新能源汽車碰撞后電安全現狀與分析

王青貴 謝軍 朱鑫

中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津市 300000

1 新能源汽車發展狀況

中國汽車市場正在以舉世矚目的速度發展，其中電動汽車更是迅猛發展，銷量高速增長。近年來，我國電動汽車已經占到世界市場份額的50%以上。與此同時，電動汽車高速發展所帶來的一系列問題也日益凸顯。電動汽車搭載有一整套高壓驅動系統。受限于整車結構布置，電動汽車碰撞安全的防護性能也差異較大。電動汽車在碰撞過程中存在碰撞后高壓系統受損，導致高壓電裸露、高壓泄露、短路、電池起火等次生風險，乘客和救援人員等在電動汽車碰撞過程中，也將面臨新的風險和挑戰，電動汽車的碰撞安全性不容忽視。根據調查電動汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞。其中碰撞成為電動汽車起火事故的關鍵誘因，電動汽車碰撞安全也愈發引人關注。

2 新能源汽車碰撞安全要求及設計

2.1 政策碰撞法規要求

為了讓新能源汽車得到更好的健康發展，國家制定了嚴格的新能源汽車碰撞標準法規，涉及了碰撞后乘員防觸電保護等方面，保證電動汽車的高壓電安全。目前國內關于電動汽車碰撞后電安全要求執行的法規是2015年5月15日發布的GB/T31498-2015《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，按照GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》和GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》的標準進行碰撞試驗，整車的動力用高壓系統以及動力用高壓系統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、物理防護要求、絕緣電阻要求）、電解液泄漏要求和REESS要求。新發布的GB/T31498-2021將在2022年3月1日正式實施，適用范圍增加了GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》，此次改版完善了電動汽車碰撞安全的考察方式。

此外CNCAP2018版也將電安全納入了考核。對現有的正面碰撞、側面碰撞、偏置碰撞試驗后電安全進行檢測。考核項目中分為基本條款、選項條款、電解液泄漏、REESS安全評價。其中基本條款也稱作必測條款即測量REESS端絕緣電阻，而選項條款有四項，分別是電壓、電能、物理防護、絕緣電阻，四項中有一項通過即可。如果考核結果合格，除評定星級結果之外，還將采用電氣安全標識進行標示；如果不合格，僅公布所有項目試驗結果，不做星級評價。在即將實施的CNCAP2021版中對新能源汽車碰撞形式的考察分為正碰、MPDB、側面柱碰。新版本內容中對電安全考核進行了改進，其中基本條款不再強制要求，而是根據繼電器的位置來決定是否考核。在選項條款中：電壓考核增加了電壓下降趨勢的考察；電能考核中修改了其中一種計算公式；在絕緣電阻考察中量表法操作改為雙表筆法測試，同時考慮了測試設備內阻的影響并修改了計算公式。選項條款中依舊是四項有一項通過即可。

2.2 零部件級電池包碰撞試驗要求

動力電池是電動汽車的能量之源，也是造成電動車起火的主要來源。隨著用戶對電動車續航里程需求的增長，高功率、大能量密度的電池組使用越來越廣泛，這使得動力電池的風險越來越高。電池包在實車行駛中受到的損傷可以簡化為單體動力電池零部件受到的損傷。電池包檢測標準GB/T31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》中對電池單體和電池模塊規定了一系列跌落、擠壓、針刺、浸泡試驗，要求按標準進行試驗時，單體或模塊不爆炸、不起火。在電池系統方面，GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與測試方法》對動力電池包和系統規定了包括振動、機械沖擊、跌落、擠壓在內的安全性試驗。在未來，部分推薦性標準即將轉成強制性標準，如基于GB/T 31485以及GB/T 31467.3將轉成GB《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》。

2.3 新能源汽車電安全設計

電動汽車日常使用過程中，安全設計方式有：高壓系統絕緣、高壓系統絕緣在線監測、系統絕緣故障報警以及高壓設備防護觸電保護。新能源汽車高壓系統主要包括電池系統、動力總成、高壓電控系統、充電系統、高壓設備，及其線束系統。這些部件由絕緣材料組成或經過絕緣處理。而高壓電池系統的電汽安全直接關系到人員生命安全。絕緣失效會造成高壓對人體的直接傷害。通常絕緣在線監測有兩種檢測方式。一是信號注入法，另一種是電阻測量法。信號注入法就是輸入一定頻率的直流信號，測量反饋的直流信號從而計算出絕緣電阻。通常這種注入信號的方式會影響到系統的正常工作。電阻測量法是通過在正對地和負對地之間并入電阻來計算出絕緣性能[3]。對于系統故障報警由電池管理系統BMS來承擔檢測功能，當檢測到的絕緣電阻值低于該值時，BMS將對應的絕緣故障代碼上報給上位機，整車上則由組合儀表來進行代碼顯示和故障燈報警，以提醒乘員進行故障排查。

