電動汽車高壓電安全設計淺析

鄒利寧，胡艷峰，鄭 欣，黃 河

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

電動汽車的電壓等級較高，一般均為B級電壓，即大于30 V，小于等于1 000 V的交流系統，或大于60 V，小于等于1 500 V的直流系統。就目前電動汽車行業現狀而言，乘用車的電壓等級多為300～500 V DC，商用車領域 （包括客車和載貨汽車）電壓普遍高于500 V，介于500～700 V之間。這樣的電壓等級遠高于人體安全電壓36 V，因此電動車高壓電安全設計，不但關系車輛使用的可靠耐久，更與駕乘人員的人身安全息息相關。根據最新國標《GB／T 18384.3人員觸電防護》中的要求，筆者結合多年新能源汽車設計工作經驗，從電動汽車高壓電氣系統絕緣電阻檢測、高壓互鎖回路設計和整車電位均衡3方面闡述電動汽車高壓電安全設計。

1 絕緣電阻檢測

電動汽車高壓電氣系統為車輛驅動電機等大功率部件提供電能，主要由動力電池組、電源變換器 （DCDC／DCAC）、驅動電機及其控制器、電動助力轉向、電動制動及電動空調等電氣設備和高壓電線電纜等組成。高壓電氣系統的工作電壓一般都在300 V以上，采用較高的電壓平臺，可以減小系統工作電流、減小高壓電纜線徑，有利于整車輕量化設計。但是，如此高的工作電壓對高壓電氣系統和車輛底盤之間的絕緣性能提出了很高要求。

1.1 絕緣電阻的含義及測量意義

高壓系統的絕緣電阻是指高壓電氣設備帶電部分與車架或車身之間的電阻值，是電動汽車高壓電安全最重要最基本的一個指標。

測量絕緣電阻的意義主要有以下幾個方面：①眾所周知，根據絕緣材料的耐熱等級，電動機的絕緣等級一般分為Y、A、E、B、F、H、C 7個等級。不同的等級對應不同的耐熱溫度。絕緣材料在高溫環境下易加速老化，從而使絕緣電阻值降低。通過測量絕緣電阻可間接判斷絕緣材料性能是否滿足設計要求。②高壓電氣設備大都是發熱器件，一方面要考慮散熱，另一方面要考慮防塵防水。目前的方案是采用水冷散熱，高壓設備和連接器防護等級可達到IP66到IP67，通過檢測絕緣電阻，可判斷IP防護是否到位。③檢測絕緣電阻，可以間接判斷高壓電纜制作品質。例如，若電纜屏蔽層處理不佳，可能與高壓導體接觸，造成高壓導體部分搭鐵。

1.2 絕緣電阻檢測方法

1.2.1 靜態測量

絕緣電阻的靜態測量方法，就是在整車裝配結束后，在上高壓電之前，用兆歐表測量整車高壓電氣系統各個組件，主要包括動力電池的正負極母線接口 （連接器）、驅動電機及其控制器高壓接口、轉向制動等輔助高壓設備接口，以及高壓電氣設備金屬外殼、固定支架等。通過對以上測量點與車架之間的絕緣電阻值進行測量，判斷高壓電器裝置內部及高壓電纜絕緣層的高壓絕緣性能。測試方法分以下幾個步驟。

1）測量前，斷開高壓系統電源，對兆歐表進行短路和斷路測試，確保兆歐表工作正常。

2）兆歐表應平穩放置在遠離大電流和外磁場的地方。

3）選擇合適的電壓擋位，以福祿克1508兆歐表為例，其可提供50V、100V、250V、500V和1000V五個擋位的設置。

4）選定擋位后，黑色表筆連接車架，紅色表筆連接被測部位，按下測試按鈕開始測量，待屏幕讀數穩定后，記錄數據，完成該部位絕緣電阻的測量。

5）測量完一個部位后，對表筆短路放電，防止表筆上的殘留電壓對后續部位測試造成干擾，然后按照步驟4）依次測量其余部位，記錄數據，完成整車絕緣電阻的測量。

《GB／T 18384.3—2015電動汽車安全要求 第3部分 人員觸電防護》中規定：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值至少大于1 00 Ω／V，交流電路至少大于500 Ω／V。一般的電動汽車均為交直流混合系統，因此應按照500 Ω／V的要求設計、測量絕緣電阻。

