電動汽車電安全標準分析及測試

李春，張磊，閆肅軍

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

0 引言

汽車是現(xiàn)代文明的重要組成部分，是人類智慧的結晶。它在推動社會快速發(fā)展的同時，也給人類帶來了日益突出的危害。根據(jù)世界資源研究所和中國環(huán)境檢測總站測算：全球10個大氣污染最嚴重的城市中，我國就占了7個，主要原因在于汽車尾氣對環(huán)境的污染。混在大氣中的汽車尾氣含有對人體血液、神經系統(tǒng)有嚴重損害的有毒物質。除此之外，汽車噪聲也是城市噪聲的主要來源。相比傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車的零排放或低排放和低噪聲，將大大緩解燃油汽車對人類生活環(huán)境的污染[1]。

電動汽車相比傳統(tǒng)的燃油汽車，由于驅動方式的改變，即由內燃機驅動改為電機驅動后，使得電動汽車在整車結構方面增加了高于人體安全電壓的高壓電系統(tǒng)。因此，隨著電動汽車的爆發(fā)式增長，有關電動汽車的安全隱患也隨之增加。碰撞試驗是測試車輛碰撞安全性能的有效途徑。碰撞安全性能的好壞，需要利用一定的試驗方法和設備，通過測試車輛在發(fā)生碰撞時，能否通過車輛自身的吸能結構、安全氣囊、安全帶等安全配置降低對車內乘員所造成的傷害來評定。對于電動汽車而言，碰撞試驗除了需要考察車身結構和假人的防護性能，還需要考察與電安全相關的其他性能，如防觸電保護性能。

本文作者主要對電動汽車的特殊性，即碰撞后的電安全測試，從標準和測試技術方面進行分析和研究。

1 標準現(xiàn)狀

目前，關于電動汽車在碰撞后電安全測試的標準與法規(guī)有：(1)美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)的FMVSS 305《電動汽車：電解液泄漏和電安全防護》[2]；(2)歐洲經濟委員會(Economic Commission of Europe，ECE)的ECE R94[3]和R95；(3)國家標準中的GB/T 31498-2015《電動汽車碰撞后安全要求》[4]。

1.1 美國標準

根據(jù)美國頒布實施的《機動車安全法》，凡在美國銷售并在美國行駛的車輛，包括電動汽車，必須滿足FMVSS標準。FMVSS 305是美國汽車安全技術規(guī)范中唯一針對電動汽車所制定的，它要求電動汽車在完成正面碰撞、側面碰撞、后面碰撞以及隨后的靜態(tài)翻滾后，應滿足相關的電安全要求，包括動力電池電解液溢出、動力電池系統(tǒng)位置保持和高壓電氣安全。

具體要求如下：

(1)電解液泄漏

試驗后30 min內，若存在電解液泄漏，則電解液泄漏量不允許超過5 L，且電解液不允許溢出到乘員艙。

(2)動力電池包位置保持

動力電池包至少應通過一個緊固點、支架或其他結構使電池包保持在安裝位置，并且不得進入乘員艙。

(3)電器安全，以下條款應滿足其一：

①絕緣電阻。對不具有絕緣監(jiān)控的高壓電系統(tǒng)，試驗后高壓電系統(tǒng)與車輛電平臺之間的絕緣電阻阻值應大于等于500 Ω/V；對具有絕緣監(jiān)控的直流高壓電系統(tǒng)，其絕緣電阻應大于等于100 Ω/V。

②電壓要求。高壓電路電壓(Vb、V1和V2)應不大于30 V(AC)或60 V(DC)。

(4)絕緣監(jiān)控

每個直流高壓部件須有絕緣監(jiān)控系統(tǒng)對其進行監(jiān)控，并能在絕緣失效時發(fā)出警告[2]。

1.2 歐洲標準

歐洲ECE標準要求：電動汽車在按照ECE R94、ECE R95、ECE R135、ECE R137等碰撞規(guī)程中定義的方法進行試驗后，高壓帶電系統(tǒng)，包括動力系統(tǒng)、高壓帶電部件和高壓母線需要滿足防觸電保護要求，其中防觸電保護要求包括電壓要求、電能要求、物理防護、絕緣電阻、電解液泄漏要求和REESS(Rechargeable Energy Storage System)要求。

具體要求如下：

(1)防觸電保護

當電力系統(tǒng)在未通電的情況下進行試驗時，則整車的電安全由下面的第③條和第④條來考核。當電力系統(tǒng)在通電的情況下進行試驗時，則以下4條應滿足其一。

