考虑安全规范的电动汽车安全问题综述

李楠

（上海工商外国语职业学院，上海 201399）

引言

与传统内燃机（internal combustion engine， ICE）汽车相比，电动汽车具有污染低、噪声小，能源利用率高等优势[1-3]，已经被国家纳入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划。电动汽车研发及大规模商业化推广应用已经在国内如火如荼的展开。同时，世界范围内电动汽车的发展也呈现出加速趋势，由国际能源署（International Energy Agency， IEA）发布的“EV30＠30模型”显示，2030年全球电动汽车保有量预计达到2.4亿辆。虽然电动汽车被视为未来交通工具的主流，但是其自身固有的、区别于ICE汽车的安全问题也备受关注与争议[4，5]。

当前的电动汽车主要分为两类：混合动力电动汽车和纯电动汽车。对混合动力电动汽车而言，电驱动系统作为辅助动力源被融合进了传统的内燃机系统中，该类汽车通常具有能源效率高和回馈制动的优点[6]；而纯电动汽车已经完全摈弃了内燃机驱动系统，结构更加简单，在行驶过程中实现零污染物排放[7]。然而，无论是混动汽车还是纯电动汽车，都必须采用动力电池存储大量能量，以实现汽车更长距离的行驶，同时，为实现电能与机械能的转换，高压（300～600 V）和大功率（几十到几百千瓦）驱动电机以及电力电子器件也是必不可少的。然而，正是由于电驱动系统的使用，导致电动汽车的安全性问题与传统汽车产生了本质差异。目前，由于大量电池着火和乘客触电的相关报道，电池安全和触电保护是电动汽车用户最为关注的电气安全问题[8]。然而，领域内专家和工程师对电动汽车安全问题具有更全面、更深刻的认识，并形成了严格的技术规范，用来指导电动汽车的加工、生产与测试，提高电动汽车的安全性，但这些规范并不为普通大众所熟知。

电动汽车安全规范具有区域性，除了国际统一标准外，各个国家或地区也形成了各自的安全规范。其中，国际标准包括ISO 6469-1，ISO 6469-2，ISO 6469-3，ISO 6469-4，ISO 6722-1，ISO 26262，IEC 61851-1，IEC 61851-21，IEC 62660-1，IEC 62660-2，IEC 62660-3，UN Regulation No.94，UN Regulation No.95和UN Regulation No.100等；区域标准包括美国FMVSS 305，欧洲ECERegulationNo.100，韩国KMVSS Art.2和Art.18系列以及中国GB/T 18384系列、 GB/T 19751，GB/T 24549，GB/T31498和QC/T 895等。其中，UN Regulation是最早出现的电动汽车安全规范之一，很多区域性安全规范及标准（如GB/T 18384系列和GB/T31498等）都是参考该类文件形成的。在这些安全规范中，电动汽车电气安全问题主要被分为两类：正常使用时安全问题和碰撞后安全问题。

针对电动汽车安全问题，本文首先对电动汽车驱动系统的组成部件进行了概述，对系统高压、大功率特性进行了分析，指出电动汽车安全问题的根源；其次，根据联合国电动汽车基础安全规范（UN Regulations），对电动汽车安全问题进行了详细介绍，提高了普通用户对电动汽车安全问题的认识，并且为科研工作者提供了电动汽车安全技术提高的研究方向。

1 高压大功率驱动器件概述

电动汽车电驱动系统部件主要包含五部分[9]：① 动力电池组；②DC-AC逆变器；③母线电容；④驱动电机；⑤DC-DC变换器。其中，在基于交流电机的驱动系统中，前四种部件是必不可少的，但当电池组能提供电机驱动所需要的高电压时，DC-DC变换器可以省去。

1.1 动力电池

电池组是储能装置，为整个驱动系统提供能量。因此，动力电池需要具备以下特点：充/放电电流大，端电压高，循环寿命长，功率密度大，耐高/低温，单体电池一致性好和荷电保持能力高等[10]。与传统化石燃料相比，存储在电池中的能量不再是化学能，而是电能。但电荷会通过金属车体传导，引发触电事故，特别是在高电压系统中；此外，若电池受到挤压、穿刺和大功率工作（短路）发热等因素影响，极易发生燃烧或爆炸，且能量密度越大，危险性越高。这些导致了电动汽车安全性与传统汽车有着本质不同。为更加清晰地介绍动力电池的特点，本文将详细介绍目前已经大规模商业化应用的铅酸电池、镍氢电池和锂电池。

