电动汽车高压电安全系统设计要求（接触防护）

2018-12-06秦振海耿志勇李隽杰

汽车电器 2018年11期

关键词：熔断器电位蓄电池

秦振海，耿志勇，李隽杰

（1.陕西汽车集团有限责任公司，陕西西安 710200；2.陆军装备部车船局驻西安地区军代室，陕西西安 710200）

电动汽车是指由搭载蓄电池提供电力驱动的汽车，工作电压高达几百伏，远远高于安全电压。一旦高压电路发生绝缘、短路及漏电等情况，直接危及驾乘人员的生命安全。因此电动汽车高压安全设计显得尤为重要。

1 高压电安全设计

1.1 防护设计

电动汽车车身及各大总成应有足够的强度，一方面来抵抗发生碰撞时造成的冲击，另一方面防止二次事故的发生。

1.2 高压部件的要求

1.2.1 高压部件的壳体强度要求

参考GB 11551－2014的《乘用车正面碰撞的乘员保护》及GB 20071－2006的《汽车侧面碰撞的乘员保护》碰撞试验条件要求初速度为50km／h，瞬间撞击能量可达到30～60kJ，预抵抗吸收如此大的撞击能量，对整车驾驶室、车架、侧防护及高压部件机械强度有很严格的要求。

一般高压部件的壳体强度要求应能承受不低于10 kPa的压强，不发生明显的塑性变形。

1.2.2 高压电源的安装位置要求

高压电源（动力蓄电池、增程器、氢燃料反应堆）最好安装在车架的两纵梁之间和后桥之前、前桥之后，在很大程度上可减轻或防止外部碰撞造成的损伤。如整车布置没法满足此要求，必须在高压电源的外围另外增加高强度辅助防护围挡。图1为奔驰eTruck Concpet卡车动力蓄电池组的布置情况。

图1 奔驰eTruck Concpet卡车动力蓄电池组的布置

1.3 高压电缆的防护

电动汽车高压电缆是高压系统中最薄弱的环节，对其进行加强防护，为提示和警示维修人员，高压电缆应采用橙色电缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器外壳也应标识为橙色，起到警示作用，并且所选高压连接器防水、防尘要求应达到IP67防护等级。高压电缆的防护，对于凸缘、棱角处，使用适当胶圈进行保护，对于车架外与支架接触的高压电缆总成，须额外增加高压电缆耐磨抗冲击保护材料，防止发生碰撞对高压电缆的损伤。

1.3.1 波纹管的要求

因电动汽车使用过程中有高电压、大电流的特性，并且高压电缆在外界环境温度（高温）下和自身在大电流的作用下，经过热量累积高压电缆温度可以达到130℃以上，高压电缆长时间处于高温工作状态下，车辆停下来后又温度急剧下降，因此，对波纹管温度交变性能和基温性能要求比较高。

1.3.2 高压电缆耐磨抗冲击保护材料的要求

当电动汽车发生碰撞时，首当其冲受到损伤的是高压电缆，如果不对高压电缆采取耐磨抗冲击保护措施，高压电路发生绝缘、短路及漏电等情况时，直接危及驾乘人员的生命安全。因此，对高压电缆耐磨抗冲击保护材料的要求是：①抗磨损、耐冲击能力强；②具有良好的散热通风能力，保证高压电缆在大电流的作用下热量散发到大气中。

表1为通过撞击试验后不同防护材料高压电缆损伤情况对比。

表1 撞击试验后不同防护材料高压电缆损伤情况对比

1.4 过电流及短路保护

在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件，即在相关回路中设置高压熔断器，以下为高压熔断器选型过程。

1.4.1 高压熔断器选用时考虑的因素

在选用高压熔断器时，应充分考虑熔断器的熔断特性曲线（即预期电流与有效熔断时间之间的函数关系）、0．15%功率因数时的总焦耳积分I2t、峰值弧电压UL及负载特性（如电机类长时制、短时制、电阻类）。

