48V系统对于电动汽车安全要求国家标准适用性分析

张英男，陆春，刘桂彬

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

48V系统对于电动汽车安全要求国家标准适用性分析

张英男，陆春，刘桂彬

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

汽车48V系统被公认为是现阶段最有效的通过低成本而达到节能减排目标的技术手段，其直流电路的最大工作电压不到60Vd.c.，但交流电路的最大工作电压超过了30Va.c.，达到了我国电动汽车安全要求国家标准中B级电压电路的规定。通过对汽车人员触电防护单点失效情况以及48V系统电路的分析，研究了汽车48V系统在单点失效和产生第二失效点的情况下的人员触电危害，提出了汽车48V系统人员触电防护方法的建议。

汽车48V系统；电气安全；国家标准

CLC NO.:U467.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)05-108-03

1、汽车48V系统的特点

汽车48V系统是在12V系统的基础上进行的结构拓展，保留传统12V电路，额外增加独立的48V电路，12V电路处理例如照明、点火、音响系统等传统负载，48V系统处理空调系统、制动能量回收系统、主动悬架等底盘系统。48V系统在车辆上的应用使得现代车辆上大量的大功率用电系统可以独立于内燃机，不论内燃机转速如何，用电系统都可以处于最佳的驱动状态，甚至发动机停止时也可以保证如空调等的一些功能处于工作状态，这一方面提高了车辆的舒适性，同时也降低了发动机的负载，提高了车辆的燃油经济性，且减少了排放。包括宝马、奥迪、戴姆勒在内的多家整车厂推出了使用48V系统的概念车型，试验车型的节油率达到15%左右。48V系统作为汽车有效的低成本实现节能、减排手段已得到全球的共识。

2、48V系统与汽车电气安全国家标准的关系

在我国最新修订的 GB/T 18384.3《电动汽车 安全要求第3部分：人员触电防护》中，将电气元件或电路分为以下等级，如表1所示。

表1 电压等级

上述电压的分级方法与国外的ISO 6469、ECE94、ECE95和ECER100的电压分级一致。对于B级电压电路，在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于 100Ω /V，交流电路应至少大于500Ω/V。

同样的，在新制定的推荐性国家标准《电动汽车碰撞后安全要求》中规定，对于带有B级电压电路的车辆，在碰撞试验后，其B级电压电路同样要满足相应的绝缘电阻的要求。

48V系统中直流电压最大约为54V，不超过直流60V的安全电压的范围，但其中交流电子空调压缩机、发动机电子增压泵、电子水泵等负载，在最高工作电压时电机内部会产生略高于30V的三相交流电，48V系统的交流部分超出了安全电压的范围，根据表2的分类，该情况应分到B级电压，需要满足国家标准对B级电压电路正常情况下的绝缘电阻、碰撞后的绝缘电阻以及电位均衡等方面的要求，但48V系统因为其负极接地的设计结构，使得该系统不能满足标准的规定。

图1显示了电动车辆一般的高压系统结构图，按照GB/T 18384.3对汽车高压电气系统的要求，高压电路系统和电平台应绝缘，绝缘电阻值满足相应要求。

图2显示了48V系统的结构，由于其负极接地，所以存在着单点失效下的触电危险。

3、48V系统对电安全国家标准适用性分析

3.1 单点失效情况的说明

单点失效（single-point failure）指由未采用安全机制进行保护的系统或系统中的部分（包括硬件、软件）的故障而导致的失效。既是由单点故障而导致的失效。汽车B级电压电路单点故障的示意图见图3。

为了防止单点失效，车辆会视情况采取绝缘电阻、电位均衡、防止接触、断电等多种防护方法。图3便显示了采用绝缘电阻的方法防止单点失效，在图3中，正极因绝缘退化或者防护层的破损，使得系统发生了单点故障，但由于负极的绝缘电阻处于正常状态，所以并没有形成回路，单点故障便没有形成单点失效。

3.2 48V系统发生单点失效时人员触电的危险

不同于图1和图3中所示的B级电压电路防护方法，48V系统负极直接与电平台相连接，如图2所示，也就是说48V系统负极的绝缘电阻为 0Ω。在这种情况下如果发生单点故障，则B级电压电路和人体形成了回路，存在了人员触电的危险。如图4所示。

3.3 48V系统发生单点失效时触电电压的分析

48V系统中的电力分配盒、48V储能系统以及12V-48V双向变换器的工作电压均为不超过54V的直流电压，虽然负极接地形成回路，但由于48V的直流系统工作电压在安全电压范围内，因此即便发生单点故障，也不存在安全隐患。如图5中的①和②。

48V系统的交流电路在某些工作情况下会产生超过30V交流的相间电压，如图5中的③，但在单点失效情况下，人员不可能同时与两个交流相位接处，最多只能接触到一个相位，只有发生第二个故障时，才有可能同时接触两个相位。

48V系统交流电路的一个交流相位与点平台之间产生的不是直流电压，而是脉冲的直流电压，如图5中的④，而且该直流电压工作范围也不超过60V，在发生单点失效的情况下不会对人员造成伤害。

①直流电压，直流电流 => U < 60V d.c.

