電動汽車的充電安全及維修安全

2021-03-11 02:48:16江蘇郭棟

汽車維修與保養 2021年11期

關鍵詞：交流

◆文/江蘇郭棟

本文中的充電是指通過電網，給汽車上的儲能裝置補充電能。充電方式分為交流充電和直流充電，俗稱慢充和快充。電網供給我們的電能都是交流電，但是汽車上的電池電源是直流電，要想電池能夠接收電能必須把交流電轉換為成直流電，要么由地面上的設備（充電樁）轉換，要么由車上的設備（車載充電機）轉換。因為車上的空間有限，對充電裝置產生熱量的散熱能力也有限，所以車載充電裝置功率都不大，也就是充電的電流有限，所以充電的速度就慢，一般要一晚上時間才能把車上的電池充滿，所以叫慢充。地面的充電裝置由于沒有這種限制，功率就可以做得比較大，充電的速度就快。可以在十幾分鐘把特斯拉車上80kWh的電池充滿。

一、交流充電

1.交流充電的系統構成

圖1 充電系統的構成

充電系統是由市電接口、充電樁、充電電纜、車上的電池構成的，如圖1所示。

2.交流充電的安全措施

交流充電設施采用了以下幾個安全措施：

（1）充電樁的功率與電池需要的功能相匹配，保障在充電過程中供電電路不過載，以免引起著火。

（2）充電電纜和充電槍、充電座與需要的功率相匹配，保障電纜和接口不過載，以免引起著火。

（3）充電樁設置了接地、漏電保護、防雷裝置，以免操作人員發生觸電。

（4）充電電纜和充電槍、充電座采用了雙重絕緣，以免操作人員發生觸電。

（5）充電槍的機械鎖、電子鎖裝置可以避免帶電插拔時引起電弧燒傷。

（6）充電導引電路保障了一旦充電電纜意外斷開，立即停止供電。

充電樁中充電槍與充電座的接口電路如圖2所示，端子的長短不一，在插槍和拔槍操作中，保證了插入時低壓和接地端子先完全接觸，才上高壓，斷開時先下高壓再斷開端子接觸。這樣就可以實現不帶電插拔。

充電導引信號（圖3）用于檢測充電電纜容量的大小，檢測車輛接口與充電設備的接觸狀態，檢測各連接單元之間的信息交換是否完成，檢測各單元的準備是否完成，檢測充電過程中的工作狀態。

圖2 充電樁中充電槍與充電座的接口電路

圖3 充電導引信號

電動汽車車載端有這4個元器件：電阻R2、電阻R3、開關S2、二極管D1，它們可以安裝在電池管理系統（BMS）內，也可以安裝在車載充電機（OBC）內，圖3中，假設它們都在BMS內部。

①CC是一個對地電阻信號，用于檢查充電電纜是否已經連接完畢，以及獲得電纜的容量參數。

②CP是一個PWM信號和電壓信號，用于檢查供電設備和車載充電設備準備狀態完成情況的容量。

③S1開關處于充電樁內，受控于充電樁，且與12V和PWM兩個電路切換，選擇導通。

④S3開關位于充電槍內，與充電槍上的機械鎖聯動，用于切斷與聯接R4電阻車輛確認插頭的連接狀態。默認是導通狀態，也就是按下充電槍時，S3是導通的，當按下充電槍機械按鍵、準備插槍時，S3是斷開的，電阻R4與RC成串聯狀態。插入后，松開按鍵，S3又變回導通狀態，將R4短路，CC電路中RC電阻代表充電槍插到位了。

⑤S2開關（一般稱為充電繼電器）位于電動汽車內部控制器上，用于接通或斷開準備就緒、可接受充電了。當車輛滿足充電條件時，BMS將S2閉合。

⑥控制導引電路中的R1、R2、R3、R4、RC的阻值是國家標準規定好的，不能任意選取。這些電阻的阻值如果與國內標準不同，使用這些電阻的車輛或充電樁均不能在國內使用。

⑦二極管D1也在車端充電控制導引電路內，起到防反功能。

⑧電壓檢測點有1、2、3，其中檢測點1是由充電樁監控，其余2、3由BMS監控。

圖3中沒有把充電槍的電子鎖部分畫出來，充電槍上面有機械鎖和電子鎖，在插槍后，首先機械鎖先鎖住充電槍（就是充電槍上的卡扣，注意此時仍可以手動拔出的），再用電子鎖進行鎖止（再用手拔就不能拔出了），機械鎖在充電槍內，電子鎖在充電座內，這個電子鎖的控制信號不在充電接口的7個PIN針內，可以由整車控制器（VCU）或BMS等控制。

