電動汽車安全要求測試方法研究

姜俊昭，雷斌，高峰，郭瑞玲

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津市 300300)

0 引言

隨著電動汽車關(guān)鍵技術(shù)的不斷提升以及市場保有量的不斷增加，人們對電動汽車高壓系統(tǒng)安全問題愈發(fā)重視。相對于傳統(tǒng)汽車，純電動汽車具有大容量高壓動力電池、高壓電機系統(tǒng)、DC/DC及其他高壓附件設(shè)備。其整體電氣化程度高，工作電壓一般為200～500 V(直流)，遠高于人體能承受的36 V安全電壓。另外，電路系統(tǒng)工作時的瞬時峰值電流能達到數(shù)百安，當高壓線路發(fā)生絕緣失效、電流溢出甚至短路等情況時，電動汽車會發(fā)生功能故障，嚴重危害駕乘人員的生命安全[1]。因此，電動汽車高壓安全性是評價電動汽車品質(zhì)的一項重要指標。

ECE R100、ISO6469、GB/T 18384、EVS GTR等現(xiàn)行標準或規(guī)范對電動汽車高壓安全性做了相應(yīng)要求及測試方法指導。本文作者依據(jù)國標GB/T 18384-2015《電動汽車安全要求》，通過開展電動汽車安全要求比對試驗，統(tǒng)一了對現(xiàn)行標準內(nèi)容的理解，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測試方法。進一步分析試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)測試規(guī)律，探討影響測試結(jié)果的敏感因素。其中重點推導了絕緣電阻計算公式的成立條件，針對端電極對電底盤電壓衰減的問題提出了一種改良的絕緣電阻測量方法，最后通過不同并接電阻條件下的一系列實驗驗證了該方法的有效性。

1 測試項目

現(xiàn)行國標GB/T 18384-2015《電動汽車安全要求》總體分為三部分內(nèi)容：第1部分《車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)》從電源的角度規(guī)定了標記與標識、REESS的絕緣電阻、電氣間隙和爬電距離、有害氣體和其他有害物質(zhì)排放、REESS產(chǎn)生的熱量、REESS過電流斷開的要求[2]；第2部分《操作安全和故障防護》從車輛功能防護的角度，規(guī)定了操作安全(驅(qū)動系統(tǒng)電源接通和斷開程序、車輛和外部電源的物理連接、行駛、反向行駛、駐車、電磁兼容)、失效防護、用戶手冊、標識和緊急響應(yīng)的要求[3]；第3部分《人員觸電防護》從人員防護的角度規(guī)定了正常情況、單點失效情況及暴雨涉水等特殊情況下的安全防護。主要包含：高壓警告標記、B級電壓電線的標記、基本防護方法、單點失效防護、觸電防護替代方法、絕緣要求、遮攔/外殼的要求、絕緣電阻要求、絕緣協(xié)調(diào)要求、電位均衡要求、車輛充電插座的要求、防水以及用戶手冊的要求[4]。

針對上述測試項目，以上汽某純電動轎車為測試對象，重點就電位均衡、整個B級電壓電路絕緣電阻、車輛充電插座絕緣電阻的要求進行了一系列比對試驗。文中將參與比對試驗的6個測試機構(gòu)定義為A、B、C、D、E、F，然后通過統(tǒng)計各機構(gòu)的測試數(shù)據(jù)，計算測量值的相對偏差來進行結(jié)果滿意度評價。

1.1 電位均衡

1.1.1 一般要求

電位均衡即為等電勢的要求，是指屬于高壓部件外露的導電部件(如外殼或者遮攔)互相導通地連在一起，并統(tǒng)一連接到車輛電平臺上。所有組成電位均衡電流通路的組件(導體及連接部分)應(yīng)能承受單點失效情況下的最大電流[5]。電位均衡通路中任意兩個可以被人同時觸碰到的外露可導電部分之間的電阻應(yīng)不超過0.1 Ω。

