新能源汽車三電系統功能安全技術要點分析

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0021-0：

AnalysisofKey TechnicalPointsforFunctional Safetyofthe Three-electricity SystemsinNewEnergyVehicles

Zhang Zhiguo

（NIO Automotive Technology（Anhui）Co.，Ltd.，Hefei 230031，China）

【Abstract】With the development of new energy vehiclesand the implementation of thenational standard GB/T 34590—2024，this article focuses on the functional safetyof the three-electricity systemand uses HAZOP and FMEA to clarifythefailuremodesandASILsafetyobjectives.Intermsofhardware，thebatteryadoptshigh-precisionsensorsand multi-layer protection.The motorand electroniccontrol implementredundancyof keycomponentsandadopta \"dual power supply + dual communication+dual controller\"architecture.At the software level，security is guaranteed by state machines，fusionalgorithmsand multi-level circuit breakers.Taking a certain pure electriccommercial vehicleasan example，practical verification shows thatthe sensor redundancy design can significantlyreduce the failurerate from1.2× 10^-4/h to 3.5×10^-7/h ，meeting the ASIL-B safety level standard.

【Key words】new energy vehicles；three-electricity system；battery protection；hardware security；sensor redundancy

0 引言

2024年在政策、技術與環保意識驅動下，全球新能源汽車市場蓬勃發展。為應對安全挑戰，GB/T34590—2024國標全面實施，該標準契合新能源汽車三電系統特性，對其全生命周期提出嚴苛要求。三電系統功能安全關乎車輛運行與乘員安全，剖析其技術要點，順應產業規范趨勢，也為解決工程問題提供理論支撐。

1電池系統功能安全分析

1.1功能安全需求與危害分析

電池系統功能安全致力于防控過充、過放、過熱及短路等極端工況風險。運用危險與可操作性分析（Hazardand OperabilityStudy，HAZOP），系統性剖析電池管理系統BMS在信號采集、邏輯控制與能量調度中的潛在偏差，精準識別電壓/電流超限、溫度異常、絕緣失效等危害事件；借助失效模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，FMEA），量化評估電池單體、模組及傳感器等部件的失效模式，如單體過充引發析鋰短路、傳感器失效導致保護延遲，通過ASIL-B/C/D風險等級劃分明確安全目標。

1.2 硬件設計關鍵技術

電池管理系統BMS硬件架構構建多層防護體系。高精度傳感器確保電壓采集誤差 ?±5mV 、溫度分辨率 ?±0.5^°C ，搭配24位ADC實現電芯狀態精準監測；磁耦合或光耦隔離技術將信號傳輸共模抑制比提升至100dB以上，隔絕電磁干擾；冗余DC-DC轉換器與超級電容備份電源，保障主電源失效時30s安全停機。

1.3軟件策略與安全機制

電池系統軟件通過狀態機管理，劃分為正常運行、預警、故障、安全停機4級狀態。基于安時積分與卡爾曼濾波融合算法，實現電池荷電狀態SOC與健康狀態SOH的精準估算。充放電控制策略嵌入動態功率限制模塊，可根據電芯溫度、充放電循環次數實時調整電流閾值，如在高溫環境下充電電流自動降額 30% 。安全閾值判斷邏輯采用三級熔斷機制：一級軟件閾值觸發預警提示；二級硬件比較器啟動被動均衡；三級繼電器控制實現高壓互鎖斷開，全方位保障電池系統安全。

2電機系統功能安全分析

2.1失效模式與安全目標

2.1.1 失效模式

電機系統存在多種失效風險。在堵轉工況下，轉子轉速驟降為0，定子電流激增3＼～5倍，極易引發繞組過熱燒毀。過載時，電磁轉矩超過設計閾值，持續10s以上將導致永磁體退磁。缺相故障多因功率模塊IGBT開路或驅動電路失效，造成三相電流不平衡度超 40% ，轉矩脈動加劇引發機械振動。軸承故障表現為潤滑失效或滾珠磨損，產生 ?80dB 異常噪聲并伴隨轉子偏心，嚴重時導致電機掃膛。

2.1.2 安全目標設置

針對上述風險，電機系統的安全目標需滿足ASIL-B等級要求。通過扭矩限制（堵轉時 10ms 內切斷功率輸出）、溫度監控（繞組溫度超 180^°C 時觸發安全停機）及振動閾值檢測（加速度 gt;15g 時啟動降功率保護），確保失效時電機轉速平穩下降至0，避免失控引發的車輛急加速/急減速風險。同時，通過絕緣監測（阻值 lt;20kΩ 時報警）與漏電保護（漏電流 gt;30mA 時斷開高壓回路），保障人員接觸安全。