表1為某款純電動汽車典型高壓部位的對搭鐵絕緣電阻實測數據。從表1中不難看出，動力儲能系統和驅動電機系統的絕緣電阻值較高，輔機中的轉向和助力電機次之，舒適系統中的空調暖風絕緣電阻較小。若按照600 V DC計算，國標對絕緣電阻值的要求是不小于300 kΩ，表1中最小的PTC絕緣電阻也遠遠大于國標要求。

表1 某款電動汽車典型高壓部位絕緣電阻值

既然單個高壓部件的絕緣電阻值可以做到如此高，為何國標要求卻這么低呢？筆者認為有3點原因：①以600 V直流系統計算，300 kΩ的絕緣電阻所造成的泄露電流僅有2 mA，只是身體有感電流的下限，不會造成人身傷害；②對于單個高壓部件，絕緣阻值做到兆歐級別并非難事，但是就電動汽車整車而言，高壓部件少則五六種，多則十種，這些高壓部件的絕緣電阻構成一個并聯電阻系統，其阻值大小類似“木桶原理”，由最小值決定，而且要比最小值還小；③設備運行過程中的發熱和長期使用造成的絕緣材料老化，以及氣候因素引起的潮濕等因素，使得不論單個高壓部件還是高壓系統的絕緣阻值都不同程度下降。

綜合以上3點，在進行高壓部件絕緣電阻材料選型和絕緣電阻指標設計時，一定要根據車輛使用環境和工況等因素綜合考慮，預留一定的設計余量。

1.2.2 在線實時測量法

絕緣電阻的第二類測量方法稱為在線實時測量法，目前應用最廣最為成熟的是低頻信號注入法。采用該方法的絕緣檢測儀已經比較成熟，有專門配套廠生產。整車廠設計的側重點是外形尺寸、安裝布置、電氣參數、EMC以及通信協議方面的需求。比如，用于電動商用車的絕緣檢測儀，工作電壓范圍滿足18～32 V，靜態功耗不大于3 mA；通信協議滿足SAE J1939規范；電磁兼容滿足GB／T 18655和GB／T 17619的相關要求。

采用低頻信號注入法，可以在上低壓電后、上高壓電之前檢測整車高壓系統絕緣電阻狀態，一旦出現絕緣電阻故障，可通過控制策略限制上高壓電，避免上高壓后出現不可預知的后果；待排查并處理絕緣故障后，方可上高壓。但是這種方法也有一定局限性，比如由于BMS主放電接觸器在上高壓電前未閉合，因此無法檢測放電接觸器前端的絕緣電阻。目前，比較常見的解決辦法是通過BMS內置絕緣檢測模塊檢測，BMS低壓供電接常電，行車時與整車絕緣檢測儀協同檢測絕緣電阻，充電時BMS進行絕緣電阻檢測，并通過遠程終端發送充電狀態至企業平臺和公共平臺。

表2為某款電動車絕緣電阻故障等級定義及處理機制。以往設計中出現過4個故障等級的劃分，除表2中一、二級故障外，還有三級故障 （接線故障），四級故障 （設備故障）；實踐中發現，出現三、四級故障的同時一般都會伴有一、二級故障出現，因此簡化設計，僅保留一、二級故障處理機制即可。