①電壓要求。高壓母線的電壓Vb、V1和V2應不大于30 V交流或60 V直流。

②電能要求。高壓母線上的總電能TE應小于2.0 J。

③物理防護。碰撞后車輛應有IPXXB級別的保護，且所有外露的可導電部件與電平臺之間的電阻應低于0.1 Ω。

④絕緣電阻。若電路中有一點以上或部分高壓母線不滿足③時，則該項不適用。如果交流高壓母線和直流高壓母線互相傳導絕緣，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線來說，最小值應為100 Ω/V；對于交流母線來說，最小值應為500 Ω/V。如果交流高壓母線和直流高壓母線是互相傳導連接的，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻的最小值應為500 Ω/V。

(2)電解液泄漏

碰撞結束30 min內，不應有電解液從REESS中溢出到乘員艙，布置在乘員艙外部的REESS其電解液泄漏量不應超過7%，不包括開放型的動力蓄電池。針對開放型的動力蓄電池，其電解液泄漏量不應超過7%，且最大泄漏量不應超過5 L。

(3)REESS要求

布置在乘員艙里的REESS應保持在安裝位置，REESS部件應保持在其外殼內。位于乘員艙外部的任何REESS部分不得進入乘員艙[3]。

1.3 中國標準

我國關于電動汽車碰撞后安全要求主要執(zhí)行的標準為中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會于2015年5月15日發(fā)布的GB/T 31498-2015《電動汽車碰撞后安全要求》。該標準要求帶有B級電壓電路的純電動汽車和混合動力汽車，在按照GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》和GB 20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》的標準進行碰撞試驗后，整車的動力用高壓系統(tǒng)及動力用高壓系統(tǒng)傳導連接的高壓部件應同時滿足防觸電保護要求(電壓要求、電能要求、物理防護、絕緣電阻)，電解液泄漏要求和REESS要求。

具體要求如下：

(1)防觸電保護

每一條高壓母線應該滿足以下4條款中的任意一項。如果碰撞試驗在車輛的REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下進行，則車輛的電力系統(tǒng)負載應滿足第③條或第④條中的任意一項。

①電壓要求。高壓母線的電壓Vb、V1和V2應不大于30 V交流或60 V直流，當車輛REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下，該條款不適用。

②電能要求。高壓母線上的總電能TE應小于0.2 J，儲存在Y-電容器里的能量(TEy1，TEy2)也應小于0.2 J。當車輛REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下，該條款不適用。

③物理防護。為防止直接接觸高壓帶電部位，車輛應有IPXXB級別的保護；為防止間接接觸的觸電傷害，用大于0.2 A的電流進行測量，所有外露的可導電部件與電平臺之間的電阻應小于0.1 Ω。

④絕緣電阻。動力系統(tǒng)由單獨的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線最小值為100 Ω/V，同時對于交流母線最小值為500 Ω/V。動力系統(tǒng)由連接的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻最小值為500 Ω/V；若所有交流高壓母線的保護等級達到IPXXB或交流電壓等于或小于30 V，則其最小值為100 Ω/V。

(2)電解液泄漏

碰撞結束后30 min內，不應有電解液從REESS中溢出到乘員艙，不應有超過5.0 L的電解液從REESS中溢出。

(3)REESS要求

①位移要求。位于乘員艙里的REESS應保持在安裝位置，REESS部件應保持在其外殼內。位于乘員艙外的任何REESS部分不應進入乘員艙。

②特殊安全要求。碰撞結束30 min內，REESS不應爆炸、起火[4]。

2 標準對比與分析

將FMVSS、ECE和GB中涉及到高壓電安全方面的各項要求列表，結果如表1所示。

表1 電動汽車高壓電安全要求

由表1可知：上述3類標準中關于電動汽車碰撞后電安全要求的考核內容基本一致，區(qū)別在于每一基本考核項中的具體要求不同。下面對美標與國標、歐標與國標之間的具體差別進行對比分析。

2.1 美標與國標

FMVSS 305與GB/T 31498-2015在碰撞后電安全方面的技術要求差別較大，分析如下：

實驗優(yōu)化了標準模式下測鎘、鉛、汞、鉻、砷和銻的強度值，以0.1 L/min的幅度，從0.1 L/min逐漸調節(jié)Neb至1 L/min，測試不同條件下1 mg/L標準溶液，結果見圖1。隨著Neb的增大，各元素標準溶液信號逐漸上升，在0.5 L/min 時最優(yōu)，然后下降。因此，測試6種元素的Neb值選擇0.5 L/min。

