電動汽車的高壓安全測試

電動汽車的高壓安全測試

隨著能源以及環(huán)境問題的日益嚴峻，世界上各個汽車生產大國都將把越來越多的電動汽車投入市場。電動汽車的一個重要特點就是帶有高壓動力回路，其工作回路中的電壓甚至可以達到600V以上。因此在考慮電動汽車給我們帶來環(huán)保效益的同時，高壓安全問題同樣不容忽視。因此，如何保護相關人員的安全已成為我們關注的重點。

一、電動汽車高壓的危害

人體電阻主要是皮膚電阻，人體表皮角質層的電阻很大，在干燥情況下可達到6～10kΩ，甚至更高，潮濕情況下可降到1kΩ。在理論研究中，我們可以把人體本身看作是一個大電阻(1kΩ)，當對人體施加一個電壓時，便會產生對應的電流，電流的強度和作用時間的長短會對人體造成不同的傷害。從圖1中可以看出，當電流強度大于50mA，作用時間超過10ms時，會造成人體心室顫動、呼吸困難，危及觸電人員安全。若以800～1200Ω作為人體電阻值，根據(jù)歐姆定律：U=IR，40～60V的電壓就可能造成這類危害。

如之前提到的，電動汽車的電壓可高達600V以上，因此，在電動汽車推廣的同時，如何保證駕駛人員、乘車人員以及汽車保養(yǎng)與維修人員的安全，是值得我們關注的話題。在電動汽車安全要求標準GB/T18384.3-2001中，也對電動汽車的電壓作了規(guī)范定義，標準里將電動汽車的工作電壓分為A、B兩級，如表1所示。

表1 電動汽車的工作電壓等級劃分

對于A級電壓，不需要進行觸電防護，對于任何B級電壓電路的中的帶電部件，都應為接觸人員提供防護。

二、電動汽車安全要求標準解讀

GB/T18384是電動汽車安全要求標準，其分為三部分：車載儲能部分、功能安全和故障防護、人員觸電防護。標準針對電動汽車的電氣安全提出了一系列的要求，以保證電動汽車在正常使用情況下的一些可能失效不會對使用者和周圍環(huán)境造成危害。

電動汽車動力系統(tǒng)一般由高壓電池、驅動電機、DC-DC、DC-AC等高壓部件組成。其結構如圖2所示，為了保證高壓動力系統(tǒng)的安全性，我們需從多個方面去進行驗證。

1.動力電池的絕緣電阻

對電壓60＜U≤1000的動力蓄電池，要求根據(jù)GB/T18384中的標準方法進行絕緣電阻的計算，得到的絕緣電阻值除以電池的標稱電壓所得到的值不應小于100Ω/V。與之相比，美國工程師協(xié)會標準SAE J1766與歐盟的ECE R100都要求絕緣電阻不小于500Ω/V。

動力電池的絕緣測試過程，如圖3所示。通過圖中方式測量動力電池正極與負極對底盤(分不帶負載和帶負載R0)的電壓，其中，R0為一個已知的100～500Ω/V的標準電阻。由此，我們可以計算動力電池絕緣電阻Ri，Ri=(V1-V2)/V2·R0(V1>V'1)或Ri=(V'1-V'2)/V'2·R0(V'1>V1)。但從上面我們也可以看出，如果使用一般的電壓表來測量動力電池的電壓，要經歷較為繁瑣的過程，同時，結果需人為計算。

2.動力系統(tǒng)的絕緣電阻

對于動力系統(tǒng)絕緣電阻測量，GB/T18384.3-2001要求須使用一個至少是動力系統(tǒng)標稱電壓1.5倍或者500V電壓(兩者取其高者)的設備來進行測量，對絕緣電阻的要求如表2所述。

表2 動力系統(tǒng)絕緣電阻的要求

3.絕緣電阻監(jiān)控

對于電動汽車，因考慮到其高壓電的危害性，在車上需要提供絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)標準GB/T18384.3-2001中要求，在監(jiān)測到絕緣電阻小于100Ω/V時，電路自動斷開。

4.等電勢

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為了防止因存在電勢差造成的觸電危險，在高壓組件的外殼或者可導電的外蓋等部件之間應該采用導線與車身支架相連的方式，以達到等電勢的效果，見圖4。在歐盟，ECE R100中針對等電勢也做出了規(guī)定，要求高壓組件外殼至車身任一點之間的電阻不大于0.1Ω。

三、高壓電安全測量實例

若要進行實際的電動汽車高壓測量，還需選用一款合適的測量工具，通過它去完成一項或者多項的測試項目。本文以一款專為測量電動汽車高壓而設計的專業(yè)工具AVL HV Safety 2000為例(圖5)來完成上述測量項目。