表2 絕緣電阻故障等級定義及處理機制

2 高壓互鎖回路

2.1 高壓互鎖的定義

ISO國際標準《ISO 6469-3：2001電動汽車安全技術規范第3部分：人員電氣傷害防護》規定：車上的高壓部件應具有高壓互鎖裝置。高壓互鎖，也指危險電壓互鎖回路（HVIL， Hazardous Voltage Interlock Loop），其原理是通過使用電氣小信號來檢查整個高壓設備、電纜、連接器電氣完整性，識別回路異常時，及時斷開高壓電。

2.2 高壓回路的互鎖設計

高壓互鎖回路通過帶互鎖信號的高壓連接器和手動維修開關 （MSD）實現。連接器主要實現配電端即高壓設備端的高壓互鎖，MSD則實現動力電池組即供電端的高壓互鎖。互鎖端子相互串聯連接，構成互鎖信號回路，每個高壓連接器相當于互鎖信號回路的一個開關節點，只有高壓連接插接到位，接觸良好時，互鎖信號才會導通。一般將互鎖信號接搭鐵后送入VCU（整車控制器），VCU接收到低電平信號后方可進行高壓上電。其原理如圖1所示。

圖1 高壓電氣互鎖回路

高壓互鎖功能通過帶互鎖功能的高壓連接器、互鎖回路和整車控制策略3方面完善設計才能實現。高壓互鎖功能主要有以下3方面意義：①彌補了高壓連接機械鎖止機構安裝不到位或長期振動后松脫的不足；②防止由于端子壓接品質不過關，出現部分退針接觸面積不足的情況；③提高連接器插接件電氣安全性和人身安全，先閉合低壓回路，檢測低壓信號，然后閉合高壓回路，可以最大限度避免帶電插拔高壓連接器的可能。

3 高壓電氣系統電位均衡

國標《GB／T 18384-3：2015電動汽車安全要求 第3部分》中，將等電位連接 （電位均衡）定義為：電氣設備外露可導電部分之間電位差最小化。

電動汽車儲能系統雖為直流供電系統，但有很多感性負載，如驅動電機、轉向助力電機等。這些感性負載運行時，其機體內部的繞組和高壓連接電纜會通過交變電流，交變電流產生電磁場，如果電機本體和高壓電纜屏蔽性能不佳或絕緣性能下降，有可能使高壓部件外殼產生感應電動勢，使得高壓部件外殼兩點之間存在電勢差，有觸電的安全風險。

圖2 電位均衡示意圖

高壓電氣系統電位均衡不但是實現人員安全防護的要求，同時也與整車的正常運行息息相關。通過電位均衡系統將高壓電器設備外露可導電部分電位最小化，可在一定程度上提高整車EMC性能和ESD性能。如圖2所示，高壓組件的可導電外殼與底盤連接，使所有高壓組件可導電外殼連接成一個整體，具有相同電勢，以滿足高壓組件系統外漏可導電部分任意兩點電位差最小的要求。電位均衡連接需要注意以下幾點：①任一高壓設備外殼應預留專用等電位連接點，并布置于設備外緣，以便用最短的導線與車架或車身連接；②等電位連接點應設計成焊接螺母或螺紋孔，便于用螺栓可靠地固定連接端子；③連接時需保證連接孔及孔緣清潔、干燥，避免因油污、車漆等絕緣性物質增大接觸電阻；④連接導線推薦使用不小于6 mm2的銅編織線，保證導線具有足夠小的電阻。以上4點的最終目的是保證等電位通路中任意兩個可同時被人觸碰的外漏可導電部分之間的電阻不大于0.1 Ω。

4 結束語

本文從絕緣電阻檢測、高壓互鎖和電位均衡3個方面論述高壓電安全設計，具體介紹了絕緣電阻檢測常見方法、高壓互鎖回路的一般電氣原理和電位均衡的含義和重要意義。安全性是汽車各項性能指標中最基本、最重要，也是最難的一項工作，而高壓電安全又是電動汽車領域最重要的一項課題，可謂任重道遠。本文拋磚引玉，希望能為高壓電安全設計提供一些借鑒。