1.1.2 測試方法

電位均衡阻值的測試需要在任何兩個外露導電部分施加一個測試直流電，其電流值不小于1 A，電壓小于60 V，且測試持續(xù)時間不小于5 s。被測路徑應(yīng)隔離在其他電位路徑外，這些導電部分應(yīng)分別包括B級電壓組件的外殼以及分別連接到車輛電平臺或遮攔/外殼的連接件等。試驗中測試所用設(shè)備為微電阻測試儀，兩個探針分別連接外露可導電部件的外殼遮攔與電平臺，并滿足人體能夠同時觸碰的測點距離要求，測試過程如圖1所示。

圖1 電位均衡測試

1.1.3 測試結(jié)果分析

電位均衡的阻值通常非常小(小于0.1 Ω)，易受環(huán)境影響，因此很小的波動就容易導致較大偏差。為綜合分析不同機構(gòu)的測試結(jié)果，采用相對偏差作為評價依據(jù)，如公式(1)所示

式中：X為各機構(gòu)測試數(shù)據(jù)的平均值；d為測試結(jié)果的絕對偏差，d=xi-X；xi為第i組試驗結(jié)果。

分別計算各機構(gòu)的偏差Rd值，當Rd≤5%，則評定測試結(jié)果為滿意，否則為不滿意。在環(huán)境艙內(nèi)外分別進行電位均衡測試，分析測試結(jié)果的一致性與差異性，測試值如表1所示。

表1 電位均衡連續(xù)性試驗

通過觀察各試驗組在兩種測試環(huán)境下的電位均衡值，可以看到測得的阻值均為mΩ級，遠小于國標要求的值。另外對比看出，環(huán)境艙內(nèi)測得的阻值基本較常規(guī)測量值小。進一步觀察各組測試結(jié)果的相對偏差，發(fā)現(xiàn)有4組環(huán)境艙外的測試偏差大于5%，結(jié)果不滿意。而環(huán)境艙內(nèi)的測試偏差均小于5%，結(jié)果滿意。通過對比可以看出，環(huán)境艙內(nèi)的測試結(jié)果波動性遠小于環(huán)境艙外。

綜上，從滿足國標的角度看，環(huán)境艙內(nèi)外的差別不會引起電位均衡測試發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持相同的測試環(huán)境更有利于檢測結(jié)果的一致性。

1.2 整個B級電壓電路絕緣電阻

1.2.1 一般要求

B級電壓電路絕緣電阻的測量是整個GB/T 18384-2005《電動汽車安全要求》標準中的重要測試項目。首先根據(jù)最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為以下等級，如表2所示。

表2 電壓等級

對于A級電壓等級的電路，不需要進行觸電防護。對于B級電壓電路中的帶電部件，需要有防護措施，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100 Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500 Ω/V。為滿足以上要求，依據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和組件的數(shù)量，整個電路中每個組件應(yīng)有更高的絕緣電阻。另外高壓電路兩端到汽車電底盤之間的絕緣電阻一般不同(Ri1和Ri2)，如圖2所示?？紤]高壓安全性，取較低的絕緣電阻值作為整個電路的絕緣電阻。

圖2 絕緣電阻

1.2.2 測試方法

依據(jù)標準要求，測試時車輛部件需要達到露點狀態(tài)，REESS絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)必須處于關(guān)閉狀態(tài)。并將電力系統(tǒng)負載連接到B級電壓電源，整個高壓回路連接在一起，通過外接電阻切換法[6]，間接測量回路與汽車電底盤之間的絕緣電阻Ri。具體步驟如下：

(1)確認測試點。明確整個B級電壓電路絕緣電阻試驗的測量點，將正負極母線引出，便于一定濕度下的測試。另外統(tǒng)一測量點也有利于比對試驗的一致性分析。

(3)使車輛上電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于激活狀態(tài)。

(4)測量高壓回路的兩個端子和車輛電平臺之間的電壓。較高的一個定義為U1，較低的一個定義為U′1，相應(yīng)的兩個絕緣電阻定義為Ri1和Ri2=Ri，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測試

