考慮安全規范的電動汽車安全問題綜述

李楠

（上海工商外國語職業學院，上海 201399）

引言

與傳統內燃機（internal combustion engine， ICE）汽車相比，電動汽車具有污染低、噪聲小，能源利用率高等優勢[1-3]，已經被國家納入“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃。電動汽車研發及大規模商業化推廣應用已經在國內如火如荼的展開。同時，世界范圍內電動汽車的發展也呈現出加速趨勢，由國際能源署（International Energy Agency， IEA）發布的“EV30＠30模型”顯示，2030年全球電動汽車保有量預計達到2.4億輛。雖然電動汽車被視為未來交通工具的主流，但是其自身固有的、區別于ICE汽車的安全問題也備受關注與爭議[4，5]。

當前的電動汽車主要分為兩類：混合動力電動汽車和純電動汽車。對混合動力電動汽車而言，電驅動系統作為輔助動力源被融合進了傳統的內燃機系統中，該類汽車通常具有能源效率高和回饋制動的優點[6]；而純電動汽車已經完全擯棄了內燃機驅動系統，結構更加簡單，在行駛過程中實現零污染物排放[7]。然而，無論是混動汽車還是純電動汽車，都必須采用動力電池存儲大量能量，以實現汽車更長距離的行駛，同時，為實現電能與機械能的轉換，高壓（300～600 V）和大功率（幾十到幾百千瓦）驅動電機以及電力電子器件也是必不可少的。然而，正是由于電驅動系統的使用，導致電動汽車的安全性問題與傳統汽車產生了本質差異。目前，由于大量電池著火和乘客觸電的相關報道，電池安全和觸電保護是電動汽車用戶最為關注的電氣安全問題[8]。然而，領域內專家和工程師對電動汽車安全問題具有更全面、更深刻的認識，并形成了嚴格的技術規范，用來指導電動汽車的加工、生產與測試，提高電動汽車的安全性，但這些規范并不為普通大眾所熟知。

電動汽車安全規范具有區域性，除了國際統一標準外，各個國家或地區也形成了各自的安全規范。其中，國際標準包括ISO 6469-1，ISO 6469-2，ISO 6469-3，ISO 6469-4，ISO 6722-1，ISO 26262，IEC 61851-1，IEC 61851-21，IEC 62660-1，IEC 62660-2，IEC 62660-3，UN Regulation No.94，UN Regulation No.95和UN Regulation No.100等；區域標準包括美國FMVSS 305，歐洲ECERegulationNo.100，韓國KMVSS Art.2和Art.18系列以及中國GB/T 18384系列、 GB/T 19751，GB/T 24549，GB/T31498和QC/T 895等。其中，UN Regulation是最早出現的電動汽車安全規范之一，很多區域性安全規范及標準（如GB/T 18384系列和GB/T31498等）都是參考該類文件形成的。在這些安全規范中，電動汽車電氣安全問題主要被分為兩類：正常使用時安全問題和碰撞后安全問題。

針對電動汽車安全問題，本文首先對電動汽車驅動系統的組成部件進行了概述，對系統高壓、大功率特性進行了分析，指出電動汽車安全問題的根源；其次，根據聯合國電動汽車基礎安全規范（UN Regulations），對電動汽車安全問題進行了詳細介紹，提高了普通用戶對電動汽車安全問題的認識，并且為科研工作者提供了電動汽車安全技術提高的研究方向。

1 高壓大功率驅動器件概述

電動汽車電驅動系統部件主要包含五部分[9]：① 動力電池組；②DC-AC逆變器；③母線電容；④驅動電機；⑤DC-DC變換器。其中，在基于交流電機的驅動系統中，前四種部件是必不可少的，但當電池組能提供電機驅動所需要的高電壓時，DC-DC變換器可以省去。