1.1.1 铅酸电池

铅酸蓄电池自1859年由Plante发明以来，有150多年的使用历史，技术十分成熟。现在电动汽车上应用的铅酸蓄电池一般是正极采用二氧化铅，负极采用海绵状的铅，电解液为稀硫酸溶液[11]。铅酸电池价格低，安全性能好，应用范围非常广，但其功率密度和能量密度比镍氢电池、锂离子电池等新型电池低，这对铅酸蓄电池的霸主地位产生了一定威胁，随着新型电池成本不断降低，将对铅酸蓄电池产生强烈的替代效应。预计汽车起动领域短期不会被替代，备用及储能电池仅在中小容量市场存在替代可能。目前，动力电池领域，铅酸电池占据90 %市场，但锂电池替代威胁相对较大，其替代进程取决于锂离子电池成本的下降速度。

虽然很多专家学者和相关企业把更多的目光从铅酸电池转移到锂离子电池，但从安全角度讲，它仍然具有十分旺盛的生命力，例如，国内的混动城市客车五洲龙汽车、安凯汽车和厦门金旅仍采用铅酸电池[12]。

1.1.2 镍氢电池

镍氢电池是20 世纪90 年代在镍镉电池的基础上发展起来的一种新型绿色电池，其负极采用由储氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍，电解质为氢氧化钾水溶液[13]。与镍镉电池相比，镍氢电池记忆效应不明显、无污染（不含有毒的镉）；与铅酸电池相比，氢镍电池的比能量和比功率均成倍提高；另外，镍氢电池回收利用效率比锂离子电池好，被称为最环保的电池。商业化的电动汽车有很多采用氢镍电池技术（超过800万辆），例如丰田Prius、福特Escape、雪佛兰Chevrolet Malibu和本田Honda EV plus等。

从安全角度来讲，镍氢电池比热容、电解液蒸发热相对较高，而能量密度相对较低，即使发生短路、刺穿等极端异常情况，电池温升较小，一般不会燃烧。因此，镍氢电池将是新能源汽车电池的一个主要选择，尤其是在混合新能源汽车上会有着广泛的应用。

1.1.3 锂电池

锂离子电池是20 世纪90 年代发展起来的高容量可充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作[14]。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料，目前常用作锂离子电池的正极材料主要有锂钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4）。与铅酸电池和镍氢电池相比，锂离子电池具有以下几点优势：单体电池电压高且一致性好，循环寿命长可达铅酸电池的2～3倍，能量密度与功率密度大，同容量电池体积重量小，荷电保持能力高，自放电率每月不到5 %，无记忆效应、环境友好等优点，被认为是最具发展潜力的电动车用动力电池。

然而，锂离子电池的电极材料以及电解质均有易燃性，受热即可引起火灾，并分解产生气体，从而加剧了电池爆炸的可能性。而且现如今的高分子隔离膜强度都相对较低，在碰撞、穿刺或过热情况下极易损坏这层薄膜，导致电池短路。因此，锂电池安全性是目前电动汽车领域的研究热点，其中，锂聚合物电池是一种新型锂电池技术[15]，由于使用了胶态电解质，它不会因为液体沸腾而产生大量气体，从而杜绝了剧烈爆炸的可能。

图1比较了几种动力电池的综合性能，相对来讲，铅酸电池和镍氢电池安全性较高，锂离子电池安全性较低，但实际应用中，都无法避免由高电压、大功率工况引起的触电及发热现象，因此电池安全提升技术仍需要不断提升。

图1 动力电池性能对比

图2 DC-AC逆变器拓扑结构

1.2 DC-AC逆变器

由于电池只提供直流电压和电流，对于交流驱动电机而言，必须采用DC-AC逆变器实现直流到交流的转换。典型三相逆变器的基础结构如图2所示，它由六个可控晶闸管（T1， T2…T6）和六个功率二极管（D1， D2…D6）组成。晶闸管的通断由控制器产生的PWM信号控制，其中，常用的脉宽调制算法包括SPWM和SVPWM[16]。二极管除了具有续流作用外，当过流或过压故障发生或处于再生制动工况时，晶闸管会被关闭，此时，六个二极管将组成不可控桥，驱动电机会工作于发电状态，向电池充电。

逆变器通常也需要工作于高压、大功率条件下，其参数需要根据驱动电机和动力电池的参数设计，，但工作过程中的高频、高压、高温、脉冲和大电流都可能会损坏电力电子器件，降低电动汽车的可靠性与安全性。

1.3 母线电容

在电动汽车驱动系统中，电池组需要通过直流母线与DC-AC逆变器连接，但在工作过程中，电机控制器从电池组得到有效电压/电流的同时，会在直流母线上产生很高的脉冲电压，使得电机控制器难以承受，所以需要母线电容来连接逆变器和电池，用以吸收电压脉冲。母线电容的作用包括：①平滑母线电压，即使在晶闸管开关的时仍比较平滑；②降低电机控制器IGBT端到动力电池端线路的电感参数，削弱母线的尖峰电压；③吸收电机控制器母线端的高脉冲电流。