②直流电压，交替直流电流（纹波）

③交流电：交流电压（交替/正弦），交流电流（正弦）在某些工作模式下，相位间 U > 30V a.c. ；

但是，相位与底盘之间的交替直流电压 U <60V d.c.④交替直流电压

进一步对48V系统进行分析可以看出，在单点失效的情况下，48V系统与电底盘之间的电压都在安全范围之内，详见图6。

3.4 国际法规对48V系统触电安全方面的规定

针对汽车 48V系统触电安全方面与国际法规存在的问题，欧洲ECE相关标准中已经进行了的相应说明：

a）ECE-R100/02对绝缘电阻的检测进行了补充说明：与底盘相连的电路，只要满足以下条件，就可以免除绝缘电阻的要求：任何带电体和底盘之间或者带电体与外露的导体之间电压不超过30VAC或者60VDC。

理解：因为48V系统中电机两相之间有超过30V的交流电，应归为B级电压，但是电机的每一相电压与底盘之间电压都低于60V DC，外露导体电压也都低于60V DC，因此可以免除绝缘电阻检测。通过对绝缘电阻监测对象进行说明，将48V系统排除在绝缘监测的范围之外。

出处: ECE-R100/02, Amendment 1, 5.1.3. Isolation resistance “This paragraph shall not apply to chassis connected electrical circuits where the maximum voltage between any live part and the electrical chassis or any exposed conductive part does not exceed 30V AC (rms) or 60 V DC.”[1]

b）ECE-R95 5.2.8.1中对碰撞后电气系统的绝缘电阻检测进行了说明，如果规定碰撞结束后48V系统停止工作，则不需要进行绝缘电阻检测。

理解：前面已经提到48V设计中控制器持续监测碰撞传感器的信号，在碰撞发生后50毫秒内将切断系统工作，断开与48V电池系统的连接，因此不再需要检测绝缘电阻。

出处：ECE-R95 5.2.8.1: No Insulation resistance needed, if 48V-System is switched off after impact. “After the impact, at least one of the four criteria in paragraph 5.2.8.1.1.through paragraph 5.2.8.1.4.2.below shall be met. …”[2]

c）ECE-R100/02的修订说明中对高压系统进行了定义，连接到底盘的电路系统，只有运行电压高于30VAC和60VDC的才被称作高压母线，从而将48V系统排除在外。

出处：ECE-R100/02, Amendment 1, 2.20 HV component definition: “Where electrical circuits, that are galvanically connected to each other, are galvanically connected to the electrical chassis and the maximum voltage between any live part and the electrical chassis or any exposed conductive part is≤ 30 V AC and ≤ 60 V DC, only the components or parts of the electric circuit that operate on high voltage are classified as a high voltage bus.”[1]

3.5 小结

通过上述分析，48V系统无论直流电路还是交流电路，在发生单点失效时均不会对人员造成触电伤害；但交流电路在发生第二个故障的情况下，由于其相间电压超过了安全电压的范围，因此会对人员造成触电伤害。

国外相关法规对高压母线和绝缘电阻的适用范围进行了重新定义，使得48V系统得以豁免绝缘电阻的要求。我国相关国家标准可参考借鉴国外法规的做法。

4、汽车48V系统人员触电防护方法建议

由于48V系统确实存在负极绝缘电阻为0Ω，交流电路相间电压超过 30V a.c.，等电气安全的风险，因此车辆在设计时应对以上风险进行考虑。48伏系统的电气安全可通过以下方法予以保证：

a）系统电压值低于直流电路的高电压阈值；

b）在交流电路中，限制相位与电底盘之间的电压；

c）提供IP等级（外壳、隔板等）的物理防护；

d）线路绝缘；

e）电位均衡。

单点失效时，因为最多只能接触到一个相位而电压低于高电压阈值（60V DC），因此不存在高电压风险。只有发生第二个失效时，才能接触到第二个相位。同时，坚固的机械外壳或绝缘也可防止直接接触；采用电位均衡（等电位搭铁），可避免出现两次间接接触。

[1] uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train [S]. ECE/ TRANS/505/Rev.2/ Addendum 99: Regulation No. 100 part 02.

[2] Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants in the event of a lateral collision [S]. ECE/TRANS/505/Rev.1/Addendum 94: Regulation No. 95.

Applicability Analysis of Electrical Vehicle Safety Requirements National Standard on 48V System

Zhang Yingnan, Lu Chun, Liu Guibin
（China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

48V Systems could be technically easy and very fast introduced into market with very high quantity which multiplies the CO2 reduction benefit at once. The maximum working voltage of its D.C. circuit is lower than 60V d.c., and the A.C. circuit is higher than 30V a.c., match the classification of voltage class B, which is specified by GB/T 18384. Analysis on the circuit of 48V system and its probably first failure condition, get the results of its safety requirements on first failure and second failure conditions, propose the protection method against electric shock.

automobile 48V system; electric safety requirements; national standard

U467.3

B

1671-7988(2015)05-108-03

张英男，现就职于中国汽车技术研究中心、硕士研究生。

国家质检公益性项目：电动汽车安全关键技术标准研究（201310241）