电动汽车人员触电防护研究

赵家旺，刘桂彬，周荣（.河北工业大学，天津 3003；.中国汽车技术研究中心，天津 300300）



电动汽车人员触电防护研究

赵家旺1，刘桂彬2，周荣2
（1.河北工业大学，天津 300132；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

分析了电动汽车使用过程中可能发生的人员触电危害，从基本防护和单点失效防护两个方面提出了人员触电防护措施和防护要求。人员触电防护需要建立冗余机制，保证安全性能的鲁棒性，提高车辆整体安全水平。

电动汽车；基本防护；单点失效防护；电气安全

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.008

CLC NO.: U471Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-22-03

引言

电动汽车经过最近几年的快速发展，大规模产业化和商业化运营时代即将到来。区别于传统内燃机汽车，电动汽车搭载的电气系统具有高电压、大电流、高能量等特点，在使用过程中若发生人员触电事故，高压电力系统将会对人体造成不同程度的伤害。因此，电动汽车必须具有完备的人员触电防护措施，以降低电击事故发生几率及对人体的危害程度。

人员触电防护主要包括两个方面：直接接触防护和间接接触防护。避免直接接触对应基本防护，避免间接接触对应单点失效情况下的防护。单点失效防护可以看作基本防护失效后，为降低人员电击事故的危害而采取的应对措施。本文针对基本防护和单点失效防护这两个方面进行了研究。

1、基本防护

基本防护是指防止人员与高压带电部分的直接接触，避免危险情况的发生，属于故障前防护。基本防护主要包括基本绝缘和遮拦/外壳两部分，如图1所示。

1.1基本绝缘

基本绝缘是指在带电部件，主要是高压电缆和线束，表面覆盖一层不导电材料，形成绝缘保护层，防止高压带电部件的直接暴露。

为保证绝缘性能，基本绝缘应满足如下要求：（1）车辆如果是通过绝缘材料来提供触电防护，则电气系统的带电部分应当全部由绝缘体包裹，并且除非破坏否则无法去掉；（2）绝缘材料应能承受车辆及其系统的温度等级和最大工作电压；（3）绝缘体应有足够的耐电压能力，进行相关试验不应发生绝缘击穿或电弧现象。同时为提示人员避免接触高压带电部件，目前基本绝缘均采用橙色进行标识。

1.2遮拦/外壳

对高压带电部件使用遮拦/外壳进行隔离，防止人员直接接触，遮拦/外壳可以是导体也可以是绝缘体。根据所处位置的不同，遮拦/外壳应具有相应的防护等级，一般来说，乘员舱和行李舱内遮拦/外壳的防护等级应达到 IPXXD，其他位置的防护等级应达到IPXXB。

乘员舱和行李舱内的遮拦/外壳防护等级试验用测试试线的规格为直径1.0mm，长度100mm（IPXXD）。使用测试探针进行试验的目的在于确保遮拦/外壳的任何缝隙均不会超过1mm，且内部带电部件距缝隙的距离不低于 100mm。满足此要求的遮拦/外壳可以防止人员身体部位、微型工具以及乘员舱和行李舱内的可导电部件通过缝隙接触到内部高压带电部件，避免直接接触电击危害的发生。

乘员舱和行李舱之外的遮拦/外壳防护等级试验用测试试指的规格为直径12mm，长度80mm（IPXXB）。在这里不再使用试线进行试验的原因是考虑到这些遮拦/外壳被人员接触到的频率很低，同时为了便于紧急救援的进行，采用IPXXB防护等级，可以满足车辆安全要求。

遮拦/外壳应安装牢固，并且具有一定的机械持久性，在不使用专用工具的情形下应很难打开，并且应有措施防止因机械性能下降等原因导致非正常开启。

2、单点失效防护

单点失效一般包括：（1）可触及的非危险带电部分变为危险带电部分；（2）可触及的正常情况下不带电的可导电部分变为危险带电部分；（3）不可触及的危险带电部分变为可触及危险带电部分。在电动汽车中，将人员同时接触到高压带电部件和电平台的情形均视为单点失效。