(1)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)要求。FMVSS 305標準增加了對絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的要求，每個直流高壓部件須有絕緣監(jiān)控系統(tǒng)對其進行監(jiān)控，并能在絕緣失效時發(fā)出警告，而GB/T 31498-2015對此項沒有要求。

(2)防觸電保護要求。FMVSS 305標準規(guī)定了兩項可選的防觸電保護要求，即絕緣電阻要求和電壓要求。而GB/T 31498-2015中，有關防觸電保護的要求有4項可選方案，分別為電壓要求、電能要求、物理防護和絕緣電阻。

(3)絕緣電阻測試目標。FMVSS 305中絕緣電阻的測試目標是整車的高壓電系統(tǒng)，而GB/T 31498-2015中絕緣電阻的測試目標是REESS。

(4)REESS位置保持要求。GB/T 31498-2015中明確指出“位于乘員艙內的電池系統(tǒng)部件應保持在其殼體內”，而FMVSS 305沒有明確規(guī)定乘員艙內的電池系統(tǒng)位置保持要求。

(5)REESS爆炸起火要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定了碰撞結束后30 min內，REESS不應爆炸、起火，而FMVSS 305標準并未對此項進行要求。

(6)絕緣電阻阻值要求。FMVSS 305中規(guī)定對不具有絕緣監(jiān)控的高壓電系統(tǒng)，試驗后高壓電系統(tǒng)與車輛電平臺之間的絕緣電阻阻值應大于等于500 Ω/V。對具有絕緣監(jiān)控的直流高壓電系統(tǒng)，其絕緣電阻應大于等于100 Ω/V。而GB/T 31498-2015規(guī)定動力系統(tǒng)由單獨的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線最小值為100 Ω/V，同時對于交流母線最小值為500 Ω/V。動力系統(tǒng)由連接的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻最小值為500 Ω/V，若所有交流高壓母線的保護等級達到IPXXB或交流電壓等于或小于30 V，則其最小值為100 Ω/V。

由上述分析可知，美標中對電動汽車在安全配置方面要求較高，要求所有高壓部件都需要具備絕緣電阻監(jiān)控功能。另外，在防觸電保護中，美標只規(guī)定了對低電壓和絕緣電阻兩項指標進行考核，而國標中除了上述兩項指標，還增加了對電能和物理防護的考核要求。由于防觸電保護中各項考核指標為“或”的關系，即一項滿足即可。因此，美標相對國標而言，不論是在電動汽車安全配置方面，還是在考核指標方面，其標準要求均嚴于國標。

2.2 歐標與國標

ECE與GB/T 31498-2015在碰撞后電安全方面的技術要求基本一致，只是在具體的考核指標上略有差異。分析如下：

(1)防觸電保護要求中的電能要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定的能量限值為0.2 J，而ECE中規(guī)定的能量限值為2.0 J。

(2)電解液泄漏要求。ECE中規(guī)定碰撞結束30 min內，不得有超過7%的電解液從動力電池包中溢出，對于開放型動力電池，則強調不得有超過7%且最大不超過5.0 L的電解液溢出；而GB/T 31498-2015中只要求了碰撞結束30 min內不得有超過5.0 L的電解液從電池包中溢出，并未對電池包的類型進行規(guī)定。

(3)REESS要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定了碰撞結束后30 min內，REESS不應爆炸、起火，而ECE中并未做此要求。

由上述分析可知，在考核指標的定值和定性方面，國標要嚴于歐標。

3 實例分析

為了對標準有更好的理解，本文作者以GB/T 31498-2015為依據(jù)，對3款試驗車型進行測試。試驗車型和試驗工況的基本信息如表2所示。

表2 基本信息

由表2可知選擇的3款車型均為運動越野型轎車。另外，從試驗工況上，選擇了目前較為嚴格的100%全寬正面剛性壁障的碰撞試驗。下面按照標準中的各項要求，對3款測試車型試驗后的結果進行對比和分析。

3.1 電壓要求

按標準要求，試驗車輛在碰撞結束后的5～60 s之間，其電力系統(tǒng)負載端高壓母線上的電壓Vb、V1和V2應不大于30 V交流或60 V直流。對于電動汽車，由于它帶有高壓電池包，因此碰撞后容易發(fā)生起火、爆炸等安全隱患。通常試驗后需要對試驗車輛觀察2～3 min。如果采用人工測量的方式，則測量時間不能滿足該項要求所規(guī)定的5～60 s。為此，實驗室開發(fā)了一套高壓測量儀，設備如圖1(a)所示。利用該設備，對3款車型測得的試驗后電壓曲線分別如圖1(b)(c)(d)所示。

