淺析電動汽車高壓安全性的提高措施

孫禮亮

[摘 要] 有別于傳統燃油動力的汽車，電動汽車因其環保性越來越受到大眾的喜愛，而且現在的趨勢是國內外都在大力提倡電動汽車，比如梅賽德斯-奔馳母公司戴姆勒宣布將于 2022 年之前，將旗下子品牌 EQ 的所有車型快速轉化為電動汽車。現在熱門的特斯拉無人駕駛汽車、百度的無人駕駛汽車、樂視的汽車都是以電力為驅動的，而我國的公交系統現在已經在逐步推進電動公交車，逐步淘汰燃油車。而電動汽車的安全性是我們關注的另外一個焦點，如何才能提高其安全性是現在需要考慮的問題。

[關 鍵 詞] 電動汽車；高壓安全性；措施

[中圖分類號] U469.72 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）32-0182-02

一、電動汽車高壓安全性研究的必要性

近幾年來，隨著新能源汽車的快速發展，新能源汽車的安全性研究越來越引起人們的關注，新能源汽車的安全性能也越來越接近傳統車輛。但是由于新能源汽車的結構有別于傳統汽車，因此新能源汽車的安全性也明顯的有別于傳統汽車，新能源汽車的安全性主要包括三個方面：結構安全、高壓安全和化學安全。HEV車輛的設計還必須滿足GB/T19751-2005混合動力電動汽車安全要求和GB/T18384電動汽車安全要求。

電動汽車是一個復雜的機電裝置，動力電池、直流傳輸母線、逆變器、電動機、直流變換等都會涉及絕緣問題，且電動汽車工作環境復雜、震動、溫度和濕度急劇變化、酸堿氣體的腐蝕，都會引起絕緣的損傷和破壞使絕緣性能下降，這不僅會危及乘客的人身安全，還將影響低壓電器和車輛控制器的正常工作。當高電壓電路和底盤之間發生多點絕緣性能嚴重下降時，還會導致漏電回路的熱積累效應，造成車輛的電氣火災。因此，準確、實時地檢測高壓電氣系統及車輛底盤絕緣性能對保證乘客安全、電氣設備正常工作和車輛安全運行具有重要意義。

二、高壓系統工作過程及基本原理

現階段電動汽車的發展從最初的概念設計到最后的產品輸出，設計理念大概分為兩個方向：第一個方向是在傳統汽車車輛的基礎上根據使用性能及使用途徑進行局部的調整與改造，第二個方向是將以往的汽車設計思路完全推翻，以全新的概念進行設計開發。

電動汽車區別于內燃機汽車的最大不同點是動力系統由電力驅動系統組成，電力驅動系統是電動汽車的核心，由驅動電機及其控制器、動力電源、高壓配電系統和電力附件組成，電動汽車的其他裝置則基本與內燃機汽車相似。目前，電動汽車上使用的驅動電機廣泛采用為永磁無刷或異步交流電機，隨著電機和電機控制技術的發展，開關磁阻電機和輪載電機等勢必成為將來電動汽車驅動電機應用的方向。電動汽車上應用最廣泛的動力電源是組離子動力電池，但隨著新型儲能裝置的發展和技術革新，類似燃料電池、金屬電池、超級電池、超級電容等儲能裝置也將會改變電動汽車應用的進程。

下圖是純電動汽車高壓系統原理圖，從原理圖上可見，主要高壓器件有電池包、高壓盒、電機、DC/DC、A/C等5種高壓器件。同時利用驅動電機電機作為車輛運行使用的主要能源，當車輛啟動時，會優先使用，如果其由于汽車加速行駛能量不夠導致汽車功率下降，則會有電池組等輔助能源進行能量提供。同理，在汽車減速慢行或者剎車時，電池組則會吸收剎車時的能量，這就在汽車運行過程中有效地降低了對電池功率或者其他特質的硬性要求，從而提高整個汽車電力系統的安全程度。因為燃料電池與動力電池材質不同，結構不同，因此它的電壓范圍以及特性也會有很大不同，所以導致它們很難并聯使用。針對這種情況，就要有變換器的使用，在燃料電池組終端連一個具有升壓功能的DC/DC變換器，以便對電壓進行隨時控制與調節。由于在運作過程中電池組產生的工作電壓匹配于DC/DC變換器的輸出輸出電壓，因此也可以說是此電壓是最為重要的母線電壓。汽車的運行包括轉向、剎車或者行駛都是由這個母線電壓向各大功率電氣設備例如動力轉向機、制動機等隨時提供電能而進行操作的。

三、高壓安全策略方案

電動汽車的電源系統是與傳統汽車的系統不同的，電動汽車一般都有300伏以上、電流可達200A以上的電源系統，而傳統汽車就要低一些，只配有12/24V，因此安全程度也就會有所差異。電動汽車的高壓與高電流會對人體或者汽車的零部件產生潛在的危害，因此安全措施要到位。

電動汽車采用高壓配電盒安全技術，有工作經驗的人都了解，配電房是每個工廠必備的。如果把汽車比作一個工廠，那高壓盒的意義就相當于汽車的配電房。電動汽車高壓盒的作用是一個橋梁，連接傳遞動力電池與各個高壓設備的信號，并且隨時隨地對系統的各種故障如高壓故障、接地故障等進行檢測，為整個系統提供安全保障。因此設計高壓配電盒的初衷就是為了確保汽車運行環境以及駕駛人的安全問題。