单点失效防护是指在基本防护失效情形下的故障后应对措施，降低电气系统故障对人员造成的伤害。主要包括：电位均衡、绝缘电阻、电容耦合、断电以及其他触电防护替代方法等，如图2所示。

2.1电位均衡

当人员同时接触到两个及以上的高压带电部件时，若存在电势差，则人体就会有电流通过。为防止故障电流对人体造成伤害，B级电压电气设备的所有外露可导电部分，包括可导电的遮拦/外壳，应连接到电平台以保持电位均衡。电位均衡电路可采用焊接，螺栓连接等多种方式建立。

NHTSA（美国高速公路安全管理局）的研究显示，电动汽车在使用过程中，存在一种小概率极端事件，即人员同时与高压电路的正负极母线形成间接接触。此时对人员的安全防护主要取决于外壳的绝缘性能失效情况以及人体和外壳之间的电阻。分析认为，为避免危害电流流过人体，电位均衡电阻应小于0.1Ω。这样当基本防护失效而人员接触到高压母线形成间接接触时，有害电流绝大部分可以经过电位均衡电路导入车辆平台，避免人员电击伤害的发生，如图3所示。

理论上讲，均衡电阻越低，防护性能越好，当电阻降低到0.001Ω，即可以避免绝大多数意外事故的危害电流流过人体。但考虑到目前实际的制造工艺水平和机械连接接头的合格性验证限制，将均衡电阻降低到0.001Ω是不切实际的。因此，在经过大量相关试验及理论分析后，汽车及其他行业将 0.1Ω作为电气连接电位均衡电阻要求的标准限值。例如，MIL_B_5087，NASA技术标准NSA-STD-P023“NASA发射车辆、载具、飞行设备的电位均衡”，ISO-6469，ECE R100以及IEC 60335-1“家用电器及类似电器”第一部分：一般要求等。

2.2绝缘电阻

绝缘电阻是阻碍电流通过的一种方式，因此，更高的电阻意味着通过的电流更低。人体同时接触到带电部件和电平台时，即构成了闭合回路，绝缘电阻的存在相当于在回路中串联了一个分压电阻，降低了通过人体的电流，如图4所示。

车辆高压电路系统的电阻由高压电路和车辆电平台之间的电阻除以高压电源的工作电压确定。绝缘电阻的单位是Ω /V，可通过下式计算。

根据人体安全电流限值：交流2mA，直流10mA，电动汽车电气系统最大工作电压下的绝缘电阻最小限值要求如图5所示。

人体电阻是由许多因素决定的，如接触面积，接触部位，接触电压，环境湿度等，因此它是一个范围值。目前行业选取人体电阻值为 500Ω，这是人体“一只手到另一只手”电阻575Ω的0.87倍。经过试验验证和理论分析，0.87是合理的，因为人体“手到脚”路径的电阻要比“手到手”路径的电阻低10%到30%。

若绝缘电阻最小值无法在所有运行条件和全生命周期内满足要求，即出现绝缘失效的情形，则应采取一定的措施防止事故的发生，通常采用的方法有绝缘电阻监测和附加防护两类方法。

绝缘电阻监测系统可以连续或间歇的监测车辆绝缘电阻情况，在发现绝缘电阻性能下降到不足以保证人员安全的防护要求时，应给予驾驶员适当的警告，以便其采取相应的措施，避免事故的发生。同时，根据车辆的实际运行状态，车辆可以自动关闭B级电压系统，或者限制B级电压系统的激活。需要注意的是，若车辆及其附属系统具有两个及以上的绝缘电阻监测系统，应保证系统间的协调配合。

附加防护是指以基本防护为基础，采取类似的结构，提高对高压带电部件的隔离能力，降低防护失效的可能性。具体防护措施主要包括：（1）用双重绝缘或加强绝缘代替基本绝缘，提高绝缘防护的耐用性；（2）在基本防护之上增加一层或多层绝缘、遮拦/外壳，形成冗余保护机制；（3）在车辆的使用寿命中，使用具有足够机械强度和耐久性的刚性遮拦/外壳，避免出现过快磨损导致的防护能力下降。

