電動汽車人員觸電防護(hù)研究

趙家旺，劉桂彬，周榮（.河北工業(yè)大學(xué)，天津 3003；.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

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電動汽車人員觸電防護(hù)研究

趙家旺1，劉桂彬2，周榮2
（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300132；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

分析了電動汽車使用過程中可能發(fā)生的人員觸電危害，從基本防護(hù)和單點(diǎn)失效防護(hù)兩個(gè)方面提出了人員觸電防護(hù)措施和防護(hù)要求。人員觸電防護(hù)需要建立冗余機(jī)制，保證安全性能的魯棒性，提高車輛整體安全水平。

電動汽車；基本防護(hù)；單點(diǎn)失效防護(hù)；電氣安全

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.008

CLC NO.: U471Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-22-03

引言

電動汽車經(jīng)過最近幾年的快速發(fā)展，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化運(yùn)營時(shí)代即將到來。區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車搭載的電氣系統(tǒng)具有高電壓、大電流、高能量等特點(diǎn)，在使用過程中若發(fā)生人員觸電事故，高壓電力系統(tǒng)將會對人體造成不同程度的傷害。因此，電動汽車必須具有完備的人員觸電防護(hù)措施，以降低電擊事故發(fā)生幾率及對人體的危害程度。

人員觸電防護(hù)主要包括兩個(gè)方面：直接接觸防護(hù)和間接接觸防護(hù)。避免直接接觸對應(yīng)基本防護(hù)，避免間接接觸對應(yīng)單點(diǎn)失效情況下的防護(hù)。單點(diǎn)失效防護(hù)可以看作基本防護(hù)失效后，為降低人員電擊事故的危害而采取的應(yīng)對措施。本文針對基本防護(hù)和單點(diǎn)失效防護(hù)這兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。

1、基本防護(hù)

基本防護(hù)是指防止人員與高壓帶電部分的直接接觸，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生，屬于故障前防護(hù)。基本防護(hù)主要包括基本絕緣和遮攔/外殼兩部分，如圖1所示。

1.1基本絕緣

基本絕緣是指在帶電部件，主要是高壓電纜和線束，表面覆蓋一層不導(dǎo)電材料，形成絕緣保護(hù)層，防止高壓帶電部件的直接暴露。

為保證絕緣性能，基本絕緣應(yīng)滿足如下要求：（1）車輛如果是通過絕緣材料來提供觸電防護(hù)，則電氣系統(tǒng)的帶電部分應(yīng)當(dāng)全部由絕緣體包裹，并且除非破壞否則無法去掉；（2）絕緣材料應(yīng)能承受車輛及其系統(tǒng)的溫度等級和最大工作電壓；（3）絕緣體應(yīng)有足夠的耐電壓能力，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)不應(yīng)發(fā)生絕緣擊穿或電弧現(xiàn)象。同時(shí)為提示人員避免接觸高壓帶電部件，目前基本絕緣均采用橙色進(jìn)行標(biāo)識。

1.2遮攔/外殼

對高壓帶電部件使用遮攔/外殼進(jìn)行隔離，防止人員直接接觸，遮攔/外殼可以是導(dǎo)體也可以是絕緣體。根據(jù)所處位置的不同，遮攔/外殼應(yīng)具有相應(yīng)的防護(hù)等級，一般來說，乘員艙和行李艙內(nèi)遮攔/外殼的防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到 IPXXD，其他位置的防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IPXXB。

乘員艙和行李艙內(nèi)的遮攔/外殼防護(hù)等級試驗(yàn)用測試試線的規(guī)格為直徑1.0mm，長度100mm（IPXXD）。使用測試探針進(jìn)行試驗(yàn)的目的在于確保遮攔/外殼的任何縫隙均不會超過1mm，且內(nèi)部帶電部件距縫隙的距離不低于 100mm。滿足此要求的遮攔/外殼可以防止人員身體部位、微型工具以及乘員艙和行李艙內(nèi)的可導(dǎo)電部件通過縫隙接觸到內(nèi)部高壓帶電部件，避免直接接觸電擊危害的發(fā)生。

乘員艙和行李艙之外的遮攔/外殼防護(hù)等級試驗(yàn)用測試試指的規(guī)格為直徑12mm，長度80mm（IPXXB）。在這里不再使用試線進(jìn)行試驗(yàn)的原因是考慮到這些遮攔/外殼被人員接觸到的頻率很低，同時(shí)為了便于緊急救援的進(jìn)行，采用IPXXB防護(hù)等級，可以滿足車輛安全要求。

遮攔/外殼應(yīng)安裝牢固，并且具有一定的機(jī)械持久性，在不使用專用工具的情形下應(yīng)很難打開，并且應(yīng)有措施防止因機(jī)械性能下降等原因?qū)е路钦ｉ_啟。

2、單點(diǎn)失效防護(hù)

