电动汽车电安全标准分析及测试

2019-10-17李春张磊闫肃军

汽车零部件 2019年9期

李春，张磊，闫肃军

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

0 引言

汽车是现代文明的重要组成部分，是人类智慧的结晶。它在推动社会快速发展的同时，也给人类带来了日益突出的危害。根据世界资源研究所和中国环境检测总站测算：全球10个大气污染最严重的城市中，我国就占了7个，主要原因在于汽车尾气对环境的污染。混在大气中的汽车尾气含有对人体血液、神经系统有严重损害的有毒物质。除此之外，汽车噪声也是城市噪声的主要来源。相比传统燃油汽车而言，电动汽车的零排放或低排放和低噪声，将大大缓解燃油汽车对人类生活环境的污染[1]。

电动汽车相比传统的燃油汽车，由于驱动方式的改变，即由内燃机驱动改为电机驱动后，使得电动汽车在整车结构方面增加了高于人体安全电压的高压电系统。因此，随着电动汽车的爆发式增长，有关电动汽车的安全隐患也随之增加。碰撞试验是测试车辆碰撞安全性能的有效途径。碰撞安全性能的好坏，需要利用一定的试验方法和设备，通过测试车辆在发生碰撞时，能否通过车辆自身的吸能结构、安全气囊、安全带等安全配置降低对车内乘员所造成的伤害来评定。对于电动汽车而言，碰撞试验除了需要考察车身结构和假人的防护性能，还需要考察与电安全相关的其他性能，如防触电保护性能。

本文作者主要对电动汽车的特殊性，即碰撞后的电安全测试，从标准和测试技术方面进行分析和研究。

1 标准现状

目前，关于电动汽车在碰撞后电安全测试的标准与法规有：(1)美国国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)的FMVSS 305《电动汽车：电解液泄漏和电安全防护》[2]；(2)欧洲经济委员会(Economic Commission of Europe，ECE)的ECE R94[3]和R95；(3)国家标准中的GB/T 31498-2015《电动汽车碰撞后安全要求》[4]。

1.1 美国标准

根据美国颁布实施的《机动车安全法》，凡在美国销售并在美国行驶的车辆，包括电动汽车，必须满足FMVSS标准。FMVSS 305是美国汽车安全技术规范中唯一针对电动汽车所制定的，它要求电动汽车在完成正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞以及随后的静态翻滚后，应满足相关的电安全要求，包括动力电池电解液溢出、动力电池系统位置保持和高压电气安全。

具体要求如下：

(1)电解液泄漏

试验后30 min内，若存在电解液泄漏，则电解液泄漏量不允许超过5 L，且电解液不允许溢出到乘员舱。

(2)动力电池包位置保持

动力电池包至少应通过一个紧固点、支架或其他结构使电池包保持在安装位置，并且不得进入乘员舱。

(3)电器安全，以下条款应满足其一：

①绝缘电阻。对不具有绝缘监控的高压电系统，试验后高压电系统与车辆电平台之间的绝缘电阻阻值应大于等于500 Ω/V；对具有绝缘监控的直流高压电系统，其绝缘电阻应大于等于100 Ω/V。

②电压要求。高压电路电压(Vb、V1和V2)应不大于30 V(AC)或60 V(DC)。

(4)绝缘监控

每个直流高压部件须有绝缘监控系统对其进行监控，并能在绝缘失效时发出警告[2]。

1.2 欧洲标准

欧洲ECE标准要求：电动汽车在按照ECE R94、ECE R95、ECE R135、ECE R137等碰撞规程中定义的方法进行试验后，高压带电系统，包括动力系统、高压带电部件和高压母线需要满足防触电保护要求，其中防触电保护要求包括电压要求、电能要求、物理防护、绝缘电阻、电解液泄漏要求和REESS(Rechargeable Energy Storage System)要求。

具体要求如下：

(1)防触电保护

当电力系统在未通电的情况下进行试验时，则整车的电安全由下面的第③条和第④条来考核。当电力系统在通电的情况下进行试验时，则以下4条应满足其一。

①电压要求。高压母线的电压Vb、V1和V2应不大于30 V交流或60 V直流。

②电能要求。高压母线上的总电能TE应小于2.0 J。

③物理防护。碰撞后车辆应有IPXXB级别的保护，且所有外露的可导电部件与电平台之间的电阻应低于0.1 Ω。

④绝缘电阻。若电路中有一点以上或部分高压母线不满足③时，则该项不适用。如果交流高压母线和直流高压母线互相传导绝缘，高压母线与电平台之间的绝缘电阻对于直流母线来说，最小值应为100 Ω/V；对于交流母线来说，最小值应为500 Ω/V。如果交流高压母线和直流高压母线是互相传导连接的，高压母线与电平台之间的绝缘电阻的最小值应为500 Ω/V。