1.動力電池絕緣電阻測試

如圖6所示，實際上動力電池兩端到車身底盤的絕緣電阻是不相等的，為了保證安全性，我們一般取較小的動力電池絕緣電阻，其測量方法可參見圖3。

測量過程：在動力電池絕緣電阻測試前，電動汽車斷開高壓電，并斷開動力電池與驅動電路的連接。如果手動地去完成圖3所示的整個測試過程，顯然較為耗時，且需要反復地記錄數(shù)據(jù)以及計算。AVL HV Safety 2000 內置有SAE J1766動力電池絕緣電阻測試標準流程(同GB/T18384)。選擇SAE J1766模式，完成自檢后，根據(jù)儀器提示測量動力電池電壓、動力電池正極對電氣地、動力電池負極對電氣地。如圖7所示，最終結果儀器將自動計算并顯示于屏幕。

2.動力系統(tǒng)回路絕緣電阻測試

動力回路的絕緣電阻需要采用系統(tǒng)標稱電壓的1.5倍或500V(兩者取大者)來完成測量，一般情況下選用絕緣電阻測量儀來進行測量。其實原理是在實測物體上加上一定的高壓，然后測試流過它的漏電流，再換算成絕緣電阻值，由測量工具顯示出結果。絕緣電阻測試儀一般由直流高壓發(fā)生器(測試電壓)和漏電流測試器(精密電流表)組成，如圖8所示。

3.等電勢

如圖11所示，當汽車發(fā)生碰撞等意外時，可能導致高壓回路上的組件漏電，在這種情況下，兩個不同的組件表面可能存在不相等的電位。如果沒有進行等電位聯(lián)接(汽車的等電勢線如圖12所示)，當人同時觸碰到兩個組件時，會因為電勢差UAB的存在，形成電流I，對人體造成傷害。根據(jù)標準要求，等電勢電阻不得大于0.1Ω。

測量過程：選用AVL HV Safety 2000，選擇等電勢測量模式，自檢完成后，在車身上選擇合適測量點(如組件外殼等電勢連接點與車身之間)，根據(jù)提示進行測量，結果如圖13所示。

在等電勢電阻測量中，由于所測量的電阻阻值較小(不得大于0.1Ω)，為了得到較為精確的值，AVL HV Safety 2000采用開爾文四線測量技術。如圖14所示，在實測電阻的每個測試點引出兩條測試線，二者嚴格分開，各自構成獨立回路；在電壓回路上，要求要有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過的電流極小，近似為零。r表示引線電阻和探針與測試點的接觸電阻之和。由于流過測試回路的電流為零，在r3，r4上的壓降也為零，而激勵電流I在r1，r2上的壓降不影響I在被測電阻上的壓降，所以電壓表可以準確測出Rt兩端的電壓值，從而準確測量出Rt的阻值。測試結果與r無關，有效地減小了測量誤差。

4.絕緣電阻監(jiān)控

電動汽車直流高壓系統(tǒng)的電纜絕緣介質老化或受潮濕環(huán)境等因素影響，都會導致高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正極或負極引線將在絕緣層和底盤之間構成漏電回路，使車輛底盤電位上升，危及駕乘人員的人身安全。

絕緣監(jiān)測器能實時監(jiān)測電動汽車高壓系統(tǒng)對地的絕緣電阻，當高壓系統(tǒng)對底盤的絕緣電阻低于設定的報警判定值時，絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號，并切斷汽車高壓電源。絕緣監(jiān)測器的安裝位置如圖15所示，目前，電動汽車上的絕緣監(jiān)測器報警判定值一般為500Ω/V(ISO 6469)。

為了檢查絕緣監(jiān)測器的狀況，可以模擬絕緣電阻的臨界狀態(tài)，來觀察絕緣監(jiān)測器是否出現(xiàn)報警提示。AVL HV Safety 2000功能項中有一項是用于做絕緣監(jiān)測器檢測的。在通電的情況下，將AVL HV Safety 2000兩探針分別與高壓正極(或負極)及底盤相連，激活測試，通過儀器內部的可變負載電阻阻值不斷下降，模擬出臨界報警值，如在圖16所看到的，當儀器內部負載電阻為200kΩ，車載絕緣監(jiān)測器報警(圖17)，此時，高壓系統(tǒng)供電切斷，AVL HV Safety 2000得到的電壓值小于1V。

四、結束語

在我國，汽車排氣污染已成為城市大氣污染的重要因素，發(fā)展新能源汽車，用電代油已成為一項重要的戰(zhàn)略措施。保障電動汽車的安全需要嚴格執(zhí)行各項安全標準，我們也期待國家在電動汽車安全方面的要求越來越完善。

(供稿：廈門海騰發(fā)動機測試設備有限公司)