1.1 動力電池

電池組是儲能裝置，為整個驅動系統提供能量。因此，動力電池需要具備以下特點：充/放電電流大，端電壓高，循環壽命長，功率密度大，耐高/低溫，單體電池一致性好和荷電保持能力高等[10]。與傳統化石燃料相比，存儲在電池中的能量不再是化學能，而是電能。但電荷會通過金屬車體傳導，引發觸電事故，特別是在高電壓系統中；此外，若電池受到擠壓、穿刺和大功率工作（短路）發熱等因素影響，極易發生燃燒或爆炸，且能量密度越大，危險性越高。這些導致了電動汽車安全性與傳統汽車有著本質不同。為更加清晰地介紹動力電池的特點，本文將詳細介紹目前已經大規模商業化應用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池。

1.1.1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池自1859年由Plante發明以來，有150多年的使用歷史，技術十分成熟。現在電動汽車上應用的鉛酸蓄電池一般是正極采用二氧化鉛，負極采用海綿狀的鉛，電解液為稀硫酸溶液[11]。鉛酸電池價格低，安全性能好，應用范圍非常廣，但其功率密度和能量密度比鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池低，這對鉛酸蓄電池的霸主地位產生了一定威脅，隨著新型電池成本不斷降低，將對鉛酸蓄電池產生強烈的替代效應。預計汽車起動領域短期不會被替代，備用及儲能電池僅在中小容量市場存在替代可能。目前，動力電池領域，鉛酸電池占據90 %市場，但鋰電池替代威脅相對較大，其替代進程取決于鋰離子電池成本的下降速度。

雖然很多專家學者和相關企業把更多的目光從鉛酸電池轉移到鋰離子電池，但從安全角度講，它仍然具有十分旺盛的生命力，例如，國內的混動城市客車五洲龍汽車、安凱汽車和廈門金旅仍采用鉛酸電池[12]。

1.1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是20 世紀90 年代在鎳鎘電池的基礎上發展起來的一種新型綠色電池，其負極采用由儲氫材料作為活性物質的氫化物電極，正極采用氫氧化鎳，電解質為氫氧化鉀水溶液[13]。與鎳鎘電池相比，鎳氫電池記憶效應不明顯、無污染（不含有毒的鎘）；與鉛酸電池相比，氫鎳電池的比能量和比功率均成倍提高；另外，鎳氫電池回收利用效率比鋰離子電池好，被稱為最環保的電池。商業化的電動汽車有很多采用氫鎳電池技術（超過800萬輛），例如豐田Prius、福特Escape、雪佛蘭Chevrolet Malibu和本田Honda EV plus等。

從安全角度來講，鎳氫電池比熱容、電解液蒸發熱相對較高，而能量密度相對較低，即使發生短路、刺穿等極端異常情況，電池溫升較小，一般不會燃燒。因此，鎳氫電池將是新能源汽車電池的一個主要選擇，尤其是在混合新能源汽車上會有著廣泛的應用。

1.1.3 鋰電池

鋰離子電池是20 世紀90 年代發展起來的高容量可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作[14]。鋰離子電池使用一個嵌入的鋰化合物作為一個電極材料，目前常用作鋰離子電池的正極材料主要有鋰鈷氧化物（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鋰鐵（LiFePO4）。與鉛酸電池和鎳氫電池相比，鋰離子電池具有以下幾點優勢：單體電池電壓高且一致性好，循環壽命長可達鉛酸電池的2～3倍，能量密度與功率密度大，同容量電池體積重量小，荷電保持能力高，自放電率每月不到5 %，無記憶效應、環境友好等優點，被認為是最具發展潛力的電動車用動力電池。

然而，鋰離子電池的電極材料以及電解質均有易燃性，受熱即可引起火災，并分解產生氣體，從而加劇了電池爆炸的可能性。而且現如今的高分子隔離膜強度都相對較低，在碰撞、穿刺或過熱情況下極易損壞這層薄膜，導致電池短路。因此，鋰電池安全性是目前電動汽車領域的研究熱點，其中，鋰聚合物電池是一種新型鋰電池技術[15]，由于使用了膠態電解質，它不會因為液體沸騰而產生大量氣體，從而杜絕了劇烈爆炸的可能。