(2)电解液泄漏

碰撞结束30 min内，不应有电解液从REESS中溢出到乘员舱，布置在乘员舱外部的REESS其电解液泄漏量不应超过7%，不包括开放型的动力蓄电池。针对开放型的动力蓄电池，其电解液泄漏量不应超过7%，且最大泄漏量不应超过5 L。

(3)REESS要求

布置在乘员舱里的REESS应保持在安装位置，REESS部件应保持在其外壳内。位于乘员舱外部的任何REESS部分不得进入乘员舱[3]。

1.3 中国标准

我国关于电动汽车碰撞后安全要求主要执行的标准为中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2015年5月15日发布的GB/T 31498-2015《电动汽车碰撞后安全要求》。该标准要求带有B级电压电路的纯电动汽车和混合动力汽车，在按照GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》和GB 20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》的标准进行碰撞试验后，整车的动力用高压系统及动力用高压系统传导连接的高压部件应同时满足防触电保护要求(电压要求、电能要求、物理防护、绝缘电阻)，电解液泄漏要求和REESS要求。

具体要求如下：

(1)防触电保护

每一条高压母线应该满足以下4条款中的任意一项。如果碰撞试验在车辆的REESS与电力系统负载主动断开的情况下进行，则车辆的电力系统负载应满足第③条或第④条中的任意一项。

①电压要求。高压母线的电压Vb、V1和V2应不大于30 V交流或60 V直流，当车辆REESS与电力系统负载主动断开的情况下，该条款不适用。

②电能要求。高压母线上的总电能TE应小于0.2 J，储存在Y-电容器里的能量(TEy1，TEy2)也应小于0.2 J。当车辆REESS与电力系统负载主动断开的情况下，该条款不适用。

③物理防护。为防止直接接触高压带电部位，车辆应有IPXXB级别的保护；为防止间接接触的触电伤害，用大于0.2 A的电流进行测量，所有外露的可导电部件与电平台之间的电阻应小于0.1 Ω。

④绝缘电阻。动力系统由单独的直流和交流母线组成时，高压母线与电平台之间的绝缘电阻对于直流母线最小值为100 Ω/V，同时对于交流母线最小值为500 Ω/V。动力系统由连接的直流和交流母线组成时，高压母线与电平台之间的绝缘电阻最小值为500 Ω/V；若所有交流高压母线的保护等级达到IPXXB或交流电压等于或小于30 V，则其最小值为100 Ω/V。

(2)电解液泄漏

碰撞结束后30 min内，不应有电解液从REESS中溢出到乘员舱，不应有超过5.0 L的电解液从REESS中溢出。

(3)REESS要求

①位移要求。位于乘员舱里的REESS应保持在安装位置，REESS部件应保持在其外壳内。位于乘员舱外的任何REESS部分不应进入乘员舱。

②特殊安全要求。碰撞结束30 min内，REESS不应爆炸、起火[4]。

2 标准对比与分析

将FMVSS、ECE和GB中涉及到高压电安全方面的各项要求列表，结果如表1所示。

表1 电动汽车高压电安全要求

由表1可知：上述3类标准中关于电动汽车碰撞后电安全要求的考核内容基本一致，区别在于每一基本考核项中的具体要求不同。下面对美标与国标、欧标与国标之间的具体差别进行对比分析。

2.1 美标与国标

FMVSS 305与GB/T 31498-2015在碰撞后电安全方面的技术要求差别较大，分析如下：

实验优化了标准模式下测镉、铅、汞、铬、砷和锑的强度值，以0.1 L/min的幅度，从0.1 L/min逐渐调节Neb至1 L/min，测试不同条件下1 mg/L标准溶液，结果见图1。随着Neb的增大，各元素标准溶液信号逐渐上升，在0.5 L/min 时最优，然后下降。因此，测试6种元素的Neb值选择0.5 L/min。

