高电压电驱动车辆安全性设计分析

2013-03-01陈伟

汽车电器 2013年5期

陈伟

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118）

车辆安全一直是使用者最关心的性能，随着近年来多种新能源车辆的逐步出现，车辆安全设计的指标也相应地进行了细化。相较于传统燃油车辆的安全设计，电驱动车辆因其能量源的高压特性，对安全性防护提出了更高、更新的要求。同时，由于能量的传输特点，对区别于传统油路的安全设计，电能传输的安规要求、失效防护也得以着重考虑。文中对某成熟车型上高压系统进行分析，归纳出一般设计准则，作为类似车辆的安全性设计参照规范。

1 当前常见的车载电源类型

为更清晰地说明车辆的安全性设计背景，对当前车载电源的大体情况做个简单的分析。

1）低压、低能量型此类型主要是指偏于微混或弱混形式的混合动力车辆、小型场地机动车，车辆的使用功能为简单的起动机、发电机为主，部分车辆设计上存在一定的动力辅助输出，但受限于车载能量的多少，仅具备功能上的意义。其电压不超过36V，满足常规环境下的安全电压要求，一般不做特殊的安全防护。

2）高压、高能量型此类电源主要是针对强混或插电式混合动力车辆和符合国家相关法规的纯电动汽车，其电压一般在36～600V之间，车辆功能全面，设计复杂，对高压安全有着特殊的防护需求。对市面上的新能源电驱动车辆的电源电压进行分析可以看出，此类车辆占总比例的81% （图1），是本文讨论的重点。

2 车辆高压安全防护的基本思路

说到车辆高压安全防护，可以从多角度入手进行分析。从高压防护应对的环境上看，可分为正常使用环境和极端恶劣环境。正常使用环境主要是针对日常的行车、停放等普态常见的情况；极端恶劣环境是着重关注诸如碰撞、严寒、酷热等偶发少见的情形。

若从高压防护面向的对象上看，在车上分为两类——对人防护和对部件防护。对人防护方面主要是针对驾乘人员和第三方进行防触电保护；对部件防护主要是针对车载物件的失效损坏防护，避免由其产生二次事故的情况。本文主要从高压防护对象角度进行具体分析。

2.1 对人身触电防护的安全设计

电击对人体的危害程度，主要取决于通过人体电流的大小和通电时间长短，电流强度越大，致命危险越大；持续时间越长，死亡的可能性越大。

结合 “以人为本”的系统安全设计理念，参照相关的人体耐受能力，将通过人体的最大摆脱电流定义为5 mA（为安全起见，将交流电15～100 Hz下的阈值电流作为下限），促使车载漏电流检测阈值也和这个值保持匹配关系，这样即使车辆发生车载电源漏电失效，系统可以通过漏电流检测，采取快速反应，实现对驾乘人员的触电防护。表1较为详细地说明了不同路径下的人体阈值电流。

表1 不同路径下的人体阈值电流

2.2 对部件损坏防护的安全设计

在车辆使用过程中，还存在另外一种潜在失效模式，即车载电源引发火灾、动力失控等非直接伤害驾乘人员的情况。但是由一次失效引发的二次事故对驾乘人员存在巨大的安全隐患，并且实际情况下此种安全的失效概率相对较高，这也是整车设计过程中要着重考虑的。

2.2.1 防火安全设计

在实际工作中，车辆低压、高压系统的信号／能量传递完全依赖于导线，故对信号／电能传递路径的载体及其防护部件的绝缘防火性能有着最高的要求。从失效原因上分，由摩擦、撞击等引起的短路放电起火被认为是此类失效的高发原因，必须作为设计环节的首要关注点。

2.2.2 防动力失控安全设计

车辆在处于静止状态时候，除了极端的起火、触电等失效隐患外，一般不存在与其它物体的相互影响。但是一旦车辆处于行驶状态，任何差异于驾驶员意图的动作，都可能引起道路行驶中的连发事故，往往会造成巨大的经济损失，甚至会危及生命。所以加强对系统驱动失控的防护，也是在高压安全设计中的重要一环。

3 车辆高压安全设计准则

为更清楚地阐述安全设计的思路，以某样车的具体实际为例，进行逐项分析。

3.1 尺寸原则

汽车的安全性很大程度上体现在对尺寸的把握上。对整车强度而言，是否留有足够的安全裕度最终可反映在关键部件的尺寸上。对高电压电驱动车辆而言，此法则依然有效。

在汽车的整体设计上，要为能量源及其传输途径中的相关部件留有足够的缓冲空间，以适应可能的变形；对关键的组件，进行双层或多层密封防护，尽可能地加大高压部件彼此或对车体的距离。

整车结构中，保证任何一个非外接高压部件距离整车外廓的最小尺寸均保持在110mm以上。以动力电池包为例，在前、后方向上分别存在1.4 m和0.8m的安全缓冲吸能空间；在左右方向上，一方面降低碰撞高度落差，避开冲击中心，同时边界距离保证在0.3m的吸能空间。