3.交流充電的模式

交流充電根據充電電纜的形態又分為三種模式。圖4所示為充電模式1，圖5所示為充電模式2，圖6所示為充電模式3。

圖4 充電模式1

圖5 充電模式2

圖6 充電模式3

二、直流充電的安全措施

前面介紹完了交流充電，下面我們介紹直流充電接口。相比交流充電，直流充電更純粹些，沒有那么多分類，就只有一種充電模式、一種連接方式。直流充電系統的構成如圖7所示。

圖7 直流充電系統的構成

不同的快充樁安全措施的思路基本相同，只是實現方式不同。與交流充電樁相比，直流充電樁與車載電池管理系統有了CAN總線通信，充電樁輸出功率與電池包的匹配不用靠模擬電路，靠通訊報文的問答就可實現，另外在電路中多了個充電槍高壓端子的溫度監控。

車輛直流充電接口定義如圖8所示（插座端），它一共有9個針腳（圖9），其中CC1和CC2都是充電連接確認引腳；A+和A-為低壓12V輔助電源接口，這個12V電源不是用來給車載設備供電，它是作為喚醒車載12V的電源工作。從圖10中可以看到槍與座的端子長短不一，在插入時CC2與PE最先連接，接著是高壓直流供電正負由e+、e-連接，然后是低壓輔助電源正負極A+、A-連接，最后是CAN通信CANH、CANL和CC1的連接。

圖8 直流充電口端子定義

接下來看一下直流充電樁、車輛接口和電動汽車控制系統之間連接后的電路原理，如圖10所示，其中在直流充電槍插上后，CC1信號沒有連接到車輛內部，整個控制導引電路共有五個電阻R1、R2、R3、R4、R5，一個開關S，兩個檢測點1、2。

圖9 充電接口電路，注意端子有長短區別

①R1：布置在充電樁內部，標稱阻值1kΩ。

②R2、R3：布置在充電槍內部，標稱值都是1kΩ。

③R4：布置在車輛插座處，標稱阻值1kΩ。

④R5：布置在車輛控制器內部，通常是BMS上，標稱阻值1kΩ。

⑤開關S：布置在充電槍內部，與機械鎖聯動，默認是閉合狀態。

⑥U1、U2：為12V上拉電源。

⑦檢測點1是在充電樁內部，由充電樁控制器進行檢測充電槍的狀態，它可以檢查12V、6V、4V3種電平狀態，4V代表充電槍與車輛完成連接。

⑧檢測點2是由BMS進行檢測槍與車的連接狀態，它有12V、6V兩種狀態，6V代表車輛與充電槍完成連接。

圖10 直流充電導引電路

與交流充電一樣，直流充電要經歷連接確認的過程。它比交流充電多了一個充電樁自檢的部分，期間會進行絕緣檢測。具體過程是，當充電樁確認充電槍完成連接后（檢測點1為4V），就會閉合繼電器K1和K2，進行絕緣檢測，檢測合格后，對母線殘留電壓進行釋放，最后重新打開繼電器K1和K2。等車輛端完成連接確認后（檢測點2為6V），二者之間通過CAN通信。然后車上的充電正繼電器K5和負繼電器K6閉合，充電樁對電池電壓進行檢測，檢測合格后，閉合K1和K2，開始進行充電。

同樣地，除了機械鎖外，直流充電槍也存在電子鎖，如圖11所示。不過這個電子鎖是布置在充電槍上面的，而不像交流充電那樣，布置在車輛的充電插座中，它由充電樁進行控制與檢測，而不是車輛控制器來控制。

圖11 充電槍電子鎖

三、觸電事故傷害機理

電能是我們人類社會使用的最廣泛的能源之一，汽車行業接觸電的機會也越來越多。但是電的不正確使用給人類帶來危險，主要是人體觸電和火災。

1.電流對人體的作用

人體是可以承受輕微電流流過的，比如我們在做中醫理療里，人體可以承受1mA的弱電流流過，但是人體不能承受較大的電流流過。試驗證明，超過5mA的電流流過我們的身體，就會對我們的健康造成損害。電流對人體的傷害程度與流經身體的電流大小、作用時間有關。電流越大、作用時間越長，傷害越重。圖12給出了電流大小、作用時間與人體反應之間的關系。

