电动汽车高压电安全设计浅析

邹利宁，胡艳峰，郑 欣，黄 河

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

电动汽车的电压等级较高，一般均为B级电压，即大于30 V，小于等于1 000 V的交流系统，或大于60 V，小于等于1 500 V的直流系统。就目前电动汽车行业现状而言，乘用车的电压等级多为300～500 V DC，商用车领域 （包括客车和载货汽车）电压普遍高于500 V，介于500～700 V之间。这样的电压等级远高于人体安全电压36 V，因此电动车高压电安全设计，不但关系车辆使用的可靠耐久，更与驾乘人员的人身安全息息相关。根据最新国标《GB／T 18384.3人员触电防护》中的要求，笔者结合多年新能源汽车设计工作经验，从电动汽车高压电气系统绝缘电阻检测、高压互锁回路设计和整车电位均衡3方面阐述电动汽车高压电安全设计。

1 绝缘电阻检测

电动汽车高压电气系统为车辆驱动电机等大功率部件提供电能，主要由动力电池组、电源变换器 （DCDC／DCAC）、驱动电机及其控制器、电动助力转向、电动制动及电动空调等电气设备和高压电线电缆等组成。高压电气系统的工作电压一般都在300 V以上，采用较高的电压平台，可以减小系统工作电流、减小高压电缆线径，有利于整车轻量化设计。但是，如此高的工作电压对高压电气系统和车辆底盘之间的绝缘性能提出了很高要求。

1.1 绝缘电阻的含义及测量意义

高压系统的绝缘电阻是指高压电气设备带电部分与车架或车身之间的电阻值，是电动汽车高压电安全最重要最基本的一个指标。

测量绝缘电阻的意义主要有以下几个方面：①众所周知，根据绝缘材料的耐热等级，电动机的绝缘等级一般分为Y、A、E、B、F、H、C 7个等级。不同的等级对应不同的耐热温度。绝缘材料在高温环境下易加速老化，从而使绝缘电阻值降低。通过测量绝缘电阻可间接判断绝缘材料性能是否满足设计要求。②高压电气设备大都是发热器件，一方面要考虑散热，另一方面要考虑防尘防水。目前的方案是采用水冷散热，高压设备和连接器防护等级可达到IP66到IP67，通过检测绝缘电阻，可判断IP防护是否到位。③检测绝缘电阻，可以间接判断高压电缆制作品质。例如，若电缆屏蔽层处理不佳，可能与高压导体接触，造成高压导体部分搭铁。

1.2 绝缘电阻检测方法

1.2.1 静态测量

绝缘电阻的静态测量方法，就是在整车装配结束后，在上高压电之前，用兆欧表测量整车高压电气系统各个组件，主要包括动力电池的正负极母线接口 （连接器）、驱动电机及其控制器高压接口、转向制动等辅助高压设备接口，以及高压电气设备金属外壳、固定支架等。通过对以上测量点与车架之间的绝缘电阻值进行测量，判断高压电器装置内部及高压电缆绝缘层的高压绝缘性能。测试方法分以下几个步骤。

1）测量前，断开高压系统电源，对兆欧表进行短路和断路测试，确保兆欧表工作正常。

2）兆欧表应平稳放置在远离大电流和外磁场的地方。

3）选择合适的电压挡位，以福禄克1508兆欧表为例，其可提供50V、100V、250V、500V和1000V五个挡位的设置。

4）选定挡位后，黑色表笔连接车架，红色表笔连接被测部位，按下测试按钮开始测量，待屏幕读数稳定后，记录数据，完成该部位绝缘电阻的测量。

5）测量完一个部位后，对表笔短路放电，防止表笔上的残留电压对后续部位测试造成干扰，然后按照步骤4）依次测量其余部位，记录数据，完成整车绝缘电阻的测量。

《GB／T 18384.3—2015电动汽车安全要求 第3部分 人员触电防护》中规定：在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值至少大于1 00 Ω／V，交流电路至少大于500 Ω／V。一般的电动汽车均为交直流混合系统，因此应按照500 Ω／V的要求设计、测量绝缘电阻。

表1为某款纯电动汽车典型高压部位的对搭铁绝缘电阻实测数据。从表1中不难看出，动力储能系统和驱动电机系统的绝缘电阻值较高，辅机中的转向和助力电机次之，舒适系统中的空调暖风绝缘电阻较小。若按照600 V DC计算，国标对绝缘电阻值的要求是不小于300 kΩ，表1中最小的PTC绝缘电阻也远远大于国标要求。

表1 某款电动汽车典型高压部位绝缘电阻值

既然单个高压部件的绝缘电阻值可以做到如此高，为何国标要求却这么低呢？笔者认为有3点原因：①以600 V直流系统计算，300 kΩ的绝缘电阻所造成的泄露电流仅有2 mA，只是身体有感电流的下限，不会造成人身伤害；②对于单个高压部件，绝缘阻值做到兆欧级别并非难事，但是就电动汽车整车而言，高压部件少则五六种，多则十种，这些高压部件的绝缘电阻构成一个并联电阻系统，其阻值大小类似“木桶原理”，由最小值决定，而且要比最小值还小；③设备运行过程中的发热和长期使用造成的绝缘材料老化，以及气候因素引起的潮湿等因素，使得不论单个高压部件还是高压系统的绝缘阻值都不同程度下降。