2.3电容耦合

电动汽车B级电压电路和电平台之间的电容耦合通常是由Y电容器或寄生电容耦合产生，用来实现电磁兼容。在单点失效的情况下，绝缘电阻虽然可以限制从REESS流过人体的电流，但不能限制从Y电容器流过人体的电流，因此需要满足电容耦合的要求。

当人体与直流高压电路接触时，为防止由于电容放电产生的危害电流对人体造成伤害，应满足：（1）任何高压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时所存储的总能量应小于0.2J；（2）机械或电气防止接触方法。

当人体与交流高压电路接触时，为防止由于电容放电产生的危害电流对人体造成伤害，应满足：（1）流过人体的交流电流不应超过5mA；（2）机械或电气防止接触方法。

机械或电气的防护方法包括：（1）双重绝缘或加强绝缘代替基本绝缘；（2）在基本防护之上增加一层或多层绝缘，遮拦/外壳；（3）在车辆的整个使用寿命中，使用具有足够机械强度和耐久性的刚性遮拦/外壳。

2.4断电

当电动汽车B级电压电路出现故障时，若故障情形可能会影响到行车安全，则根据电路的工作状态，车辆应采取自动切断B级电压电路能量供应的措施，防止事故的发生。在车辆制造商规定的时间内，切断供电的电路应满足：（a）交流电路电压应降低到30V a.c.(rms)，直流电路电压应降低到60V d.c.，或以下；（b）电路存储的总能量小于0.2J，如图6所示。

在故障排除前，原则上不允许对车辆B级电压电路系统上电，若进行强制上电操作，则车辆应对操作人员进行必要的提醒，告知其车辆仍处于故障状态，需要尽快进行检查维修。

2.5触电防护替代方法

为提高电动汽车的安全性能，车辆制造商应进行适当的危害分析并建立一系列预防单点失效情况下的人员触电防护措施。

3、结束语

电动汽车具有高能量的高压电力系统，因此除满足车辆的通用安全要求外，还要采取必要的措施，保证日常使用中的电气安全性能。人员触电防护是电动汽车安全要求与传统汽车安全要求的主要区别之一。高电压、大电流、高能量电力系统的失效防护需要采取冗余机制，避免对人体造成伤害。目前电动汽车安全性能已基本满足市场要求，但仍然存在一些不足，需要继续进行完善，提高安全防护性能的鲁棒性和全面性，进一步降低危害事故发生几率，保证整车安全性能。

[1]付于武.中国战略性新兴产业研究与发展.新能源汽车.北京：机械工业出版社.2013.

[2]纯电动汽车及混合动力汽车设计基础：原书第二版/（美）侯赛因（Husain，I.）著；林程译。——北京：机械工业出版社，2012.

[3]电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护.

[4]ISO 20653：2013 Road vehicles-Degrees of protection (IP-Code)-Protection of electrical equipment against foreign objects,water and access.

[5]IEC 60479-1 Effects of current on human beings and livestock—part1: General aspects.

[6]Draft global technical regulation (GTR) No.XXX on Electric Vehicle Safety.

Study on Protection of Persons Against Electric Shock in Electric Vehicles

Zhao Jiawang1,Liu Guibin2,Zhou Rong2
（1.Hebei University of Technology,Tianjin,300132 ; 2.Chinese Automotive Technology & Research Center,Tianjin 300300）

Analyzed the persons electric shock hazard may occur in the process of using electric vehicles,put forward protection measures and protection requirements in basic protection and protection under single-failure conditions.The protection of persons against electric shock need redundancy protection,ensure safety performance robustness and improve the overall vehicle safety level.

electric vehicles; basic protection; protection under single-failure conditions; electrical safety

U471

A

1671-7988（2016）08-22-03

赵家旺（1991-），男，硕士，就读于河北工业大学。