單點(diǎn)失效一般包括：（1）可觸及的非危險(xiǎn)帶電部分變?yōu)槲ｋU(xiǎn)帶電部分；（2）可觸及的正常情況下不帶電的可導(dǎo)電部分變?yōu)槲ｋU(xiǎn)帶電部分；（3）不可觸及的危險(xiǎn)帶電部分變?yōu)榭捎|及危險(xiǎn)帶電部分。在電動汽車中，將人員同時(shí)接觸到高壓帶電部件和電平臺的情形均視為單點(diǎn)失效。

單點(diǎn)失效防護(hù)是指在基本防護(hù)失效情形下的故障后應(yīng)對措施，降低電氣系統(tǒng)故障對人員造成的傷害。主要包括：電位均衡、絕緣電阻、電容耦合、斷電以及其他觸電防護(hù)替代方法等，如圖2所示。

2.1電位均衡

當(dāng)人員同時(shí)接觸到兩個(gè)及以上的高壓帶電部件時(shí)，若存在電勢差，則人體就會有電流通過。為防止故障電流對人體造成傷害，B級電壓電氣設(shè)備的所有外露可導(dǎo)電部分，包括可導(dǎo)電的遮攔/外殼，應(yīng)連接到電平臺以保持電位均衡。電位均衡電路可采用焊接，螺栓連接等多種方式建立。

NHTSA（美國高速公路安全管理局）的研究顯示，電動汽車在使用過程中，存在一種小概率極端事件，即人員同時(shí)與高壓電路的正負(fù)極母線形成間接接觸。此時(shí)對人員的安全防護(hù)主要取決于外殼的絕緣性能失效情況以及人體和外殼之間的電阻。分析認(rèn)為，為避免危害電流流過人體，電位均衡電阻應(yīng)小于0.1Ω。這樣當(dāng)基本防護(hù)失效而人員接觸到高壓母線形成間接接觸時(shí)，有害電流絕大部分可以經(jīng)過電位均衡電路導(dǎo)入車輛平臺，避免人員電擊傷害的發(fā)生，如圖3所示。

理論上講，均衡電阻越低，防護(hù)性能越好，當(dāng)電阻降低到0.001Ω，即可以避免絕大多數(shù)意外事故的危害電流流過人體。但考慮到目前實(shí)際的制造工藝水平和機(jī)械連接接頭的合格性驗(yàn)證限制，將均衡電阻降低到0.001Ω是不切實(shí)際的。因此，在經(jīng)過大量相關(guān)試驗(yàn)及理論分析后，汽車及其他行業(yè)將 0.1Ω作為電氣連接電位均衡電阻要求的標(biāo)準(zhǔn)限值。例如，MIL_B_5087，NASA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)NSA-STD-P023“NASA發(fā)射車輛、載具、飛行設(shè)備的電位均衡”，ISO-6469，ECE R100以及IEC 60335-1“家用電器及類似電器”第一部分：一般要求等。

2.2絕緣電阻

絕緣電阻是阻礙電流通過的一種方式，因此，更高的電阻意味著通過的電流更低。人體同時(shí)接觸到帶電部件和電平臺時(shí)，即構(gòu)成了閉合回路，絕緣電阻的存在相當(dāng)于在回路中串聯(lián)了一個(gè)分壓電阻，降低了通過人體的電流，如圖4所示。

車輛高壓電路系統(tǒng)的電阻由高壓電路和車輛電平臺之間的電阻除以高壓電源的工作電壓確定。絕緣電阻的單位是Ω /V，可通過下式計(jì)算。

根據(jù)人體安全電流限值：交流2mA，直流10mA，電動汽車電氣系統(tǒng)最大工作電壓下的絕緣電阻最小限值要求如圖5所示。

人體電阻是由許多因素決定的，如接觸面積，接觸部位，接觸電壓，環(huán)境濕度等，因此它是一個(gè)范圍值。目前行業(yè)選取人體電阻值為 500Ω，這是人體“一只手到另一只手”電阻575Ω的0.87倍。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，0.87是合理的，因?yàn)槿梭w“手到腳”路徑的電阻要比“手到手”路徑的電阻低10%到30%。

若絕緣電阻最小值無法在所有運(yùn)行條件和全生命周期內(nèi)滿足要求，即出現(xiàn)絕緣失效的情形，則應(yīng)采取一定的措施防止事故的發(fā)生，通常采用的方法有絕緣電阻監(jiān)測和附加防護(hù)兩類方法。

絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)或間歇的監(jiān)測車輛絕緣電阻情況，在發(fā)現(xiàn)絕緣電阻性能下降到不足以保證人員安全的防護(hù)要求時(shí)，應(yīng)給予駕駛員適當(dāng)?shù)木妫员闫洳扇∠鄳?yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。同時(shí)，根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，車輛可以自動關(guān)閉B級電壓系統(tǒng)，或者限制B級電壓系統(tǒng)的激活。需要注意的是，若車輛及其附屬系統(tǒng)具有兩個(gè)及以上的絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)保證系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。