圖1比較了幾種動力電池的綜合性能，相對來講，鉛酸電池和鎳氫電池安全性較高，鋰離子電池安全性較低，但實際應用中，都無法避免由高電壓、大功率工況引起的觸電及發熱現象，因此電池安全提升技術仍需要不斷提升。

圖1 動力電池性能對比

圖2 DC-AC逆變器拓撲結構

1.2 DC-AC逆變器

由于電池只提供直流電壓和電流，對于交流驅動電機而言，必須采用DC-AC逆變器實現直流到交流的轉換。典型三相逆變器的基礎結構如圖2所示，它由六個可控晶閘管（T1， T2…T6）和六個功率二極管（D1， D2…D6）組成。晶閘管的通斷由控制器產生的PWM信號控制，其中，常用的脈寬調制算法包括SPWM和SVPWM[16]。二極管除了具有續流作用外，當過流或過壓故障發生或處于再生制動工況時，晶閘管會被關閉，此時，六個二極管將組成不可控橋，驅動電機會工作于發電狀態，向電池充電。

逆變器通常也需要工作于高壓、大功率條件下，其參數需要根據驅動電機和動力電池的參數設計，，但工作過程中的高頻、高壓、高溫、脈沖和大電流都可能會損壞電力電子器件，降低電動汽車的可靠性與安全性。

1.3 母線電容

在電動汽車驅動系統中，電池組需要通過直流母線與DC-AC逆變器連接，但在工作過程中，電機控制器從電池組得到有效電壓/電流的同時，會在直流母線上產生很高的脈沖電壓，使得電機控制器難以承受，所以需要母線電容來連接逆變器和電池，用以吸收電壓脈沖。母線電容的作用包括：①平滑母線電壓，即使在晶閘管開關的時仍比較平滑；②降低電機控制器IGBT端到動力電池端線路的電感參數，削弱母線的尖峰電壓；③吸收電機控制器母線端的高脈沖電流。

目前，普遍使用的母線電容是薄膜電容，與最初的電解電容相比，薄膜電容具有以下六個主要優點：①更好的溫度和頻率特性；②無極性，可承受反向電壓；③工作電壓更高；④干式設計，沒有電解液泄露危險；⑤抗脈沖電壓/電流能力高；⑥壽命更長。但電解電容并沒有完全消失不用，在以MOS晶體管作為開關器件的低速車或者物流車的控制器中仍然可以見到多個電解電容并聯使用的情形。圖3（a）是豐田Prius第一代中采用的多個并聯的電解電容組，而Prius第二代已經開始使用薄膜電容（如圖3（b）所示）。

圖3 母線電容

與其它部件一樣，母線電容需要工作在高壓條件下。此外，電容具有能量存儲的功能，使得它與電池一樣，其存儲的電量可能通過金屬殼體傳導，引發觸電，這在汽車碰撞后尤為需要重視[17]。

1.4 驅動電機

表1 交流驅動電機優缺點及對應車型

驅動電機是電動汽車驅動系統的核心，它將電池存儲的電能轉化為機械能，推動汽車前進，在回饋制動過程中，電動機能工作于發電狀態，將機械能轉換為電能存儲于電池中。電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電機，20世紀90年代前開發的電動汽車通常采用采用了控制性能較好并且成本較低的直流有刷電機。隨著電力電子技術及電機控制技術的發展，交流電機包括永磁無刷電機（永磁同步電機PMSM和無刷直流電機）、感應電機和開關磁阻電機等顯示出了比直流電動機更加優越的性能及使用壽命，并已經逐漸淘汰了有刷直流電動機。表1對比了常用交流電機的優缺點，并列舉了對應的多種電動汽車型號，可以看出，永磁無刷直流電機，異步電機和開關磁阻電機都占據了廣泛的國際市場，但目前國內已經商業化大規模應用的電機主要是永磁同步電機[18]。