2.2 硬件容錯設計

硬件容錯采用“關鍵部件冗余 + 故障診斷”雙重架構。在功率器件層面，并聯IGBT模塊配置獨立驅動電路，單點失效時通過均流電阻（誤差 ?5% ）實現負載轉移，持續維持 70% 額定功率輸出。傳感器冗余設計包含雙旋轉變壓器（角度測量偏差 lt;0.1^° ）與三霍爾傳感器（轉速測量誤差 lt;0.5% ），通過信號表決算法（三中取二），顯著提升轉子位置檢測的可靠性。

2.3軟件控制策略優化

利用矢量控制算法引入滑模觀測器（抖振抑制率 gt;90% ），有效解決傳統PI調節器在高速弱磁區的參數漂移問題，將轉矩控制精度從 ±5% 提升至 ±3% 。軟件安全機制設置雙重看門狗，硬件看門狗復位周期 50ms ，軟件看門狗進行任務監控，確保控制程序跑飛時 20ms 內觸發系統復位。配合扭矩斜坡控制（上升/下降速率 ?50N?m/s， ，避免失效時的動力突變，提升整車運行的平順性與安全性。

3電控系統功能安全分析

3.1整車控制失效分析

整車控制失效主要表現為信號傳輸失效，如CAN/

LIN總線誤碼率 gt;0.1% 、信號延遲超 50ms ，以及控制邏輯異常（狀態機跳轉錯誤、優先級調度混亂）和硬件故障（MCU寄存器翻轉、時鐘晶振失效）等。信號傳輸錯誤可能導致加速/制動指令誤判，例如油門踏板信號漂移引發非預期加速，其風險概率達 10^-6/h 。

3.2 冗余設計與架構優化

電控系統冗余架構采用“雙電源 + 雙通信 + 雙控制器”設計。電源模塊集成主電源（車載蓄電池）與備份電源（超級電容，容量 ?5F ），主電源失效時可支持 300ms 安全運行窗口。通信系統部署雙CAN總線（波特率 500kb/s ），通過信號表決算法（三中取二）將誤碼率從 10^-5 降至 10^-8 ，關鍵信號（如制動踏板行程）采用冗余編碼傳輸。硬件架構優化為異構雙MCU方案（AURIXT Γ（397+RH850 ），主控制器負責實時控制，監控控制器獨立運行診斷程序，檢測到功能安全故障（如軟件棧超時 gt;10ms 時， 100ms 內完成主備切換。

3.3失效診斷與恢復策略

故障代碼管理遵循IS014229標準，區分臨時故障（存儲20個駕駛循環）與永久故障（立即點亮故障燈）。對于關鍵故障（如制動系統通信中斷），觸發分級響應：一級故障進入跛行模式（限速 30km/h ，單電機驅動）；二級故障激活安全停車程序（ 300ms 內施加 0.3g 制動， 500ms 內完成高壓下電）。恢復策略設置“預診斷-降級-停機”三級安全鏈，通過扭矩凍結（維持當前輸出2s）避免失效瞬間的動力突變，同時記錄故障前后10s的總線數據（分辨率1ms ），為失效根因分析提供完整時序信息。

4案例分析

純電動商用車早期路試時，旋轉變壓器因振動信號異常，引發驅動電機轉矩中斷故障。為此，研發團隊基于IS026262功能安全要求，實施低成本冗余策略。系統測試方案見表1。硬件上采用“旋轉變壓器 + 霍爾傳感器”組合，前者提供 ±0.01^° 高精度位置信號，后者作為精度 ±1^° 的備用單元，借信號融合算法實時校驗主備信號；軟件層面開發故障切換邏輯，當旋轉變壓器信號偏差超 5% ，自動切換至霍爾傳感器信號，以限扭（ ?150N?m， 、限速（ 40km/h 模式保障車輛安全停靠。

經HIL測試，注入故障后系統切換響應 ?20ms ，轉矩波動 lt;10% 。10萬公里實車耐久試驗顯示，傳感器故障發生率從 1.2×10^-4/h 降至 3.5×10^-7/h ，達ASIL-B安全等級。高精度主傳感器 + 低成本備用傳感器的異構冗余設計，兼顧成本與性能，為商用車安全技術規模化應用提供實踐范例。

5結束語

本文聚焦新能源汽車三電系統失效風險，構建功能安全技術框架。從需求、軟硬件等維度出發，借硬件冗余、軟件熔斷及全層級測試，化解過充失控、轉矩中斷等難題。后續將著力突破跨系統協同、數據驅動診斷及極端場景適配等技術瓶頸，助力新能源汽車向安全可靠進階，推動行業高質量發展。

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（編輯林子衿）