目前，普遍使用的母线电容是薄膜电容，与最初的电解电容相比，薄膜电容具有以下六个主要优点：①更好的温度和频率特性；②无极性，可承受反向电压；③工作电压更高；④干式设计，没有电解液泄露危险；⑤抗脉冲电压/电流能力高；⑥寿命更长。但电解电容并没有完全消失不用，在以MOS晶体管作为开关器件的低速车或者物流车的控制器中仍然可以见到多个电解电容并联使用的情形。图3（a）是丰田Prius第一代中采用的多个并联的电解电容组，而Prius第二代已经开始使用薄膜电容（如图3（b）所示）。

图3 母线电容

与其它部件一样，母线电容需要工作在高压条件下。此外，电容具有能量存储的功能，使得它与电池一样，其存储的电量可能通过金属壳体传导，引发触电，这在汽车碰撞后尤为需要重视[17]。

1.4 驱动电机

表1 交流驱动电机优缺点及对应车型

驱动电机是电动汽车驱动系统的核心，它将电池存储的电能转化为机械能，推动汽车前进，在回馈制动过程中，电动机能工作于发电状态，将机械能转换为电能存储于电池中。电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机，20世纪90年代前开发的电动汽车通常采用采用了控制性能较好并且成本较低的直流有刷电机。随着电力电子技术及电机控制技术的发展，交流电机包括永磁无刷电机（永磁同步电机PMSM和无刷直流电机）、感应电机和开关磁阻电机等显示出了比直流电动机更加优越的性能及使用寿命，并已经逐渐淘汰了有刷直流电动机。表1对比了常用交流电机的优缺点，并列举了对应的多种电动汽车型号，可以看出，永磁无刷直流电机，异步电机和开关磁阻电机都占据了广泛的国际市场，但目前国内已经商业化大规模应用的电机主要是永磁同步电机[18]。

电机作为电动汽车核心驱动部件，其往往工作于高压、大电流条件下，这对电机的绝缘等级、耐热等级等提出了很高的要求。在实际应用中，驱动电机的安全性也决定了电动汽车使用的安全性，保证电机在各种工况（特别是故障状态）下具有可靠运行和容错能力是研究者追求的重要目标。此外，电机和电容一样，具有一定的储能作用，在故障或碰撞时，应当采取安全高效的措施释放掉电机中存储的能量，避免触电事故发生[17]。

1.5 DC-DC变换器

在电动汽车驱动系统中，DC-DC变流电路根据功能不同，可以分为单向变换器、双向变换器和三端口变换器。单向变换器基本结构如图4（a）所示，它可将电池侧电压升至更高的水平，但其能量流动是单向的，只能由电池侧流向控制器侧，故无法用该结构实现单驱动电机的回馈制动功能。双向变换器结构如图4（b）所示，双向变换器拓扑是在单向变换器的基础上演化而来的，更多的晶闸管和功率二极管被融合到了新电路中，该结构不但能实现能量从电池侧流向控制器侧，还能实现能量的反向流动，使得当驱动电机工作为发电状态时，便可实现回馈制动。三端口变换器是专门针对混合动力电动汽车提出的一种新型变流电路[19]，其结构如图4（c）所示。该变换器可以实现内燃机、发电机和驱动电机之间能量的自由流动，实现电池充电（发电机→电池）、回馈制动（驱动电机→电池）、电机驱动（电池→驱动电机，发电机→驱动电机）和内燃机启动（电池→发电机）的功能。

图4 DC-DC变换器

DC-DC变换器与逆变器一样，都是由电力电子器件构成的部件，需要工作在高压、大功率条件下，电动汽车本身及其使用安全性都会受到影响。

2 电动汽车安全规范及问题概述

目前，很多人对电动汽车安全问题的认识还片面地停留在电池着火和触电风险层面上，为提高大家对电动汽车安全问题的进一步认识，本节将根据UN Regulation No.94/95/100对电动汽车正常使用时和碰撞后的安全问题进行阐述。

2.1 正常使用时安全规范

关于正常使用条件下的电动汽车安全性主要在UN Regulation No.100（参考GB/T 18384）中进行了规范，其中关键的安全问题包括以下三个方面：仿触电安全、电池安全和功能安全。

2.1.1 防触电安全

关于防触电保护，UN Regulation No.100中的要求适用于未连接到外部电源的高压总线。主要包括三个方面：防止直接接触，防止与裸露的导电部件间接接触和隔离电阻。