1.4.2 高压熔断器选用要求

1）高压熔断器的额定电压应大于等于电源电压。

2）高压熔断器应能耐受正常负荷和正常负荷的浪涌电流（如：变压器的励磁峰值电流、电动机的启动电流、电容器充电电流等）。

3）高压熔断器应能在要求的时间内分断被保护电路的最小短路电流。

4）高压熔断器的分断能力应大于被保护电路的最大短路电流。

5）高压熔断器不得运行于时间电流／熔断曲线的虚线段。1.4.3 高压熔断器选用步骤

1）确定高压熔断器的额定电流根据负荷类型及负荷额定电流确定高压熔断器的额定电流。高压熔断器的额定电流相应的对照其熔断特性曲线如图2所示。

式中：IF——高压熔断器的额定电流；KP——保险系数；IL——负荷额定电流。

当负荷为永磁同步电机时，KP取值1．5～2．5；当负荷为三相异步交流电机时，KP取值3．0～4．0；当负荷为变压器时，KP取值1．3～1．5；当负荷为其他类型负载时，KP取值1．2。

2）校核高压熔断器的总焦耳积分QEg根据负荷实际运行工作电压值，选取图3对应的矫正因数K，计算总焦耳积分I2t。

式中：QEg——实际运行工作电压下的总焦耳积分；I——负荷额定电流；t——有效熔断时间；Q——额定电压下高压熔断器的总焦耳积分。

3）校核高压熔断器的弧电压UL根据负荷实际运行工作电压值，由图4对应曲线查表得到高压熔断器的弧电压UL。

式中：UL——高压熔断器的弧电压；UL——高压熔断器的额定工作电压。

图2 高压熔断器熔断特性曲线图

图3 实际工作电压下对应的矫正因数K

图4 负荷额定工作电压与高压熔断器的弧电压对应曲线

1.5 直接接触防护要求

整车高压部件的安装要满足防护要求，外壳要满足防人身直接碰触而受到的电击危害。

常规的防直触有两类：防止手指触摸达到IPXXB要求（如维修插头、插接器充电插座等）；防金属探针触摸达到IPXXD要求（如高压配电箱、高压蓄电池箱）。

最为重要的是上述保护装置不得在未使用工具的情况下被打开、拆开或移除。

1.6 高压互锁监测及保护设计要求

高压互锁监测及保护回路设计必须满足如下的设计要求：①高压互锁监测及保护回路必须保证互锁回路形成闭环连接，高压电路通断彻底；②高压回路的所有高压连接器在不使用工具或者无意识的情况下，不能被打开、分离或断开；③ 高压互锁监测及保护回路应该有安全冗余设计。

1.6.1 充电插头插座的高压互锁设计要求

充电插头插座的高压互锁设计应满足如下要求。

1）交流充电电流大于16 A时，供电接口和车辆接口应具有锁止功能的电子锁止装置，防止充电过程中的意外断开；当电子锁止装置未可靠锁止时，供电设备或电动汽车应停止充电或不启动充电。

2）直流充电时，车辆接口应具有锁止功能，车辆插头端应安装机械锁止装置，供电设备应能判断机械锁是否可靠锁止；车辆插头应安装电子锁止装置，电子锁处于锁止位置时，机械锁应无法操作，供电设备应能判断电子锁是否可靠锁止；当机械锁或电子锁未可靠锁止时，供电设备应停止充电或不启动充电。

3）电子锁止装置应具备应急解锁功能，不应带电解锁且不应由人手直接操作解锁。图5为奔驰eTruck Concpet卡车应急解锁系统，其操作次序也具有互锁功能，先按动图中红色按钮1，启动高压断电回路，断开高压电池及充电机的高压电的同时图中黑色按钮上电（低压电），按动图中黑色按钮2，启动开启电子锁止装置。具有先下高压电后才能解开电子锁止装置的互锁功能。

图5 奔驰eTruck Concpet卡车应急解锁系统

1.6.2 维修开关的高压互锁设计要求

电动汽车应配备一个具有高压互锁功能的手动维修开关来断开车载动力电源（例如：动力蓄电池、增程器等）。当车辆因维修保养或故障时，不能确保高压系统绝缘时，该开关能够切断高压动力电路系统之前先断开高压负载。