最后防觸電保護考慮的是線束及設備過載等情況。是新能源汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警示用戶和維修人員，高壓線束應采用橙色線纜并用橙色波紋管對其進行防護。同時高壓連接器也應標識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應達到IP67防護等級。另外當汽車高壓附件設備發生過載或線路短路時，相關高壓回路應能自動切斷供電，以確保高壓附件設備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。

3 新能源汽車碰撞后電安全狀況分析

3.1 部分新能源車輛碰撞后未下電

從圖1可知車輛在碰撞測試過程中電壓沒有下電，存在人員觸電風險。在法規中規定此時可以用防觸電保護中另外三個條款中的任意一個進行判斷。雖然電安全結果最終能夠通過，但是整車高壓作為人員觸電防護的危險源，應將其嚴格要求。建議將電壓調整為必過條款，只有這樣才能徹底保護到乘員安全。

圖1 新能源汽車碰撞后未下電

3.2 碰撞后電壓下電緩慢

通過分析新能源汽車碰撞后電安全數據發現，目前絕大部分車輛都具備整車斷電功能。但是在執行斷電功能時，電壓隨時間的變化情況不同。大部分車輛在執行下電時電壓瞬間掉到0伏，而有的車輛在下電時一種情況是放電策略設計不合理（如圖2）。負載端有大電容，放電后下降緩慢，即使在碰撞60秒后整車電壓一直處于高于人體電壓值。

圖2 新能源汽車碰撞后電壓下降緩慢

另一種情況是在下電過程中，由于整車有絕緣自檢，電壓會存在周期性的變化，導致電壓居高不下。圖3中可以看出，車輛碰撞后V1和V2沒有下電。因此上述兩種情況需要車輛做出相關優化調整。CNCAP2021版電安全考察中針對此種情形，也增加了電壓趨勢的考察。

圖3 新能源汽車碰撞后絕緣自檢

3.3 自動斷電功能驗證方式不一

在CNCAP18版試驗中廠家可以選擇自動斷電功能的驗證。具體驗證方式可以同廠商進行協商。目前各個廠商對自身產品驗證的方式不一。大部分廠商通過測量負載端電壓赫爾電池包端電壓來判斷有無實現試驗自動斷電功能。還有一部分廠家通過讀取試驗后BMS發送報文內容來進行判斷。因此需要建立規范性和統一性的判定方式。目前實驗室已經建立了一套自動斷電評價體系并且已經開發出相關工具，結合報文信息和整車試驗后電壓斷電情況進行判定。

3.4 非常規電池包整車級碰撞試驗方法缺失

對于電動汽車而言，其電池包為高危儲能部件，嚴重的碰撞和沖擊載荷可能會對電池包安裝強度或者是內部結構造成傷害，從而給車輛帶來嚴重的安全隱患，甚至會造成車輛直接起火等危險情況的發生。目前，對于高壓電池包的碰撞測試和沖擊載荷測試，國內外的相關標準主要集中在部件級測試方面，也就是單獨對高壓電池包進行相關的測試。如針刺、擠壓、臺架沖擊等。對于高壓電池包的整車級測試，目前極少。隨著電動汽車銷量的持續增加，電動汽車面臨底部磕碰危險工況的概率也會持續增加。但是在相關標準和測試方法方面，卻沒有針對上述的考核要求。底部電池包物理變形方面的考核，由于車輛的車身結構對電池包有一定的防護，以及電池包內部也預留有一定的防擠壓空間。因此，常規試驗類型都難以直接對高壓電池包產生物理性地破壞。但是在實際的道路交通環境中，對于將電池包布置于底部的電動汽車而言。在遇到一些較差的道路時，常常會發生電池包托底的情況。嚴重的電池包托底會對電池包產生直接的物理性破壞，而且極易引發電池包的內部短路，更為嚴重的可能會造成車輛的起火等危險情況。另外，對于電池包在加速度沖擊的考核方面，傳統的碰撞測試都是對電池包在水平方向上進行沖擊載荷的測試，缺少垂直方向上的沖擊載荷測試，也就無法全面的測試出電動汽車的整體安全性能。

4 結語

新能源汽車在設計使用過程中已具備成熟完善的高壓防護策略。在碰撞后電安全方面也有相關法規考核，提高了電動汽車碰撞后安全系數。但在零部件整車碰撞方面目前還未有相關法規和試驗方法，需要在方面進行相關工作的完善。同時部分車輛在碰撞后電安方面仍存在不足之處，需要對相關考核指標進行改進。相信在不久之后，新能源汽車電安全會有質的提升。