(5)添加一個已知電阻R0與Ri1并聯(lián)，即加在較高電壓一側(cè)與電平臺之間。再次測量兩端電壓，分別為U2和U′2，如圖4所示。

(6)計算絕緣電阻Ri。根據(jù)上述測量電壓值，可以間接計算Ri，推導過程如下：

根據(jù)基爾霍夫定律，圖3所示電路滿足如下關(guān)系：

圖4 絕緣電阻測試(并R0)

從而：

圖4所示電路滿足如下關(guān)系：

將式(3)代入式(4)中，可得：

從而：

另外，設(shè)U1+U′1=U2+U′2，替代式(6)中的U′2，可求得：

進一步整理：

由推導過程可知，公式(6)與公式(8)等價的前提條件是U1+U′1=U2+U′2。這一點在測試過程中需重點關(guān)注，國標中只提到將測試的電壓值及已知并聯(lián)電阻代入公式(6)或(8)均可計算得絕緣電阻值。但實際測試過程中，經(jīng)常發(fā)生電壓下降的現(xiàn)象，即某極對電底盤電壓呈持續(xù)衰減狀態(tài)，導致分電壓之和遠小于總電壓，且U1+U′1≠U2+U′2，此時代入不同公式計算出的結(jié)果是有差異的。對這樣的現(xiàn)象標準中并未給出說明或解決方案。

由于電動汽車自身電路特征、測試萬用表的內(nèi)阻分壓、電容放電等原因，會導致某電極對電底盤電壓持續(xù)或快速衰減，甚至能衰減至很小。結(jié)合國標GB/T 18384-2015中外接并聯(lián)電阻的間接測量思路，文中提出一種改良的絕緣電阻測量方法，即通過搭建平衡橋來解決兩端電極對電底盤電壓下降的問題，具體步驟為

(1)在電路對電底盤間(正極對電底盤及負極對電底盤)分別并聯(lián)1個阻值相等的千歐級電阻R，比如100 kΩ。

(2)按照第1.2.2節(jié)中所述國標GB/T 18384-2015中對B級電壓電路絕緣電阻的測試要求及方法進行完整電路的絕緣阻值測試，并將測量電壓值代入公式(6)或公式(8)，計算得到當量阻值R′。

(3)考慮平衡橋并聯(lián)電阻R的影響，通過公式(9)可計算得所需的整車B級電壓電路絕緣電阻Ri。

對多款試驗樣車進行不同并接電阻條件下的一系列實驗，驗證該方法的有效性，其中并接電阻型式及試驗過程如圖5所示。

對絕緣電阻的測量計算值以及電壓穩(wěn)定程度等信息進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。R表示搭建平衡橋時的并接電阻值，Ub是總電壓，可以看到不并聯(lián)電阻時(第一行數(shù)據(jù))，兩端電壓很不穩(wěn)定，測量值快速下降；并聯(lián)電阻值為50～200 kΩ時電壓穩(wěn)定，測試效果好；但隨著阻值進一步增加，兩端電壓和的差值逐漸增大；一旦阻值達到兆歐級，兩端電壓開始上下跳動，很難準確測量。因此，并聯(lián)電阻值的選擇是關(guān)鍵因素：阻值選擇得當，可實現(xiàn)測量電壓穩(wěn)定；并聯(lián)電阻阻值過大，尤其是大到與電壓表內(nèi)阻值相當或超出時，會影響測量準確度；電阻阻值太小則會引發(fā)安全風險。

圖5 絕緣電阻測試

表3 不同橋接電阻下的對地絕緣電阻測試結(jié)果

綜上，將測得的電壓值及已知電阻代入公式(6)與公式(9)或公式(8)與公式(9)，便可得到待測絕緣電阻Ri。

1.2.3 測試結(jié)果分析

按照第1.2.2節(jié)中所述的測試方法，分別在環(huán)境艙內(nèi)以及艙外常溫下對整個B級電壓電路的絕緣電阻進行測量，統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)與偏差計算結(jié)果如表4所示。

