新能源汽车安全设计方案及关键技术应用研究

任家俊

摘要： 随着人们节能环保意识的日益增强，我国新能源汽车的销量也呈现出稳步上升的趋势。新能源汽车的运行安全直接关系到消费者的生命健康，因此受到广大消费者的关注。在此背景下，本文以新能源汽车为主要研究对象，阐述目前新能源汽车的安全现状，并重点分析新能源汽车关键部件的运行安全问题。针对这些问题，本文提出了新能源汽车关键部件的安全设计方案及关键技术策略，以此加强新能源汽车的运行安全，有效解决新能源汽车可能遇到的故障问题，从而进一步促进新能源汽车的可持续发展。

关键词：新能源汽车；关键部件；安全技术

中图分类号：U461 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.01.006

0 引言

新能源汽车是指采用非传统车用燃料并具备新技术、新结构的汽车，其类型包括纯电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力汽车等。这些汽车的基本结构涵盖了动力电池、整车控制器、逆变器、发动机、发电机、电机、外接充电口等多个组件。其中，电池、电机、电控以及整车控制器等部件被视为关键部件，它们的正常运行关系到新能源汽车的安全性能。

近几年，随着新能源汽车行业的蓬勃发展，新能源汽车的技术水平得到了显著提升。然而，不容忽视的是，新能源汽车在运行过程中仍频发问题，给驾驶者带来了生命财产损失，同时也制约了新能源汽车的稳定发展。新能源汽车运行问题充分反映出新能源汽车技术尚存不完善之处。因此，需要加强对新能源汽车安全技术的深入研究，为新能源汽车的安全性能提供坚实保障，进而推动整个新能源汽车产业的健康发展。

1 新能源汽车运行安全现状

通过对近几年新能源汽车安全事故的调查分析来看，充电场所发生事故的比例最高，达到29%。其次，行驶和停放过程中发生的事故比例占据19%，其他安全事故场景占据33%。进一步分析事故发生的原因，电池问题引发的安全事故占据58%，浸水、零部件故障以及使用不当引发的安全事故占据23%，碰撞问题引发的安全事故占据19%。

通过上述内容的分析，可以将故障发生的车辆状态归纳为以下几种：碰撞、浸水、充电、非充电停放以及正常行驶。当这些状态与滥用条件相结合时，就会形成相应的失效模式，引起车辆短路及过热问题，进而可能引发失火等严重事故。在这些状态中，充电状态下新能源汽车发生安全问题的风险相对较高[1]。这主要是因为充电过程中滥用行为频发，部分用户未能按照正确的充电行为进行操作，或者存在电池过充的情况。例如，一些用户采用飞线充电，但插线板的功率不足，难以满足汽车充电的需求，这可能导致回路端过热，进而引发火灾。此外，电池过充操作会损伤电芯，导致电芯失效，由此造成电池包整体密封失效，电芯模组间短路、发热，最终可能会引发动力电池起火。

2 新能源汽车关键部件运行安全问题

新能源汽车关键部件的运行安全问题是一个复杂且重要的议题，需要进行深入的分析，具体包括以下几个方面：

2.1 电池部件

动力电池热失控主要表现在以下2 个方面：

（1） 内外部短路。内短路是指锂电池正负极由于单体电池内部隔膜被破坏而相互接触，由此形成的电位差导致锂电池持续放电和发热。触发锂电池内短路的主要形式包括机械滥用、热滥用以及电滥用等，例如大电流充放电、雨水浸泡、高低温运行环境等。若内短路问题不能及时解决，持续释放的热量将可能引起热失控。外短路则是指由于一个非常小的电阻直接并联在锂电池的正负极，从而引发的快速放电现象。外短路的主要触发形式包括外力作用、振动以及电池包浸水等。当发生外短路时，巨大的电流会迅速提升电池温度，进而可能导致电池端子熔断，从而引发热失控。

（2） 过充电与过放电。电池过充电是指在充电过程中，负极隔膜附近形成能够穿透SEI（ 固体电解质界面膜） 的锂枝晶，导致电池内部微短路，进而加剧锂电池内部的放热反应[2]。随着锂枝晶的不断生长，微短路现象不断加剧，电芯温度迅速上升，容易出现热失控问题。而电池放电过程中，若电池组中某个单体出现过放电情况，会导致单体电池异常热，同时还会损耗电池，严重影响电池的安全性。

2.2 电机部件

目前电动汽车主要采用的是永磁同步电机，该电机具有结构简单、效率高、体积小等优点。但是从实际应用现状来看，在高温、高频振动环境下，永磁同步电机还存在一定的安全隐患，主要表现在以下2 个方面：

