新能源汽車安全設計方案及關鍵技術應用研究

任家俊

摘要： 隨著人們節能環保意識的日益增強，我國新能源汽車的銷量也呈現出穩步上升的趨勢。新能源汽車的運行安全直接關系到消費者的生命健康，因此受到廣大消費者的關注。在此背景下，本文以新能源汽車為主要研究對象，闡述目前新能源汽車的安全現狀，并重點分析新能源汽車關鍵部件的運行安全問題。針對這些問題，本文提出了新能源汽車關鍵部件的安全設計方案及關鍵技術策略，以此加強新能源汽車的運行安全，有效解決新能源汽車可能遇到的故障問題，從而進一步促進新能源汽車的可持續發展。

關鍵詞：新能源汽車；關鍵部件；安全技術

中圖分類號：U461 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.01.006

0 引言

新能源汽車是指采用非傳統車用燃料并具備新技術、新結構的汽車，其類型包括純電動汽車、燃料電池電動汽車、混合動力汽車等。這些汽車的基本結構涵蓋了動力電池、整車控制器、逆變器、發動機、發電機、電機、外接充電口等多個組件。其中，電池、電機、電控以及整車控制器等部件被視為關鍵部件，它們的正常運行關系到新能源汽車的安全性能。

近幾年，隨著新能源汽車行業的蓬勃發展，新能源汽車的技術水平得到了顯著提升。然而，不容忽視的是，新能源汽車在運行過程中仍頻發問題，給駕駛者帶來了生命財產損失，同時也制約了新能源汽車的穩定發展。新能源汽車運行問題充分反映出新能源汽車技術尚存不完善之處。因此，需要加強對新能源汽車安全技術的深入研究，為新能源汽車的安全性能提供堅實保障，進而推動整個新能源汽車產業的健康發展。

1 新能源汽車運行安全現狀

通過對近幾年新能源汽車安全事故的調查分析來看，充電場所發生事故的比例最高，達到29%。其次，行駛和停放過程中發生的事故比例占據19%，其他安全事故場景占據33%。進一步分析事故發生的原因，電池問題引發的安全事故占據58%，浸水、零部件故障以及使用不當引發的安全事故占據23%，碰撞問題引發的安全事故占據19%。

通過上述內容的分析，可以將故障發生的車輛狀態歸納為以下幾種：碰撞、浸水、充電、非充電停放以及正常行駛。當這些狀態與濫用條件相結合時，就會形成相應的失效模式，引起車輛短路及過熱問題，進而可能引發失火等嚴重事故。在這些狀態中，充電狀態下新能源汽車發生安全問題的風險相對較高[1]。這主要是因為充電過程中濫用行為頻發，部分用戶未能按照正確的充電行為進行操作，或者存在電池過充的情況。例如，一些用戶采用飛線充電，但插線板的功率不足，難以滿足汽車充電的需求，這可能導致回路端過熱，進而引發火災。此外，電池過充操作會損傷電芯，導致電芯失效，由此造成電池包整體密封失效，電芯模組間短路、發熱，最終可能會引發動力電池起火。

2 新能源汽車關鍵部件運行安全問題

新能源汽車關鍵部件的運行安全問題是一個復雜且重要的議題，需要進行深入的分析，具體包括以下幾個方面：

2.1 電池部件

動力電池熱失控主要表現在以下2 個方面：

（1） 內外部短路。內短路是指鋰電池正負極由于單體電池內部隔膜被破壞而相互接觸，由此形成的電位差導致鋰電池持續放電和發熱。觸發鋰電池內短路的主要形式包括機械濫用、熱濫用以及電濫用等，例如大電流充放電、雨水浸泡、高低溫運行環境等。若內短路問題不能及時解決，持續釋放的熱量將可能引起熱失控。外短路則是指由于一個非常小的電阻直接并聯在鋰電池的正負極，從而引發的快速放電現象。外短路的主要觸發形式包括外力作用、振動以及電池包浸水等。當發生外短路時，巨大的電流會迅速提升電池溫度，進而可能導致電池端子熔斷，從而引發熱失控。

（2） 過充電與過放電。電池過充電是指在充電過程中，負極隔膜附近形成能夠穿透SEI（ 固體電解質界面膜） 的鋰枝晶，導致電池內部微短路，進而加劇鋰電池內部的放熱反應[2]。隨著鋰枝晶的不斷生長，微短路現象不斷加劇，電芯溫度迅速上升，容易出現熱失控問題。而電池放電過程中，若電池組中某個單體出現過放電情況，會導致單體電池異常熱，同時還會損耗電池，嚴重影響電池的安全性。

2.2 電機部件

目前電動汽車主要采用的是永磁同步電機，該電機具有結構簡單、效率高、體積小等優點。但是從實際應用現狀來看，在高溫、高頻振動環境下，永磁同步電機還存在一定的安全隱患，主要表現在以下2 個方面：

