可能会出现脱落、短路、损坏等情况，通过车体带电，乘员遭受触电危险，危害乘员人身安全；动力电池组可能会发生挤压、短路、穿刺等故障，造成电池内部或外部短路，从而引起电池的热失控，造成起火、泄露、爆炸等事故，危害乘员人身安全。

2 纯电动汽车的安全设计

2.1 在线绝缘检测设计

电动汽车的运行情况非常复杂，在运行过程中难免会出现部件间的相互碰撞、摩擦、挤压，导致高压电路与车辆底盘之间的绝缘性能下降。电源正负极引线将通过绝缘层和底盘构成漏电流回路。当高压电路和底盘之间发生多点绝缘性能下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆的电气火灾[5-6]。因此，高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能实时检测是电气安全技术的核心内容。

国内对电动汽车绝缘电阻的检测已有了一些研究[7-11]。图1是一种采用低频信号注入法的绝缘监控仪，绝缘监控仪内部产生一个正负对称的方波信号，并通过L+、L-和KE、E端子与直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻RF构成测量回路，测量回路中的电流在取样电阻Rm上会产生一个取样电压，这个电压信号被内置的微处理器采集。通过运算，可以得出绝缘电阻的大小。微处理器将计算得出的绝缘电阻值转换成PWM信号的占空比，并通过PWM+/PWM-端口对外输出，整车控制单元采集PWM信号后，将其占空比折算成绝缘电阻值，一方面可以送给仪表进行显示；另一方面也可以在整车控制程序中设置相应的阈值工作点，用于判定是否需要进行维护保养以及是否需要切断高压回路和禁止电机启动。

2.2 运行安全性设计

1）故障报警。电动汽车在运行过程中，如果出现异常情况，需要仪表或指示器以声或光报警的形式提醒驾驶员，让驾驶员注意车辆的异常情况，以便及时处理，避免发生安全事故。主要包括驱动电机转速高于限值、驱动电机温度高于限值、电机控制器温度高于限值、绝缘值低、SOC低于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值、辅助系统通讯异常等信息。限值是指整车厂（或零部件厂）规定的值（如控制器厂家规定：控制器温度≥65℃时报警，≥75℃时降功率，≥85℃时停机）。

2）降功率运行。电动汽车在运行过程中，如出现系统过电流、驱动电机转速高于限值、驱动电机温度高于限值、电机控制器温度高于限值、SOC值过低、系统电压低于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值等情况时，控制系统应降功率运行电机，以确保整车的安全。

3）停车。电动汽车在运行过程中，如出现系统电压低于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值、驱动电池温度高于限值、档位开关失效、踏板故障、电机控制器严重故障（控制器温度高于限值、控制器模块故障等）、严重绝缘故障、辅助系统（助力油泵、空气压缩机）严重故障、电机严重故障（电机温度高于限值、电机传感器失效）等严重故障时，控制系统应立即停止车辆，确保财产和人身安全。