電機作為電動汽車核心驅動部件，其往往工作于高壓、大電流條件下，這對電機的絕緣等級、耐熱等級等提出了很高的要求。在實際應用中，驅動電機的安全性也決定了電動汽車使用的安全性，保證電機在各種工況（特別是故障狀態）下具有可靠運行和容錯能力是研究者追求的重要目標。此外，電機和電容一樣，具有一定的儲能作用，在故障或碰撞時，應當采取安全高效的措施釋放掉電機中存儲的能量，避免觸電事故發生[17]。

1.5 DC-DC變換器

在電動汽車驅動系統中，DC-DC變流電路根據功能不同，可以分為單向變換器、雙向變換器和三端口變換器。單向變換器基本結構如圖4（a）所示，它可將電池側電壓升至更高的水平，但其能量流動是單向的，只能由電池側流向控制器側，故無法用該結構實現單驅動電機的回饋制動功能。雙向變換器結構如圖4（b）所示，雙向變換器拓撲是在單向變換器的基礎上演化而來的，更多的晶閘管和功率二極管被融合到了新電路中，該結構不但能實現能量從電池側流向控制器側，還能實現能量的反向流動，使得當驅動電機工作為發電狀態時，便可實現回饋制動。三端口變換器是專門針對混合動力電動汽車提出的一種新型變流電路[19]，其結構如圖4（c）所示。該變換器可以實現內燃機、發電機和驅動電機之間能量的自由流動，實現電池充電（發電機→電池）、回饋制動（驅動電機→電池）、電機驅動（電池→驅動電機，發電機→驅動電機）和內燃機啟動（電池→發電機）的功能。

圖4 DC-DC變換器

DC-DC變換器與逆變器一樣，都是由電力電子器件構成的部件，需要工作在高壓、大功率條件下，電動汽車本身及其使用安全性都會受到影響。

2 電動汽車安全規范及問題概述

目前，很多人對電動汽車安全問題的認識還片面地停留在電池著火和觸電風險層面上，為提高大家對電動汽車安全問題的進一步認識，本節將根據UN Regulation No.94/95/100對電動汽車正常使用時和碰撞后的安全問題進行闡述。

2.1 正常使用時安全規范

關于正常使用條件下的電動汽車安全性主要在UN Regulation No.100（參考GB/T 18384）中進行了規范，其中關鍵的安全問題包括以下三個方面：仿觸電安全、電池安全和功能安全。

2.1.1 防觸電安全

關于防觸電保護，UN Regulation No.100中的要求適用于未連接到外部電源的高壓總線。主要包括三個方面：防止直接接觸，防止與裸露的導電部件間接接觸和隔離電阻。

車輛可以采用各種方式來防止直接接觸帶電部件，例如絕緣材料或物理屏障。聯合國規范要求電動汽車必須執行常規的電氣保護等級（IPXXB或IPXXD）測試，例如，對乘客或行李廂中的帶電部件，應達到至少IPXXD等級的保護，對于其他區域的外殼的防護等級必須至少為IPXXB。在測試中，檢修探頭或導線應以規定的測試力推入外殼的開口，并且不得接觸帶電部件。對于IPXXD，探頭是直徑1 mm，長100 mm的測試線，對于IPXXB，探頭是直徑12 mm，長80 mm的測試探棒。

防止間接接觸帶電部件與防止電氣故障密切相關。規范要求所有裸露的導電部件都要連接到車廂底盤，以防止產生觸電危險。此外，當電流達到0.2 A時，所有裸露的導電部件與底盤之間的電阻不應超過0.1 Ω。

最后，關于隔離電阻，UN Regulation No.100規定其規格取決于動力總成采用了何種直流母線形式（分開或組合的直流/交流母線），且需要根據總線的類型及其連接方式來選取隔離電阻的規格參數，規范還對電阻測試步驟做了明確說明。

2.1.2 電池安全

可充電儲能系統是電動汽車的關鍵部件，電池是最常見的類型，但也可以使用超級電容或機電飛輪作為儲能裝置。如果沒有精心設計，任何類型的可充電儲能系統都有潛在的危險，且危險不僅會出現在電池的非正常工作狀態下，還會在電池正常工作過程中發生。常見的電池問題包括：單體電池外殼破損導致電解液/材料泄漏，在短路或過壓狀態下電池高溫和電池著火等。