純電動汽車高壓配電盒里面有銅排、斷路器、空開、接觸器、軟啟、變頻器、變壓器、接觸器、高壓繼電器、熔斷器、浪涌保護器、互感器、電流表、電壓表、轉換開關等。電動汽車的能量儲存在動力電池當中，在安裝過程中由于汽車整體小，會有空間限制，布置會有一定難度。因此在設計中，要把保險絲以及各個回路的接觸器集成到一起，器件布局盡量緊湊、便于拆裝。這樣既能滿足汽車的驅動要求，也可以在維修時不用進行拆卸，方便快捷。

同時也要注意器件溫度的變化，提高散熱意識，防止溫度突然升高。現在的制作材質通常是鑄鋁外殼和接插件，安全程度可達IP67水平，在未來的發展中，會逐漸迎來輕量化的時代。傳統連接器設備已經難以滿足其大電流、高電壓的要求，電動汽車連接器必須是大功率連接產品。如果不符合要求，電動汽車發生火災事故是必然的。是否符合要求取決于低電阻性、絕緣等級以及鎖止功能是否合格，必須達到汽車級產品的要求。安全預警方面要有絕緣監測、過壓保護、過流保護，包括一些觸點監測。在絕緣上，國標對高壓系統絕緣已經有明確的要求，電動汽車的基本絕緣、附加絕緣、雙重絕緣、加強絕緣等都要滿足要求。

四、提高電動汽車高壓安全性的建議及措施

在運行過程中高壓系統可能會達到幾百伏的電壓，其中任何一個零部件出現了問題都可能會給電動汽車以及人身安全帶來隱患。因此要科學地規定安全管理方法，以完全保證電動汽車在運行時的高壓用電安全。

基于電動汽車的高壓配置，可以分析出電動汽車發生故障及安全隱患的主要原因。大致可分為高壓環路互鎖故障、動力蓄電池組故障、短路故障、絕緣故障等幾大類。電動汽車的安全隱患問題也是相關故障造成的，尤其是線路短路或者由于各種原因導致的電池液泄露會對駕駛人直接造成傷害，具有很大的危險性，值得注意。為保障駕駛人員的安全問題以及電動汽車的性能安全問題，電動汽車的各個功能安全問題、故障防護等多個方面都應該符合國家標準。

嚴格設計高壓系統的電路并進行嚴格的監測，同時對硬件設計實驗的相關規程應給出詳細的規定。但是這些只是電動汽車中高壓系統設計與布置層面的相關安全措施，由于在運行過程中周圍的環境并不是理想狀態還有許多不確定因素，單純地靠這些表面措施還遠遠不能保障電動汽車的安全問題。因此，為了應對各種安全問題，最主要的是需要針對各種可能發生的安全隱患制定一套相關的管理規定與方法，能夠對發生的故障有一個及時的判斷并且迅速做出有效科學的保護措施，以便最大限度地保證生命財產安全。

從產品的設計之初到最后的測試售賣，都需對汽車高壓系統中進行專業、全面的測試，各個階段都有不同的檢測方式，例如比較危險的測試狀況，汽車行駛速度很高就可以將汽車放置在臺架上并進行總成的測試。綜合來講，整個產品的完成都離不開高壓測試，因此測試人員的專業素質也要有一定保障，可將測試人員分為初、中、高三個等級，三個等級人員操作權限也要有一定規定。對初等階段的人員，只需負責關于汽車的駕駛問題以及簡單操作或者充電等基礎知識；中等操作人員則按照相關的操作文件一一執行；高等操作人員能夠制作相關指導文件。

此外，目前在電動汽車開發實施過程中提出的防護措施非常零散，這使人們尤其是沒有電動汽車技術背景的使用者對高壓電安全問題缺乏一個系統的認識，一定程度上限制了電動汽車的發展和普及。在后續發展中，需要著重解決以下幾個問題：（1）目前對高壓系統電擊形式的分析尚未全面。因此，對電氣系統的電擊危險性還需要進行更加全面、更加深入的定量分析，才能更加有效地指導工程實踐。（2）由于電動汽車高壓系統的等效絕緣電阻與整個系統的工作狀態密切相關，并且系統高壓母線上的干擾非常大，這對絕緣監測系統的設計、測試與完善提出了很高的要求。（3）目前的些法規和標準是在工業、動力機車等領域中的標準、法規基礎上形成的，對電動汽車的適用性仍有待完善。（4）目前的電動汽車開發中，關于電安全設計的方法和流程還不系統，提出的設計方案較為零散，因此需要形成系統的電動汽車高壓電安全設計方法和流程，建立完善的電安全防護與管理體系。

五、結語

隨著科技的發展與進步，各類自動電子設備被越來越多地運用于汽車的各個部位，大量的新興技術設備能夠對新型能源汽車的優化產生積極的作用，例如汽車整體的安全性、穩定性，操縱的方便快捷以及動力更加充足等，讓汽車變得更加符合人的需要，更貼近實際。總的來說，新能源汽車已經逐漸走進人們的生活中，隨著中國新能源汽車產業的發展，廠家的技術水平越來越高，通過積極貫徹ISO26262國際標準，中國新能源汽車成熟的生態圈必將形成，純電動汽車的安全性及普及率也會越來越高。

參考文獻：

[1]朱建新，鄭榮良，卓斌，等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程，2007（4）：308-312.

[2]田令，張夢潔.新能源汽車技術發展現狀和趨勢[A].第三屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C]，2006：1-6.