表4 整個B級電壓電路絕緣電阻的測量

根據(jù)表4統(tǒng)計結(jié)果對各機構(gòu)在兩種情況下的絕緣電阻測試值進行規(guī)律分析，可以發(fā)現(xiàn)絕緣阻值均達到了國標的要求，且遠大于國標要求的最低值(測量值接近國標要求值的30倍)。另外看到環(huán)境艙內(nèi)露點條件下測得的絕緣阻值較常規(guī)測量值小。對環(huán)境艙內(nèi)外的測量值進行相對差值計算，結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹讲煌h(huán)境下的測試值變化率不大，即環(huán)境艙內(nèi)測試值較艙外值雖有所減小，但減小幅度不大，均低于2%。從這一規(guī)律來看，可以考慮取消進環(huán)境艙測試絕緣電阻的強制要求。進一步觀察各組測試值的相對偏差，可以看到偏差值均小于5%，結(jié)果滿意。

圖6 不同測試環(huán)境下的變化率

1.3 車輛充電插座的絕緣電阻

1.3.1 一般要求

電動汽車充電插座包含傳導連接到電網(wǎng)(慢充)與非傳導連接到電網(wǎng)(快充)兩類。傳導連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻值要求至少1 MΩ；非傳導連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻需滿足第1.2.1節(jié)中的阻值要求，并且應(yīng)有端子將車輛電平臺和外接電源的保護接地(PE)相連接。

1.3.2 測試方法

與整車B級電壓電路絕緣電阻測試方法不同，充電口電阻測試時要求車輛斷電，屬于無源測試[7]。因此直接用絕緣電阻測試儀測量電阻即可，具體如下：

(1)將車輛斷電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于非激活狀態(tài)；

(2)將絕緣電阻測試設(shè)備的兩個探針分別連接充電口高壓端子及電平臺，其中，測試設(shè)備的檢測電壓要求大于整車最大工作電壓，然后取設(shè)備穩(wěn)定時的讀數(shù)。試驗測試過程如圖7所示。

圖7 充電插座絕緣電阻測試

1.3.3 測試結(jié)果分析

表5為車輛充電插座(傳導、非傳導)絕緣電阻的測量值與相對偏差計算值?？梢钥吹絺鲗нB接下的絕緣電阻均大于550 MΩ，符合國標要求，且比對結(jié)果滿意。

表5 車輛充電插座絕緣電阻的測量

另外觀察非傳導連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻測量值，可以看到第一組的阻值明顯小于其他5組數(shù)據(jù)，其相對偏差也很大，達到31.65%，該測試項比對結(jié)果不滿意。

通過進一步對各機構(gòu)檢測過程綜合分析，探究產(chǎn)生上述不滿意結(jié)果的原因。發(fā)現(xiàn)在測量充電插座絕緣電阻時，正向測量和反向測量差別巨大。即在使用測量表筆對非傳導連接到電網(wǎng)的充電插座測量時，正表筆對高壓線路、負表筆對電底盤的測量結(jié)果與正表筆對電底盤、負表筆對高壓線路會產(chǎn)生不一樣的阻值結(jié)果。由于A機構(gòu)取負表筆對高壓線路、正表筆對電底盤下的測量值，與其他機構(gòu)的測試方向相反，因此測試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

基于此，建議該項目檢測方法應(yīng)該是正向反向均測試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)論

本文作者依據(jù)國標GB/T 18384 -2015《電動汽車安全要求》，開展了電動汽車安全要求比對試驗，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測試方法。通過對測試結(jié)果統(tǒng)計分析，得到如下結(jié)論：

(1)電位均衡測試項目中，環(huán)境艙內(nèi)外的條件差別不會引起測試結(jié)果發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持測試環(huán)境更有利于檢測結(jié)果的一致性。

(2)選配適當阻值的電阻，通過搭建平衡橋可以解決整車B級電壓電路兩端電極對電底盤電壓下降的問題。環(huán)境艙內(nèi)露點條件下測得的整個B級電壓電路絕緣阻值較常規(guī)測量值小，但減小的幅度不大，低于2%。

(3)測量充電插座絕緣電阻時，正向測量和反向測量差別很大。建議該項目檢測時正向、反向均測試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。