1.6.3 维修开关的安装位置设计要求

维修开关安装位置一般要求安装在两组动力蓄电池中间位置，这样可以最大限度地避免在维修保养时高压触电事故的发生。

维修开关安装位置一般有2种，一种是位于动力蓄电池组的正极，见图6；另一种是位于两组动力蓄电池中间位置，见图7。

图6 维修开关位于动力蓄电池组的正极

图7 维修开关位于两组动力蓄电池中间位置

图7 维修开关安装位置优于图6安装位置，一方面图7中的维修开关将动力蓄电池组分为两部分，其电压值降低很多，从而降低电压对人体危害程度，另一方面，假如图中（2）号节点与底盘搭接，图6中接触到（3）、（4）、（5）、（6）号节点都有触电的风险；而图7中只有接触到（3）号节点才有触电的风险，大大降低了触电事故的发生。

2 间接接触防护

2.1 等电位连接

等电位连接是把属于高压部件暴露的导电部分（如外壳保护盖，分隔板）互相连在一起，并连接到车辆底盘。对于属于高压部件的导电盖或外壳，应具有相同的等电位。可以采用导线（编织铜带）连接高压零部件的外壳与地，以达到等电位；零部件也可通过支架与车身相连达到等电位的效果。图8为高压部件等电位连接实例。

图8 高压部件等电位连接实例

2.2 等电位连接设计意义

汽车车身、底盘其本身就是一个大的等电位平台，如果没有等电位连接，在高压系统中，各个高压零部件相互独立，又各个高压零部件外壳内阻不相同，一旦出现绝缘故障问题，一方面其潜在危险不易检测，对人身安全造成威胁；另一方面因各个高压零部件的电参数不一样，对绝缘监测系统的探头安装也不利，对监测出来的绝缘电阻值误差也比较大。以图9、图10为例加以说明，在图9中，假设高压部件1壳体对电源负极出现绝缘故障，高压部件2壳体对电源正极出现绝缘故障，如果此时维修人员同时触及高压部件1、2时，会有高压触电事故的发生。对于绝缘监测系统的布置安装，同时需要3个探头才能对整车的绝缘电阻进行实时监测。在图10中，假设高压部件1壳体对电源负极出现绝缘故障，高压部件2壳体对电源正极出现绝缘故障，如果此时维修人员同时触及高压部件1、2时，高压部件1、2壳体处于等电位平台，而人体的电阻远远大于高压部件1与2壳体的电阻，高压部件1与2壳体的电阻达到毫欧级别，可以忽略不计，此时高压回路处于短路状态，动力蓄电池组内的熔断丝熔断，保护高压电路，避免安全事故的发生。对于绝缘监测系统的布置安装而言，只需1个探头对等电位连接点进行监控，便能实现对整车高压系统的绝缘情况进行监控。

图9 无等电位连接的高压电路

图10 有等电位连接的高压电路

2.3 等电位连接电阻要求

高压部件至车身搭铁任意一点之间的等电位电阻≤100 mΩ；高压部件至其最近车身搭铁之间的等电位电阻≤40 mΩ；非直连车身搭铁的高压部件，与其相邻支架或其他接触部件之间的等电位电阻≤10 mΩ。

2.4 保护搭铁

在交流电网（电源）搭铁端子，直流电网（电源）搭铁端子和车辆插头的搭铁端子之间应提供保护搭铁导体。

保护搭铁是将电气设备外露可导电部分用保护线与大地连接防护措施，保护搭铁一般应用在电动汽车充电系统中。图11所示为交流充电系统对电动汽车车身采用保护搭铁措施，即在供电设备端利用PE线直接搭铁，充电设备充电插头与电动汽车充电插座的PE端相连，车载充电机与车辆插座的PE端共同连接到车身搭铁，这样车辆和充电系统形成TT网。此时如果人员站在车辆底盘接触到带有危险电压的设备外壳（如图11中所示的车载充电机），由于保护线PE的电阻很小，故人体两端承受的电压也很小，通过人体的漏电流也就会很小（漏电流都由PE线经大地流回电网），从而使得人员的间接电击危险性大大降低。