圖1 高壓測量儀和電壓曲線

電壓曲線中，橫坐標為時間，原點為碰撞零時刻，縱坐標為電壓值。可知3款測試車型在碰撞后，其負載端高壓母線上的Vb、V1和V2均呈現(xiàn)下降趨勢，只是下降的速度不同。分別取碰撞后5、15、30和60 s的電壓值，結果如表3所示。

表3 電壓測試結果

由表3可知：在碰撞后60 s時，車型二的Vb和V1仍然高于安全電壓60 V。因此，在電壓要求這一項中，僅有車型一和車型三滿足要求。另外，通過對比各個時刻的電壓，可以發(fā)現(xiàn)車型三的掉電速率要遠遠快于車型一。

3.2 電能要求

碰撞試驗后，通過測量車輛負載端放電電阻的電壓和電流，然后利用積分計算的方法得到負載端殘余電能，該計算值要求小于0.2 J。同樣利用高壓測量儀，測試結果如表4所示。

表4 電能測試結果

由表3可知：3款車型中僅有車型三滿足要求，而且測試結果為0；另外兩款車型的測試結果遠遠高于要求的0.2 J。分析原因，這與車型三負載端的放電速度有關。當車型三的放電電阻接入負載端時，由于其電壓已經低于安全電壓60 V，因此，負載端的殘余電能為0。由此可知，負載端的掉電速度越快，其殘余電能也就越小。

3.3 物理防護要求

物理防護分為直接接觸測試和間接接觸測試。直接接觸測試要求車輛在發(fā)生碰撞后，車內外的人員在不使用工具的情況下，不能與高壓帶電部件發(fā)生接觸。間接接觸測試要求任何導體與電平臺之間的電阻應小于0.1 Ω。物理防護的測試結果如表5所示。

表5 物理防護測試結果

由表5可知：車型一的物理防護未能滿足要求。試驗過程中，由于車型一前機艙變形，導致電機控制器高壓母線的輸入接頭與殼體斷開，并裸露出內部的高壓帶電部件。因此，直接接觸測試未能通過。

3.4 絕緣電阻要求

由于3款測試車型均具備自動斷電功能，且試驗后該功能都正常作用，因此整車試驗后的絕緣電阻均需要采用外部激勵源的方法來測量。測試結果如表6所示。

表6 絕緣電阻測試結果

注：高壓正對電平臺是指高壓母線正極與電平臺(車架)之間的絕緣電阻；高壓負對電平臺是指高壓母線負極與電平臺(車架)之間的絕緣電阻。

由表6可知：試驗后車型一的絕緣電阻發(fā)生失效，車型二和車型三的絕緣電阻滿足標準要求。分析原因：車型一的絕緣電阻會失效，與其負載端電機控制器高壓母線的輸入接頭與殼體斷開有關。

3.5 電解液泄漏及電池包位移要求

試驗后，通過對3款車型高壓電池包的仔細觀察，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)電解液泄漏和電池包移位等情況。隨著電池包技術的提升，目前絕大多數(shù)的高壓電池包均采用了鋰離子電池，另外電池包通常都布置于車輛的中后部。因此，在碰撞過程中難以對高壓電池包產生直接的物理傷害。

3.6 測試結果

將3款車型的各項測試結果進行列表，結果如表7所示。

表7 測試結果

由表7可知：車型一的4項防觸電保護中，僅有電壓一項滿足要求，其他3項均不滿足；車型二中，電壓和電能未能滿足要求，物理防護和絕緣電阻滿足要求；車型三中，4項考核內容全部滿足。對于電解液泄漏和高壓電池包位移的考核，3款車型同樣全部滿足。由此可知，就電安全性能而言，3款車型均滿足國家標準的要求。

4 結論

通過本文作者的研究，明確了歐標、美標以及國標中有關電動汽車碰撞后，其電安全性能的考核內容。另外，通過對3款車型的測試以及對測試結果的對比分析，本文作者給出有關電動汽車電安全設計的4個建議：

(1)增加自動斷電功能可以大大提高車輛的安全性能，降低由于其他防護失效而發(fā)生次生傷害的概率；

(2)設計合理的放電電阻，可以有效、快速地降低斷電后負載端高壓母線上的電壓；

(3)試驗后負載端殘余電能的大小與高壓母線上電壓下電的速度有關，下電速度越快，其殘余電能越小；

(4)高壓部件和高壓線束的合理布局，可以有效避免由于碰撞所導致的高壓部件和線束的擠壓，從而降低由于擠壓所導致的負載端物理防護和絕緣電阻的失效。