高压裸露导电器件之间，通过优化零部件形状和整体布局，优选爬电距离大于30 mm，电气最小间隙大于15mm或者采用二次绝缘防护。

对需要人员进行装配、可触及使用的部件，通过对防护等级的设定，均以不超过2mm作为使用状态下的缝隙要求，同时还需要满足IPXXB的要求和IPXXD的要求；部分关键的器件，可实现尘密、短时浸水的IP67等级要求。

对高压线束的固定而言，若线束相对于车身静止，则本着相邻固定点间距不大于200mm原则；若线束终端需保持活动，则自由长度不超过300 mm为宜。

3.2 材料原则

由前文防失效的思路可以看出，对人、物的防护上，防火、防漏电是非常重要的，转换到对使用材料的要求上，除了基本的强度要求外，主要体现在如下的几个方面：材料绝缘耐压性能、阻燃性能和耐候性能。

绝缘耐压性能是用电安全设计中首先考虑的因素。在实际工作环境下，随着时间的延续、环境湿度的变化，材料的绝缘耐压性能会相应改变，同时根据各自特点，不同产品所应拥有的耐压特性有所差异，表2规定了产品依据的测试标准。

相应地，对导电部件搭铁的绝缘电阻应大于10MΩ，方可保证产品在多种应力环境下的持续可靠工作。所以在最初选型时，参照人体耐受电流的相关阈值，选用综合物性优异的材质，其中PBT和PA类玻纤增强型材料，较好地兼顾绝缘性能和韧性。同时随着技术的进步，新型的材料也不断研制出来，近期SPS类材料也越发凸显其更优的综合特性。

表2 不同类别设备测试电压标准选择

在材料阻燃性能方面，产品在设计之初就将正常工作温度范围定位在－40～150℃，进而选用耐温性好、性能稳定的材料。表3汇总了主要材料的部分性能参数。

表3 部分材料的阻燃性能

耐候性能，一方面指随着气候的变化，会影响其他指标，如前文提及的温度、湿度变化影响绝缘性能，这方面在材料绝缘性能和阻燃性能的选取上兼顾考虑；另一方面也指由于气候变化产生的环境应力对材料或产品的寿命损伤，此方面损伤是渐进的、量变累积的，通过对产品的快速寿命老化可以有效地验证选材的正确性。

3.3 设计双向原则

我们对产品的设计遵从两个原则：正向需求原则——在规定的输入情况下，可以按规定概率完成预定功能；反向需求原则——在不期望但又可能的非正常输入情况下，能有正确的反应。

在产品寿命周期中，按正常设定环境进行输入的情况属多发情况，自然是我们设计的重心，这方面的重要性我们不予详述，着重探讨反向需求在高压安全设计中的必要性。

所谓的反向需求原则，一定程度上和滥用设计存在共通之处，是指处理极端情况下的输入。例如，系统中高压和低压是分离的，并确保低压控制高压，在启动阶段，高压系统唤醒需要时间；在关机的过程中，同样也存在响应时间。若存在人为的频繁启动、关闭情况，必须要对高压系统遭受反复冲击后的可能响应进行失效分析，规避可能发生的系统性灾难。

反向需求原则还需要考虑系统内的某个器件异常输入输出，并且前后状态会影响系统响应的阶跃性改变。如，车辆电子油门系统需要实时反馈驾驶员的加速需求，若出现某点输出值短暂失控或超差，驱动控制系统对此信号的处理会有两种选择，一是认可输入的数据，采取相应的控制影响功率输出；另一种是通过系统性的关联审核（周边数据比对、历史数据分析、可能失效分析等），进一步确定输入信号是否可信，以当前状态的平缓切换为目标，对输入进行响应。具体何种选择，还需要根据系统策略进行比对分析，最终实现控制输出状态平稳转换，提高系统的可控性。

反向需求原则还必须考虑到车辆在使用过程中少见偶发的使用环境，例如极温、浸水、碰撞等环境，将这些环境下的潜在失效分解到每一个可能的诱因上，并最终如实地反映到部件、系统和整车安全防护设计中来，最终集成一体来提高安全性。

3.4 在线监测原则

产品品质 “零缺陷”是每一个工程人员的目标，但是绝对的可靠是难以实现的，可行的方法是对产品的失效进行分解，找出潜在因素，一方面加强对失效潜在因素的控制，同时加强对失效的检测、监控，在失效最细微的时候进行识别，采取应对措施，这样将可能的事故消弭于初期，事故成本也可以大大降低。

在线监测一方面可以通过对数据的实时捕捉，及时发现风险进行控制。例如车辆存在多个漏电传感器，一旦有漏电信号被捕捉到，系统根据既定的安全策略实施动作。同时，由于借助于车载网络的快速发展，整车控制单元将车辆行驶的状态信息，适时按需通过无线网络（2G／3G）统一发送到车辆运营服务中心，结合车辆的维护信息，对车辆进行实时诊断，既可以为使用者提供更加贴心的服务，同时也对车型的使用数据进行了搜集，为后续产品开发提供必要的数据支持。