（1） 匝間短路。匝間短路是指在電機運行過程中，由于相鄰2 個繞組線圈相互接觸、擠壓、摩擦或者溫度過高，導致絕緣層損壞，從而使得2 個線圈之間發生搭接，形成故障回路。匝間短路會產生故障電流，導致短路處異常發熱，嚴重時甚至可能燒毀局部繞組。

（2） 退磁。電機在高頻機械振動或者匝間短路引發的高溫等惡劣環境下運行時，永磁同步電機可能會發生退磁故障[3]。

2.3 電控部件

電控部件在新能源汽車中負責接收和分析車輛信號，并根據這些信號作出相應的指令判斷。隨著新能源汽車技術的不斷發展，電控部件的復雜性和所承擔的功能也在不斷增加。因此在運行過程中，電控部件也存在一定的安全隱患：一方面，當溫度超過正常閾值時，可能導致電機控制器失效；另一方面，開關管故障或溫度超過正常閾值也可能導致DC-DC 控制器失效。電控部件出現問題時，可能會導致汽車無法正常行駛，甚至引發安全故障。

2.4 整車部件

整車部件的安全隱患主要表現在以下2 個方面：一是加速和制動異常。當車輛啟動時，如果電動車調速控制系統、加速系統或電池部件出現異常，可能導致啟動加速不穩定或緩慢的情況。而在車輛運行過程中，由于各零部件的磨損、斷裂或老化等問題，可能引發制動系統失效，對行車安全構成嚴重威脅；二是整車絕緣報警。整車的絕緣性能主要體現在高壓母線和底盤之間的絕緣電阻上。根據《電動汽車安全要求》（GB 18384-2020） 的規定，應使用平衡電橋法或低頻信號注入法等方法對絕緣電阻進行測試，確保其符合標準要求，否則可能造成絕緣電阻失效。

3 新能源汽車安全設計及關鍵技術

基于安全事故的統計分析結果，并結合新能源汽車關鍵部件存在的安全問題，我們確立了明確的新能源汽車安全目標。即在車輛運行的整個過程中，應采取有效的安全預防措施，以防止各關鍵部件出現短路、絕緣失效以及接觸防護失效等問題。同時，還需要將安全預防措施延伸至新能源汽車運營期間，確保整個車輛在各場景中的運行安全，從而為駕駛人員以及乘客提供堅實的安全保障。

3.1 電池部件安全設計及關鍵技術

從上述內容可以了解到，新能源汽車安全事故的發生，大部分原因源于動力電池熱失控。一旦電池熱失控發生，將會導致新能源汽車起火等嚴重事故。因此，對電池部件進行安全設計顯得尤為關鍵，必須綜合考慮各種安全因素，解決電池熱安全問題、高壓防觸電安全以及機械安全等。具體運用的安全關鍵技術如下：

（1） 電池安全及壽命設計技術。基于電芯一致性、電池拓撲結構、電池工作環境、電池工作模式、電池工作時長、交通事故等多種因素，構建Q-S 系統模型，進行動力正向理論安全設計[4]。具體模型如下：

Q=f（u，ts，e，c，m，a，t）

S=f（u，ts，e，c，m，a，Q）

式中，Q 和S 分別表示電池容量和電池安全程度；u，ts、e、c、m、a、t 分別表示電芯一致性、電池拓撲結構、電池工作環境、BMS 控制策略、電池工作模式、交通事和電池工作時長。

同時，根據用戶需求，利用大數據技術進行系統安全設計，進一步解決新能源汽車電池壽命問題。

（2） 電池熱失控預警防護技術。通過收集電池熱失控診斷信息，包括電池數據、車輛數據、BMS 實時監控數據、環境應力、交通事故等，構建熱失控預警模型。該模型包括云端預警模型和BMS 報警模型，能夠根據電池服役模式、電池濫用歷史、電芯一致性等情況對熱失控風險進行判斷。一旦檢測到風險，將通過儀表提示、云端預警、車端預警、高壓防護等措施，及時預警并采取相應的防護措施，確保車輛行駛安全[5]。

（3） 動力電池智能健康管理技術。通過對車輛電池運行數據進行監控，收集環境數據、保養日期記錄等，對用戶使用電池的行為進行風險評估。根據評估結果，提醒用戶改善使用行為，正確進行放充電操作，以保持電池的良好狀態并延長其使用壽命。

3.2 電機部件安全設計及關鍵技術

電機作為新能源汽車的動力核心，其安全設計對于新能源汽車的整體安全性至關重要。因此，在電機的安全設計和優化過程中，需要重點考慮以下幾項關鍵技術：

（1） 機械結構設計技術。電機的機械結構主要包括磁路和機械傳動兩部分。磁路設計需要精心選擇關鍵部件的材料，如勵磁線圈、鐵心以及永磁體等，以確保電機能夠高效、安全地運行。同時，在電機機械傳動部分的設計中，需要采用合理的設計策略，對電機軸承、制動器以及減速器等進行有效優化。