综合以上3点，在进行高压部件绝缘电阻材料选型和绝缘电阻指标设计时，一定要根据车辆使用环境和工况等因素综合考虑，预留一定的设计余量。

1.2.2 在线实时测量法

绝缘电阻的第二类测量方法称为在线实时测量法，目前应用最广最为成熟的是低频信号注入法。采用该方法的绝缘检测仪已经比较成熟，有专门配套厂生产。整车厂设计的侧重点是外形尺寸、安装布置、电气参数、EMC以及通信协议方面的需求。比如，用于电动商用车的绝缘检测仪，工作电压范围满足18～32 V，静态功耗不大于3 mA；通信协议满足SAE J1939规范；电磁兼容满足GB／T 18655和GB／T 17619的相关要求。

采用低频信号注入法，可以在上低压电后、上高压电之前检测整车高压系统绝缘电阻状态，一旦出现绝缘电阻故障，可通过控制策略限制上高压电，避免上高压后出现不可预知的后果；待排查并处理绝缘故障后，方可上高压。但是这种方法也有一定局限性，比如由于BMS主放电接触器在上高压电前未闭合，因此无法检测放电接触器前端的绝缘电阻。目前，比较常见的解决办法是通过BMS内置绝缘检测模块检测，BMS低压供电接常电，行车时与整车绝缘检测仪协同检测绝缘电阻，充电时BMS进行绝缘电阻检测，并通过远程终端发送充电状态至企业平台和公共平台。

表2为某款电动车绝缘电阻故障等级定义及处理机制。以往设计中出现过4个故障等级的划分，除表2中一、二级故障外，还有三级故障 （接线故障），四级故障 （设备故障）；实践中发现，出现三、四级故障的同时一般都会伴有一、二级故障出现，因此简化设计，仅保留一、二级故障处理机制即可。

表2 绝缘电阻故障等级定义及处理机制

2 高压互锁回路

2.1 高压互锁的定义

ISO国际标准《ISO 6469-3：2001电动汽车安全技术规范第3部分：人员电气伤害防护》规定：车上的高压部件应具有高压互锁装置。高压互锁，也指危险电压互锁回路（HVIL， Hazardous Voltage Interlock Loop），其原理是通过使用电气小信号来检查整个高压设备、电缆、连接器电气完整性，识别回路异常时，及时断开高压电。

2.2 高压回路的互锁设计

高压互锁回路通过带互锁信号的高压连接器和手动维修开关 （MSD）实现。连接器主要实现配电端即高压设备端的高压互锁，MSD则实现动力电池组即供电端的高压互锁。互锁端子相互串联连接，构成互锁信号回路，每个高压连接器相当于互锁信号回路的一个开关节点，只有高压连接插接到位，接触良好时，互锁信号才会导通。一般将互锁信号接搭铁后送入VCU（整车控制器），VCU接收到低电平信号后方可进行高压上电。其原理如图1所示。

图1 高压电气互锁回路

高压互锁功能通过带互锁功能的高压连接器、互锁回路和整车控制策略3方面完善设计才能实现。高压互锁功能主要有以下3方面意义：①弥补了高压连接机械锁止机构安装不到位或长期振动后松脱的不足；②防止由于端子压接品质不过关，出现部分退针接触面积不足的情况；③提高连接器插接件电气安全性和人身安全，先闭合低压回路，检测低压信号，然后闭合高压回路，可以最大限度避免带电插拔高压连接器的可能。

3 高压电气系统电位均衡

国标《GB／T 18384-3：2015电动汽车安全要求 第3部分》中，将等电位连接 （电位均衡）定义为：电气设备外露可导电部分之间电位差最小化。

电动汽车储能系统虽为直流供电系统，但有很多感性负载，如驱动电机、转向助力电机等。这些感性负载运行时，其机体内部的绕组和高压连接电缆会通过交变电流，交变电流产生电磁场，如果电机本体和高压电缆屏蔽性能不佳或绝缘性能下降，有可能使高压部件外壳产生感应电动势，使得高压部件外壳两点之间存在电势差，有触电的安全风险。

图2 电位均衡示意图

高压电气系统电位均衡不但是实现人员安全防护的要求，同时也与整车的正常运行息息相关。通过电位均衡系统将高压电器设备外露可导电部分电位最小化，可在一定程度上提高整车EMC性能和ESD性能。如图2所示，高压组件的可导电外壳与底盘连接，使所有高压组件可导电外壳连接成一个整体，具有相同电势，以满足高压组件系统外漏可导电部分任意两点电位差最小的要求。电位均衡连接需要注意以下几点：①任一高压设备外壳应预留专用等电位连接点，并布置于设备外缘，以便用最短的导线与车架或车身连接；②等电位连接点应设计成焊接螺母或螺纹孔，便于用螺栓可靠地固定连接端子；③连接时需保证连接孔及孔缘清洁、干燥，避免因油污、车漆等绝缘性物质增大接触电阻；④连接导线推荐使用不小于6 mm2的铜编织线，保证导线具有足够小的电阻。以上4点的最终目的是保证等电位通路中任意两个可同时被人触碰的外漏可导电部分之间的电阻不大于0.1 Ω。

4 结束语

本文从绝缘电阻检测、高压互锁和电位均衡3个方面论述高压电安全设计，具体介绍了绝缘电阻检测常见方法、高压互锁回路的一般电气原理和电位均衡的含义和重要意义。安全性是汽车各项性能指标中最基本、最重要，也是最难的一项工作，而高压电安全又是电动汽车领域最重要的一项课题，可谓任重道远。本文抛砖引玉，希望能为高压电安全设计提供一些借鉴。