（1） 匝间短路。匝间短路是指在电机运行过程中，由于相邻2 个绕组线圈相互接触、挤压、摩擦或者温度过高，导致绝缘层损坏，从而使得2 个线圈之间发生搭接，形成故障回路。匝间短路会产生故障电流，导致短路处异常发热，严重时甚至可能烧毁局部绕组。

（2） 退磁。电机在高频机械振动或者匝间短路引发的高温等恶劣环境下运行时，永磁同步电机可能会发生退磁故障[3]。

2.3 电控部件

电控部件在新能源汽车中负责接收和分析车辆信号，并根据这些信号作出相应的指令判断。随着新能源汽車技术的不断发展，电控部件的复杂性和所承担的功能也在不断增加。因此在运行过程中，电控部件也存在一定的安全隐患：一方面，当温度超过正常阈值时，可能导致电机控制器失效；另一方面，开关管故障或温度超过正常阈值也可能导致DC-DC 控制器失效。电控部件出现问题时，可能会导致汽车无法正常行驶，甚至引发安全故障。

2.4 整车部件

整车部件的安全隐患主要表现在以下2 个方面：一是加速和制动异常。当车辆启动时，如果电动车调速控制系统、加速系统或电池部件出现异常，可能导致启动加速不稳定或缓慢的情况。而在车辆运行过程中，由于各零部件的磨损、断裂或老化等问题，可能引发制动系统失效，对行车安全构成严重威胁；二是整车绝缘报警。整车的绝缘性能主要体现在高压母线和底盘之间的绝缘电阻上。根据《电动汽车安全要求》（GB 18384-2020） 的规定，应使用平衡电桥法或低频信号注入法等方法对绝缘电阻进行测试，确保其符合标准要求，否则可能造成绝缘电阻失效。

3 新能源汽车安全设计及关键技术

基于安全事故的统计分析结果，并结合新能源汽车关键部件存在的安全问题，我们确立了明确的新能源汽车安全目标。即在车辆运行的整个过程中，应采取有效的安全预防措施，以防止各关键部件出现短路、绝缘失效以及接触防护失效等问题。同时，还需要将安全预防措施延伸至新能源汽车运营期间，确保整个车辆在各场景中的运行安全，从而为驾驶人员以及乘客提供坚实的安全保障。

3.1 电池部件安全设计及关键技术

从上述内容可以了解到，新能源汽车安全事故的发生，大部分原因源于动力电池热失控。一旦电池热失控发生，将会导致新能源汽车起火等严重事故。因此，对电池部件进行安全设计显得尤为关键，必须综合考虑各种安全因素，解决电池热安全问题、高压防触电安全以及机械安全等。具体运用的安全关键技术如下：

（1） 电池安全及寿命设计技术。基于电芯一致性、电池拓扑结构、电池工作环境、电池工作模式、电池工作时长、交通事故等多种因素，构建Q-S 系统模型，进行动力正向理论安全设计[4]。具体模型如下：

Q=f（u，ts，e，c，m，a，t）

S=f（u，ts，e，c，m，a，Q）

式中，Q 和S 分别表示电池容量和电池安全程度；u，ts、e、c、m、a、t 分别表示电芯一致性、电池拓扑结构、电池工作环境、BMS 控制策略、电池工作模式、交通事和电池工作时长。

同时，根据用户需求，利用大数据技术进行系统安全设计，进一步解决新能源汽车电池寿命问题。

（2） 电池热失控预警防护技术。通过收集电池热失控诊断信息，包括电池数据、车辆数据、BMS 实时监控数据、环境应力、交通事故等，构建热失控预警模型。该模型包括云端预警模型和BMS 报警模型，能够根据电池服役模式、电池滥用历史、电芯一致性等情况对热失控风险进行判断。一旦检测到风险，将通过仪表提示、云端预警、车端预警、高压防护等措施，及时预警并采取相应的防护措施，确保车辆行驶安全[5]。

（3） 动力电池智能健康管理技术。通过对车辆电池运行数据进行监控，收集环境数据、保养日期记录等，对用户使用电池的行为进行风险评估。根据评估结果，提醒用户改善使用行为，正确进行放充电操作，以保持电池的良好状态并延长其使用寿命。

3.2 电机部件安全设计及关键技术

电机作为新能源汽车的动力核心，其安全设计对于新能源汽车的整体安全性至关重要。因此，在电机的安全设计和优化过程中，需要重点考虑以下几项关键技术：

（1） 机械结构设计技术。电机的机械结构主要包括磁路和机械传动两部分。磁路设计需要精心选择关键部件的材料，如励磁线圈、铁心以及永磁体等，以确保电机能够高效、安全地运行。同时，在电机机械传动部分的设计中，需要采用合理的设计策略，对电机轴承、制动器以及减速器等进行有效优化。