UN Regulation No.100規定電池設計應首先避免對用戶產生電擊傷害此外，在防止大電流和氣體積聚方面也必須采取相應的保護措施：對大電流的要求是可充電儲能系統“不得過熱”，但如果存在過熱風險，則必須配備保險絲，斷路器或主接觸器等保護裝置；為防止氣體積聚，在電池可能產生氫氣的地方必須按裝通風風扇或管道。

2.1.3 功能安全

功能安全性涉及系統的整體安全性，對于基于復雜軟件的系統尤為重要。電動汽車通常比高度集成的傳統汽車需要使用更多的分布式控制系統，規范不但考慮了復雜電氣和電子系統的安全性，還考慮了由于駕駛員（或其他人）不知道車輛處于活動模式而導致的意外車輛移動的可能性，下面將著重介紹電動汽車可能會帶來得潛在功能安全隱患。例如，如果車輛在停車場一段時間內靜止不動，駕駛員可能會“忘記”車輛能夠運動。他們可能會在這種情況下離開車輛，或者可能會無意中發動汽車。為了防止通過激活驅動電路而意外移動，必須有一個警告裝置，此外，在緊急情況下必須配備安全開關，在非正常移動時能夠及時阻止事故發生；就控制器而言，來自外部或控制器的電磁干擾不得影響控制器的功能，這就需要設計高效的電磁隔離裝置；就動力系統組件而言，它們應具有很高的可靠性和一定的故障處理能力（容錯能力）；因為很多系統功能必須借助控制算法來實現，所以電動汽車驅動系統的控制和管理方案（例如，電池管理和機器驅動策略等）應該完備可靠[20]。

UN Regulation No.100包含了涉及內部駕駛員、乘客和外部行人安全的基本要求，具體地，該規范要求：

1）當車輛處于主動駕駛模式時，會向駕駛員提示；

2）離開車輛時，如果車輛仍處于主動駕駛模式，則必須主動通知駕駛員；

3）在充電期間，只要外部電源的插頭連接到車輛充電口，必須關閉電動汽車的推進系統以防止車輛非正常移動；

4）針對系統故障，電動汽車應具有檢測和一定的容錯能力，保證故障發生后汽車能安全行駛至安全區域；

5）系統組件、結構設計和控制/管理方案安全可靠，需經過嚴格的安全測試。

2.2 碰撞時安全規范

在碰撞發生后，電動汽車的潛在風險將遠遠高于正常使用時的狀態。UN Regulation No.94/95（參考GB/T31498）對電動汽車碰撞安全做了詳細規范，其中關鍵的安全問題包括以下三個方面：電氣隔離，仿觸電安全、電池安全和余電泄放。

碰撞可能會危及電氣安全措施，并可能增加電擊危險。例如，驅動系統電氣隔離（絕緣）可能會被破壞，使電路的正負極都與車身發生接觸，如果有任何人員觸碰車身，他們將成為高壓電路的一部分，遭受電擊傷害。因此，電動汽車需要安裝在發生碰撞的情況下將儲能系統與高壓電路斷開的設備。該開關裝置要與安全氣囊碰撞檢測傳感器耦合，碰撞發生后，將儲能系統與高壓電路的其余部分斷開連接以減少碰撞期間和碰撞后的觸電危險。此外，釋放存儲在高壓電力電子設備（例如直流母線電容器和牽引電動機）中的能量對于防止電擊危險也是必要的。

UN Regulation No.94規定了汽車正面碰撞性能的最低要求，它規定在正面碰撞的測試時，汽車的撞擊速度為56 km/h；UN Regulation No.95規定了汽車側面碰撞性能的最低要求，其規定在側面碰撞測試時，碰撞物的速度為50 km / h。在撞擊期間和撞擊之后，為防止乘員觸電，關于電動汽車動力系統的電氣安全要求如下：