相關試驗結果說明：

經過人體的電流若是超過了約5mA，我們就稱為“觸電”。人會感覺發麻，但人還能從帶電導體上松開手。

經過人體的電流若是超過了約10mA，這就是所謂的“松手極限”了，身體會收縮。這時人就無法脫離電源了，于是電流的作用時間明顯加長了。

30～50mA的交流電流作用較長時間的話，就會使人體出現呼吸停止以及心室纖維性顫動。

如果流過身體的電流達到約80mA，那這就是所謂的“死亡極限值”了。

在德國，每年有200人因電事故而死亡。

檢修汽車高壓系統時，在下述情況下就存在危險了：工作部件之間的電壓超過25V（交流）或者60V（直流）；工作點的短路電流超過3mA（交流）或12mA（直流）；電能超過350mJ。

從圖12中，我們可以看出，電流會在極短的時間內對人體產生傷害，這個時間只有十幾毫秒，這個時間遠遠超出了人類大腦反應的最快時間。也就是說，一旦發生觸電，靠人類本能的條件反射，去擺脫與電源的接觸是不可能的，避免觸電的唯一辦法就是不讓電流流過我們的身體，或者流過我們身體的電流不超過人體的感知電流。

圖12 流過人體的電流大小、流通時間與傷害的關系

通過人體的電流所引發的后果嚴重性取決于以下幾點：

①接觸電壓的強度；

②流經電流的強度；

③流經電流的持續時間；

④電流的路徑（最糟的情況是通過心臟）；

⑤電流的頻率（直流電或交流電）。

2.流經人體電流的計算

人體是一個導體，人體電阻在某種狀態下是固定的，由歐姆定律我們知道，一個電路的電流等于電壓除以電阻，流經人體的電流大小就取決于外界施加在人體的電壓大小。接觸電壓和體內的觸電阻是決定人體內電流的關鍵因素。如果電壓小到導致的電流小于5mA，我們就稱之為安全電壓。

因為人們的身體狀況的各不相同，人體的電阻也不同。圖13中標出的電阻值為人體的平均電阻。人的血液里含有電解質，所以人體的電導率很高。特別是主血管經過的部位（胸部及軀干），所以這些地方的電阻很小。在電流流經心臟的時候對生命的威脅最大。這就是為什么，電工作業原則中規定不能雙手作業，雙手直接接觸有壓差的電源，電流會直接流過心臟。

圖13 人體電阻

3.安全電壓的計算

如果電壓小到產生的電流小于5mA，我們就稱之為安全電壓。根據計算，交流電超過25V以及直流電超過60V，就是危險的了。在德國，最大接觸電壓，交流電不得超過50V，直流電不得超過120V（根據VDE）。

那么我們要如何評估某一款電動汽車采用的電壓是否安全呢？我們要這樣計算，該款電動汽車的系統電壓為266 VDC，人體的電阻為1080 Ω，流過人體的電流I=U/R=266V/1080Ω=0.25A，對于交流電來講，這么大的電流作用于心臟的時間大約10～15ms時就是致命的（心室纖顫）。

當通過人體的電流達到25VAC以及60VDC以上，就已經有生命危險了。

如果維修人員在該電動汽車維修時觸電，可能導致電擊、呼吸及心跳中斷、燒傷及永久身體損傷以至于死亡。

新能源汽車的驅動電機由三相交流電壓驅動。通過改變電壓的大小和頻率來調節交流電機的轉矩和轉速。因為使用低頻來驅動電機（電機控制器的輸出電壓頻率在200Hz左右），所以在交流電機上UVW輸入端觸電的危險性更大。

直流電事故主要是引發人體內的化學效應；交流電事故中造成心律障礙的危險特別高。

避免觸電的措施，最先是采用安全電壓，如果像新能源汽車那樣不能采用安全電壓，那就得采用隔離措施，比如：導線絕緣，PCB板絕緣，接插件絕緣，作業人員的個人絕緣防護用品（手套、鞋、絕緣毯）都是隔離性的措施，對交流用電設備還要有接地措施。防止直接觸電（直接觸摸帶電導體），還有安裝漏電保護措施是防止間接觸電（非直接接觸帶電導體，在漏電的情況下，電流是從在正常狀態的下不帶電的物體傳到過來的、傳到我們的身體上）。