附加防護(hù)是指以基本防護(hù)為基礎(chǔ)，采取類似的結(jié)構(gòu)，提高對高壓帶電部件的隔離能力，降低防護(hù)失效的可能性。具體防護(hù)措施主要包括：（1）用雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣代替基本絕緣，提高絕緣防護(hù)的耐用性；（2）在基本防護(hù)之上增加一層或多層絕緣、遮攔/外殼，形成冗余保護(hù)機(jī)制；（3）在車輛的使用壽命中，使用具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和耐久性的剛性遮攔/外殼，避免出現(xiàn)過快磨損導(dǎo)致的防護(hù)能力下降。

2.3電容耦合

電動汽車B級電壓電路和電平臺之間的電容耦合通常是由Y電容器或寄生電容耦合產(chǎn)生，用來實(shí)現(xiàn)電磁兼容。在單點(diǎn)失效的情況下，絕緣電阻雖然可以限制從REESS流過人體的電流，但不能限制從Y電容器流過人體的電流，因此需要滿足電容耦合的要求。

當(dāng)人體與直流高壓電路接觸時(shí)，為防止由于電容放電產(chǎn)生的危害電流對人體造成傷害，應(yīng)滿足：（1）任何高壓帶電部件和電平臺之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)所存儲的總能量應(yīng)小于0.2J；（2）機(jī)械或電氣防止接觸方法。

當(dāng)人體與交流高壓電路接觸時(shí)，為防止由于電容放電產(chǎn)生的危害電流對人體造成傷害，應(yīng)滿足：（1）流過人體的交流電流不應(yīng)超過5mA；（2）機(jī)械或電氣防止接觸方法。

機(jī)械或電氣的防護(hù)方法包括：（1）雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣代替基本絕緣；（2）在基本防護(hù)之上增加一層或多層絕緣，遮攔/外殼；（3）在車輛的整個(gè)使用壽命中，使用具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和耐久性的剛性遮攔/外殼。

2.4斷電

當(dāng)電動汽車B級電壓電路出現(xiàn)故障時(shí)，若故障情形可能會影響到行車安全，則根據(jù)電路的工作狀態(tài)，車輛應(yīng)采取自動切斷B級電壓電路能量供應(yīng)的措施，防止事故的發(fā)生。在車輛制造商規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，切斷供電的電路應(yīng)滿足：（a）交流電路電壓應(yīng)降低到30V a.c.(rms)，直流電路電壓應(yīng)降低到60V d.c.，或以下；（b）電路存儲的總能量小于0.2J，如圖6所示。

在故障排除前，原則上不允許對車輛B級電壓電路系統(tǒng)上電，若進(jìn)行強(qiáng)制上電操作，則車輛應(yīng)對操作人員進(jìn)行必要的提醒，告知其車輛仍處于故障狀態(tài)，需要盡快進(jìn)行檢查維修。

2.5觸電防護(hù)替代方法

為提高電動汽車的安全性能，車輛制造商應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈：Ψ治霾⒔⒁幌盗蓄A(yù)防單點(diǎn)失效情況下的人員觸電防護(hù)措施。

3、結(jié)束語

電動汽車具有高能量的高壓電力系統(tǒng)，因此除滿足車輛的通用安全要求外，還要采取必要的措施，保證日常使用中的電氣安全性能。人員觸電防護(hù)是電動汽車安全要求與傳統(tǒng)汽車安全要求的主要區(qū)別之一。高電壓、大電流、高能量電力系統(tǒng)的失效防護(hù)需要采取冗余機(jī)制，避免對人體造成傷害。目前電動汽車安全性能已基本滿足市場要求，但仍然存在一些不足，需要繼續(xù)進(jìn)行完善，提高安全防護(hù)性能的魯棒性和全面性，進(jìn)一步降低危害事故發(fā)生幾率，保證整車安全性能。

[1]付于武.中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)研究與發(fā)展.新能源汽車.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2013.

[2]純電動汽車及混合動力汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：原書第二版/（美）侯賽因（Husain，I.）著；林程譯。——北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護(hù).

[4]ISO 20653：2013 Road vehicles-Degrees of protection (IP-Code)-Protection of electrical equipment against foreign objects,water and access.

[5]IEC 60479-1 Effects of current on human beings and livestock—part1: General aspects.

[6]Draft global technical regulation (GTR) No.XXX on Electric Vehicle Safety.

Study on Protection of Persons Against Electric Shock in Electric Vehicles

Zhao Jiawang1,Liu Guibin2,Zhou Rong2
（1.Hebei University of Technology,Tianjin,300132 ; 2.Chinese Automotive Technology & Research Center,Tianjin 300300）

Analyzed the persons electric shock hazard may occur in the process of using electric vehicles,put forward protection measures and protection requirements in basic protection and protection under single-failure conditions.The protection of persons against electric shock need redundancy protection,ensure safety performance robustness and improve the overall vehicle safety level.

electric vehicles; basic protection; protection under single-failure conditions; electrical safety

U471

A

1671-7988（2016）08-22-03

趙家旺（1991-），男，碩士，就讀于河北工業(yè)大學(xué)。