(1)绝缘监控系统要求。FMVSS 305标准增加了对绝缘监控系统的要求，每个直流高压部件须有绝缘监控系统对其进行监控，并能在绝缘失效时发出警告，而GB/T 31498-2015对此项没有要求。

(2)防触电保护要求。FMVSS 305标准规定了两项可选的防触电保护要求，即绝缘电阻要求和电压要求。而GB/T 31498-2015中，有关防触电保护的要求有4项可选方案，分别为电压要求、电能要求、物理防护和绝缘电阻。

(3)绝缘电阻测试目标。FMVSS 305中绝缘电阻的测试目标是整车的高压电系统，而GB/T 31498-2015中绝缘电阻的测试目标是REESS。

(4)REESS位置保持要求。GB/T 31498-2015中明确指出“位于乘员舱内的电池系统部件应保持在其壳体内”，而FMVSS 305没有明确规定乘员舱内的电池系统位置保持要求。

(5)REESS爆炸起火要求。GB/T 31498-2015中规定了碰撞结束后30 min内，REESS不应爆炸、起火，而FMVSS 305标准并未对此项进行要求。

(6)绝缘电阻阻值要求。FMVSS 305中规定对不具有绝缘监控的高压电系统，试验后高压电系统与车辆电平台之间的绝缘电阻阻值应大于等于500 Ω/V。对具有绝缘监控的直流高压电系统，其绝缘电阻应大于等于100 Ω/V。而GB/T 31498-2015规定动力系统由单独的直流和交流母线组成时，高压母线与电平台之间的绝缘电阻对于直流母线最小值为100 Ω/V，同时对于交流母线最小值为500 Ω/V。动力系统由连接的直流和交流母线组成时，高压母线与电平台之间的绝缘电阻最小值为500 Ω/V，若所有交流高压母线的保护等级达到IPXXB或交流电压等于或小于30 V，则其最小值为100 Ω/V。

由上述分析可知，美标中对电动汽车在安全配置方面要求较高，要求所有高压部件都需要具备绝缘电阻监控功能。另外，在防触电保护中，美标只规定了对低电压和绝缘电阻两项指标进行考核，而国标中除了上述两项指标，还增加了对电能和物理防护的考核要求。由于防触电保护中各项考核指标为“或”的关系，即一项满足即可。因此，美标相对国标而言，不论是在电动汽车安全配置方面，还是在考核指标方面，其标准要求均严于国标。

2.2 欧标与国标

ECE与GB/T 31498-2015在碰撞后电安全方面的技术要求基本一致，只是在具体的考核指标上略有差异。分析如下：

(1)防触电保护要求中的电能要求。GB/T 31498-2015中规定的能量限值为0.2 J，而ECE中规定的能量限值为2.0 J。

(2)电解液泄漏要求。ECE中规定碰撞结束30 min内，不得有超过7%的电解液从动力电池包中溢出，对于开放型动力电池，则强调不得有超过7%且最大不超过5.0 L的电解液溢出；而GB/T 31498-2015中只要求了碰撞结束30 min内不得有超过5.0 L的电解液从电池包中溢出，并未对电池包的类型进行规定。

(3)REESS要求。GB/T 31498-2015中规定了碰撞结束后30 min内，REESS不应爆炸、起火，而ECE中并未做此要求。

由上述分析可知，在考核指标的定值和定性方面，国标要严于欧标。

3 实例分析

为了对标准有更好的理解，本文作者以GB/T 31498-2015为依据，对3款试验车型进行测试。试验车型和试验工况的基本信息如表2所示。

表2 基本信息

由表2可知选择的3款车型均为运动越野型轿车。另外，从试验工况上，选择了目前较为严格的100%全宽正面刚性壁障的碰撞试验。下面按照标准中的各项要求，对3款测试车型试验后的结果进行对比和分析。

3.1 电压要求

按标准要求，试验车辆在碰撞结束后的5～60 s之间，其电力系统负载端高压母线上的电压Vb、V1和V2应不大于30 V交流或60 V直流。对于电动汽车，由于它带有高压电池包，因此碰撞后容易发生起火、爆炸等安全隐患。通常试验后需要对试验车辆观察2～3 min。如果采用人工测量的方式，则测量时间不能满足该项要求所规定的5～60 s。为此，实验室开发了一套高压测量仪，设备如图1(a)所示。利用该设备，对3款车型测得的试验后电压曲线分别如图1(b)(c)(d)所示。