车辆可以采用各种方式来防止直接接触带电部件，例如绝缘材料或物理屏障。联合国规范要求电动汽车必须执行常规的电气保护等级（IPXXB或IPXXD）测试，例如，对乘客或行李厢中的带电部件，应达到至少IPXXD等级的保护，对于其他区域的外壳的防护等级必须至少为IPXXB。在测试中，检修探头或导线应以规定的测试力推入外壳的开口，并且不得接触带电部件。对于IPXXD，探头是直径1 mm，长100 mm的测试线，对于IPXXB，探头是直径12 mm，长80 mm的测试探棒。

防止间接接触带电部件与防止电气故障密切相关。规范要求所有裸露的导电部件都要连接到车厢底盘，以防止产生触电危险。此外，当电流达到0.2 A时，所有裸露的导电部件与底盘之间的电阻不应超过0.1 Ω。

最后，关于隔离电阻，UN Regulation No.100规定其规格取决于动力总成采用了何种直流母线形式（分开或组合的直流/交流母线），且需要根据总线的类型及其连接方式来选取隔离电阻的规格参数，规范还对电阻测试步骤做了明确说明。

2.1.2 电池安全

可充电储能系统是电动汽车的关键部件，电池是最常见的类型，但也可以使用超级电容或机电飞轮作为储能装置。如果没有精心设计，任何类型的可充电储能系统都有潜在的危险，且危险不仅会出现在电池的非正常工作状态下，还会在电池正常工作过程中发生。常见的电池问题包括：单体电池外壳破损导致电解液/材料泄漏，在短路或过压状态下电池高温和电池着火等。

UN Regulation No.100规定电池设计应首先避免对用户产生电击伤害此外，在防止大电流和气体积聚方面也必须采取相应的保护措施：对大电流的要求是可充电储能系统“不得过热”，但如果存在过热风险，则必须配备保险丝，断路器或主接触器等保护装置；为防止气体积聚，在电池可能产生氢气的地方必须按装通风风扇或管道。

2.1.3 功能安全

功能安全性涉及系统的整体安全性，对于基于复杂软件的系统尤为重要。电动汽车通常比高度集成的传统汽车需要使用更多的分布式控制系统，规范不但考虑了复杂电气和电子系统的安全性，还考虑了由于驾驶员（或其他人）不知道车辆处于活动模式而导致的意外车辆移动的可能性，下面将着重介绍电动汽车可能会带来得潜在功能安全隐患。例如，如果车辆在停车场一段时间内静止不动，驾驶员可能会“忘记”车辆能够运动。他们可能会在这种情况下离开车辆，或者可能会无意中发动汽车。为了防止通过激活驱动电路而意外移动，必须有一个警告装置，此外，在紧急情况下必须配备安全开关，在非正常移动时能够及时阻止事故发生；就控制器而言，来自外部或控制器的电磁干扰不得影响控制器的功能，这就需要设计高效的电磁隔离装置；就动力系统组件而言，它们应具有很高的可靠性和一定的故障处理能力（容错能力）；因为很多系统功能必须借助控制算法来实现，所以电动汽车驱动系统的控制和管理方案（例如，电池管理和机器驱动策略等）应该完备可靠[20]。

UN Regulation No.100包含了涉及内部驾驶员、乘客和外部行人安全的基本要求，具体地，该规范要求：

1）当车辆处于主动驾驶模式时，会向驾驶员提示；

2）离开车辆时，如果车辆仍处于主动驾驶模式，则必须主动通知驾驶员；

3）在充电期间，只要外部电源的插头连接到车辆充电口，必须关闭电动汽车的推进系统以防止车辆非正常移动；

4）针对系统故障，电动汽车应具有检测和一定的容错能力，保证故障发生后汽车能安全行驶至安全区域；

5）系统组件、结构设计和控制/管理方案安全可靠，需经过严格的安全测试。

2.2 碰撞时安全规范

在碰撞发生后，电动汽车的潜在风险将远远高于正常使用时的状态。UN Regulation No.94/95（参考GB/T31498）对电动汽车碰撞安全做了详细规范，其中关键的安全问题包括以下三个方面：电气隔离，仿触电安全、电池安全和余电泄放。

碰撞可能会危及电气安全措施，并可能增加电击危险。例如，驱动系统电气隔离（绝缘）可能会被破坏，使电路的正负极都与车身发生接触，如果有任何人员触碰车身，他们将成为高压电路的一部分，遭受电击伤害。因此，电动汽车需要安装在发生碰撞的情况下将储能系统与高压电路断开的设备。该开关装置要与安全气囊碰撞检测传感器耦合，碰撞发生后，将储能系统与高压电路的其余部分断开连接以减少碰撞期间和碰撞后的触电危险。此外，释放存储在高压电力电子设备（例如直流母线电容器和牵引电动机）中的能量对于防止电击危险也是必要的。