（2） 電氣技術。電機電氣設計的優化主要目標是實現安全、高效和低噪聲運行，主要包括兩部分：一部分為電氣線路圖的優化設計，需要合理選用電氣元件，確保與電磁參數的匹配；另一部分為電機控制參數的優化設計，需要充分考慮電機功能的充分實現。

（3） 熱管理技術。電機在高溫環境下運行時，其效率會降低，且可能出現匝間短路或者退磁等問題，嚴重影響電機的使用壽命。因此，在電機的安全設計過程中，應選擇合適的材料，加強電機的熱傳導和散熱能力，以確保電機在高溫環境下仍能安全、高效地運行。

3.3 電控部件安全設計及關鍵技術

電控部件作為確保駕駛人員和乘客安全的關鍵部件之一，其安全設計尤為重要。為實現這一目標，需要合理運用以下關鍵技術：

（1） 制定并嚴格實施安全標準規范。國家、政府以及企業應圍繞新能源汽車電控系統的運行目標，制定和完善相關的法律法規以及安全標準。在具體的實施過程中，應由政府部門或者行業協會進行監督和評估。

（2） 強化電控系統軟硬件安全。應高度重視電控系統軟硬件的安全級別，確保電控系統能夠穩定、安全運行。針對硬件問題，應加強硬件檢測，及時發現并解決潛在的安全隱患，防止因硬件設備問題導致車輛失控；針對軟件問題，應采用先進的加密技術和防火墻技術，保護行車數據不被竊取，防止電控系統收到惡意攻擊，從而確保車輛的安全。

（3） 完善安全測試和評估體系。電控系統安規測試是保證新能源汽車安全的有效途徑。因此，需要從多個方面對新能源電控系統進行全面的安規測試。這通常包括接地電阻測試、耐壓測試以及絕緣測試。其中，接地電阻測試是測試車輛電氣系統是否能夠將電流引導到地，不發生電路故障；耐壓測試是指電控系統能夠承受住高電壓，不發生漏電等情況；絕緣測試是指電控系統絕緣材料是否合格，防止發生短路等情況。完成測試后，還需對車輛的電控系統進行全面的性能評估，確保其符合安全標準。

3.4 整車平臺安全設計及關鍵技術

在整車平臺安全設計過程中，采用整體式碰撞安全設計，通過增加防撞吸能部件和合理布置電池安全，避免車輛在碰撞時產生觸電、起火或爆炸等嚴重事故。具體采用的安全防護技術包括以下幾個方面：

（1） 碰撞后快速斷電技術。當車輛發生碰撞時，高壓接觸時間最短為50 ms 左右，遠高于高壓繼電器切斷供電回路的時間（30～80 ms），容易引發安全事故[6]。針對這一問題，可以采用雙路高壓斷電系統（ 如圖2 所示）。該系統主要包括主動熔斷器和高壓繼電器，當發生碰撞時，雙路高壓斷電系統能夠同時切斷雙路實施斷電，將斷電時間控制在25 ms 以內，遠低于高壓接觸時間，從而能夠保證碰撞后的車輛安全。

（2） 整車故障分析與預警防護技術。基于大數據技術，構建整車大數據平臺，對容易出現故障的部件進行預防。例如，通過對電池絕緣電阻值的變化進行監測，可以準確判斷電池包的密封情況，從而實施故障提前預警，有效防止故障的發生。

（3） 新能源汽車安全監控技術。基于大數據技術，構建整車監控系統，對新能源汽車的運營情況進行實時監控。無論是加速和制動異常，還是整車絕緣情況，都可以通過挖掘和分析相關數據進行準確判斷，并提前預警，為車輛行駛安全提供重要保障。

4 結束語

通過上述內容，我們可以清晰地看到，盡管我國新能源汽車發展速度較快，但安全問題仍然不容忽視。為了有效解決這一問題，我們需要深入分析新能源汽車事故的原因和失效模式，并針對新能源汽車關鍵部件的安全問題進行深入探討。基于此，本文提出了新能源汽車的安全設計思路以及關鍵技術的應用路徑，旨在解決新能源汽車存在的安全問題，確保新能源汽車關鍵部件的安全性和可靠性，加強新能源汽車故障的處理能力，進而促進新能源汽車安全、穩定地運行。

參考文獻

[1] 黃蕙琳，王東雨，許惠云.氫能源汽車70MPa 儲氫瓶安全泄放特性分析[J].閥門，2023（05）：570-577.

[2] 朱培培，李新波，王焰孟.基于安全監管下的新能源汽車熱安全發展分析[J].汽車文摘，2023（10）：38-44.

[3] 焦永紅，安震，張淼，路澤民.新能源汽車實訓過程中的安全控制探討[J].時代汽車，2023（17）：25-27.

[4]馬勝強，賀德林，常宇航，張帆.新能源汽車的安全防護與應對策略[J].汽車維修技師，2023（07）：112.

[5] 吳啟帆.新能源汽車動力安全問題研究[J].汽車測試報告，2023（12）：67-69.

[6] 吳長青.新能源汽車動力電池安全問題分析及解決策略[J].時代汽車，2023（10）：100-102.