（2） 电气技术。电机电气设计的优化主要目标是实现安全、高效和低噪声运行，主要包括两部分：一部分为电气线路图的优化设计，需要合理选用电气元件，确保与电磁参数的匹配；另一部分为电机控制参数的优化设计，需要充分考虑电机功能的充分实现。

（3） 热管理技术。电机在高温环境下运行时，其效率会降低，且可能出现匝间短路或者退磁等问题，严重影响电机的使用寿命。因此，在电机的安全设计过程中，应选择合适的材料，加强电机的热传导和散热能力，以确保电机在高温环境下仍能安全、高效地运行。

3.3 电控部件安全设计及关键技术

电控部件作为确保驾驶人员和乘客安全的关键部件之一，其安全设计尤为重要。为实现这一目标，需要合理运用以下关键技术：

（1） 制定并严格实施安全标准规范。国家、政府以及企业应围绕新能源汽车电控系统的运行目标，制定和完善相关的法律法规以及安全标准。在具体的实施过程中，应由政府部门或者行业协会进行监督和评估。

（2） 强化电控系统软硬件安全。应高度重视电控系统软硬件的安全级别，确保电控系统能够稳定、安全运行。针对硬件问题，应加强硬件检测，及时发现并解决潜在的安全隐患，防止因硬件设备问题导致车辆失控；针对软件问题，应采用先进的加密技术和防火墙技术，保护行车数据不被窃取，防止电控系统收到恶意攻击，从而确保车辆的安全。

（3） 完善安全测试和评估体系。电控系统安规测试是保证新能源汽车安全的有效途径。因此，需要从多个方面对新能源电控系统进行全面的安规测试。这通常包括接地电阻测试、耐压测试以及绝缘测试。其中，接地电阻测试是测试车辆电气系统是否能够将电流引导到地，不发生电路故障；耐压测试是指电控系统能够承受住高电压，不发生漏电等情况；绝缘测试是指电控系统绝缘材料是否合格，防止发生短路等情况。完成测试后，还需对车辆的电控系统进行全面的性能评估，确保其符合安全标准。

3.4 整车平台安全设计及关键技术

在整车平台安全设计过程中，采用整体式碰撞安全设计，通过增加防撞吸能部件和合理布置电池安全，避免车辆在碰撞时产生触电、起火或爆炸等严重事故。具体采用的安全防护技术包括以下几个方面：

（1） 碰撞后快速断电技术。当车辆发生碰撞时，高压接触时间最短为50 ms 左右，远高于高压继电器切断供电回路的时间（30～80 ms），容易引发安全事故[6]。针对这一问题，可以采用双路高压断电系统（ 如图2 所示）。该系统主要包括主动熔断器和高压继电器，当发生碰撞时，双路高压断电系统能够同时切断双路实施断电，将断电时间控制在25 ms 以内，远低于高压接触时间，从而能够保证碰撞后的车辆安全。

（2） 整车故障分析与预警防护技术。基于大数据技术，构建整车大数据平台，对容易出现故障的部件进行预防。例如，通过对电池绝缘电阻值的变化进行监测，可以准确判断电池包的密封情况，从而实施故障提前预警，有效防止故障的发生。

（3） 新能源汽车安全监控技术。基于大数据技术，构建整车监控系统，对新能源汽车的运营情况进行实时监控。无论是加速和制动异常，还是整车绝缘情况，都可以通过挖掘和分析相关数据进行准确判断，并提前预警，为车辆行驶安全提供重要保障。

4 结束语

通过上述内容，我们可以清晰地看到，尽管我国新能源汽车发展速度较快，但安全问题仍然不容忽视。为了有效解决这一问题，我們需要深入分析新能源汽车事故的原因和失效模式，并针对新能源汽车关键部件的安全问题进行深入探讨。基于此，本文提出了新能源汽车的安全设计思路以及关键技术的应用路径，旨在解决新能源汽车存在的安全问题，确保新能源汽车关键部件的安全性和可靠性，加强新能源汽车故障的处理能力，进而促进新能源汽车安全、稳定地运行。

参考文献

[1] 黄蕙琳，王东雨，许惠云.氢能源汽车70MPa 储氢瓶安全泄放特性分析[J].阀门，2023（05）：570-577.

[2] 朱培培，李新波，王焰孟.基于安全监管下的新能源汽车热安全发展分析[J].汽车文摘，2023（10）：38-44.

[3] 焦永红，安震，张淼，路泽民.新能源汽车实训过程中的安全控制探讨[J].时代汽车，2023（17）：25-27.

[4]马胜强，贺德林，常宇航，张帆.新能源汽车的安全防护与应对策略[J].汽车维修技师，2023（07）：112.

[5] 吴启帆.新能源汽车动力安全问题研究[J].汽车测试报告，2023（12）：67-69.

[6] 吴长青.新能源汽车动力电池安全问题分析及解决策略[J].时代汽车，2023（10）：100-102.