1）低電壓：碰撞后5～60 s內，電壓低于30 VAC或60 VDC；

2）低電能：碰撞后5～60 s內，能量低于0.2 J；

3）物理防護：滿足IPXXB級別保護，所有裸露的導電部件與底盤之間的電阻不超過0.1 Ω；

4）絕緣電阻：對于交流母線，絕緣電阻要大于500 Ω/V，直流絕緣電阻要大于500 Ω/V，交直流混合式母線絕緣電阻要大于100或500 Ω/V。

在沖擊試驗后，要求必須至少滿足這四個標準之一。但是如果不滿足IPXXB的條件，則隔離電阻標準不適用，此要求是為了防止雖然車輛達到隔離電阻標準，但仍存在觸電風險。在實際應用中，如果車輛配備有在發生碰撞時將能量存儲系統與高壓電路其余部分分開的自動裝置或者對動力傳動系統電路進行分隔的裝置，則需要滿足以上條件之一即可。

UN Regulation No.94和95還對碰撞過程中電池位移、變形以及電解液泄漏作了規定。根據電池的安裝位置不同，這些規范存在一定的差異：如果電池安裝在乘客艙內，其整體必須保持在原安裝位置，電池組件的變形不能超出其邊界范圍，且電解液在碰撞中不允許有溢出現象；對于安裝在乘客艙外的電池，其任何部分都不能進入乘客艙內，電解液溢出率限制為7%。需要說明的是，這些規范并不只是對碰撞瞬間有效，而是在碰撞后的30分鐘內，所有的要求都應得到滿足，這對電動汽車驅動系統的整體布局設計和安全防護等提出了很高的要求。

UN Regulation No.94和95旨在確保電動汽車的電氣安全措施能夠在碰撞中起作用（至少達到碰撞試驗等級），但其內容仍在不斷的完善中，目前，仍然存在一些殘留風險需要得到重視，這些風險總結如下[21]：

1）混合動力汽車燃油泄漏

正面和側面碰撞法規允許傳統燃油汽車在碰撞試驗后燃油（或替代品）從系統泄漏，但泄漏率限制為5·10-4kg / s（即30 g/min）。但是，對混合動力電動汽車而言，其高壓組件可能會產生電火花，并帶來火災危險。對混合動力車輛采用更嚴格的燃油泄漏要求可能會降低碰撞和接觸高壓組件后由車輛燃油泄漏帶來的風險。

2）可充電儲能系統的結構完整性

規范雖然對正面和側面碰撞測試期間可充電儲能系統的位移和變形做出了規定，但對其結構完整性沒有要求。充電式儲能系統的機械負載可能導致短路甚至破裂，并可能引起火花，火災和爆炸。

3）電解液泄漏極限

乘客艙外電池電解液溢出的規定極限值為7%，這對所有電池類型都適用。但是，目前尚不清楚該風險是否取決于電池化學物質和所用電解質的類型。因此，需要進一步的研究使得能夠針對不同的電池類型提出更合適的限制要求。

4）翻滾中電解液溢出

如果電動汽車在碰撞后發生翻滾，則泄漏的電解液量可能會增加。對翻滾后的電動汽車應采取與正面碰撞和側面碰撞不同的電解液泄漏限制條件，因此，在撞擊試驗之后需要進行滾動試驗以對電解液泄漏情況作出更加明確的規范。

3 結論

針對電動汽車安全問題，本文從電動安全問題根源和基于安全規范的電動汽車問題兩個方面進行了綜述。與燃油汽車不同，電動汽車采用了電驅動系統，由于電驅動系統及其部件往往工作在高壓、大功率條件下，其電氣安全成為人們關注的焦點，這也是電動汽車安全問題的主要來源。根據聯合國電動汽車安全規范UN Regulation No.94/95100，本文對電動汽車的兩類安全問題（正常使用時的安全問題和碰撞后的安全問題）進行了闡述，提高了普通大眾對電動汽車安全問題的專業認識程度，同時為電動汽車安全技術研究提供了參考。