UN Regulation No.94规定了汽车正面碰撞性能的最低要求，它规定在正面碰撞的测试时，汽车的撞击速度为56 km/h；UN Regulation No.95规定了汽车侧面碰撞性能的最低要求，其规定在侧面碰撞测试时，碰撞物的速度为50 km / h。在撞击期间和撞击之后，为防止乘员触电，关于电动汽车动力系统的电气安全要求如下：

1）低电压：碰撞后5～60 s内，电压低于30 VAC或60 VDC；

2）低电能：碰撞后5～60 s内，能量低于0.2 J；

3）物理防护：满足IPXXB级别保护，所有裸露的导电部件与底盘之间的电阻不超过0.1 Ω；

4）绝缘电阻：对于交流母线，绝缘电阻要大于500 Ω/V，直流绝缘电阻要大于500 Ω/V，交直流混合式母线绝缘电阻要大于100或500 Ω/V。

在冲击试验后，要求必须至少满足这四个标准之一。但是如果不满足IPXXB的条件，则隔离电阻标准不适用，此要求是为了防止虽然车辆达到隔离电阻标准，但仍存在触电风险。在实际应用中，如果车辆配备有在发生碰撞时将能量存储系统与高压电路其余部分分开的自动装置或者对动力传动系统电路进行分隔的装置，则需要满足以上条件之一即可。

UN Regulation No.94和95还对碰撞过程中电池位移、变形以及电解液泄漏作了规定。根据电池的安装位置不同，这些规范存在一定的差异：如果电池安装在乘客舱内，其整体必须保持在原安装位置，电池组件的变形不能超出其边界范围，且电解液在碰撞中不允许有溢出现象；对于安装在乘客舱外的电池，其任何部分都不能进入乘客舱内，电解液溢出率限制为7%。需要说明的是，这些规范并不只是对碰撞瞬间有效，而是在碰撞后的30分钟内，所有的要求都应得到满足，这对电动汽车驱动系统的整体布局设计和安全防护等提出了很高的要求。

UN Regulation No.94和95旨在确保电动汽车的电气安全措施能够在碰撞中起作用（至少达到碰撞试验等级），但其内容仍在不断的完善中，目前，仍然存在一些残留风险需要得到重视，这些风险总结如下[21]：

1）混合动力汽车燃油泄漏

正面和侧面碰撞法规允许传统燃油汽车在碰撞试验后燃油（或替代品）从系统泄漏，但泄漏率限制为5·10-4kg / s（即30 g/min）。但是，对混合动力电动汽车而言，其高压组件可能会产生电火花，并带来火灾危险。对混合动力车辆采用更严格的燃油泄漏要求可能会降低碰撞和接触高压组件后由车辆燃油泄漏带来的风险。

2）可充电储能系统的结构完整性

规范虽然对正面和侧面碰撞测试期间可充电储能系统的位移和变形做出了规定，但对其结构完整性没有要求。充电式储能系统的机械负载可能导致短路甚至破裂，并可能引起火花，火灾和爆炸。

3）电解液泄漏极限

乘客舱外电池电解液溢出的规定极限值为7%，这对所有电池类型都适用。但是，目前尚不清楚该风险是否取决于电池化学物质和所用电解质的类型。因此，需要进一步的研究使得能够针对不同的电池类型提出更合适的限制要求。

4）翻滚中电解液溢出

如果电动汽车在碰撞后发生翻滚，则泄漏的电解液量可能会增加。对翻滚后的电动汽车应采取与正面碰撞和侧面碰撞不同的电解液泄漏限制条件，因此，在撞击试验之后需要进行滚动试验以对电解液泄漏情况作出更加明确的规范。

3 结论

针对电动汽车安全问题，本文从电动安全问题根源和基于安全规范的电动汽车问题两个方面进行了综述。与燃油汽车不同，电动汽车采用了电驱动系统，由于电驱动系统及其部件往往工作在高压、大功率条件下，其电气安全成为人们关注的焦点，这也是电动汽车安全问题的主要来源。根据联合国电动汽车安全规范UN Regulation No.94/95100，本文对电动汽车的两类安全问题（正常使用时的安全问题和碰撞后的安全问题）进行了阐述，提高了普通大众对电动汽车安全问题的专业认识程度，同时为电动汽车安全技术研究提供了参考。