電動汽車高壓電安全設(shè)計淺析

鄒利寧，胡艷峰，鄭 欣，黃 河

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

電動汽車的電壓等級較高，一般均為B級電壓，即大于30 V，小于等于1 000 V的交流系統(tǒng)，或大于60 V，小于等于1 500 V的直流系統(tǒng)。就目前電動汽車行業(yè)現(xiàn)狀而言，乘用車的電壓等級多為300～500 V DC，商用車領(lǐng)域 （包括客車和載貨汽車）電壓普遍高于500 V，介于500～700 V之間。這樣的電壓等級遠(yuǎn)高于人體安全電壓36 V，因此電動車高壓電安全設(shè)計，不但關(guān)系車輛使用的可靠耐久，更與駕乘人員的人身安全息息相關(guān)。根據(jù)最新國標(biāo)《GB／T 18384.3人員觸電防護(hù)》中的要求，筆者結(jié)合多年新能源汽車設(shè)計工作經(jīng)驗，從電動汽車高壓電氣系統(tǒng)絕緣電阻檢測、高壓互鎖回路設(shè)計和整車電位均衡3方面闡述電動汽車高壓電安全設(shè)計。

1 絕緣電阻檢測

電動汽車高壓電氣系統(tǒng)為車輛驅(qū)動電機(jī)等大功率部件提供電能，主要由動力電池組、電源變換器 （DCDC／DCAC）、驅(qū)動電機(jī)及其控制器、電動助力轉(zhuǎn)向、電動制動及電動空調(diào)等電氣設(shè)備和高壓電線電纜等組成。高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓一般都在300 V以上，采用較高的電壓平臺，可以減小系統(tǒng)工作電流、減小高壓電纜線徑，有利于整車輕量化設(shè)計。但是，如此高的工作電壓對高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能提出了很高要求。

1.1 絕緣電阻的含義及測量意義

高壓系統(tǒng)的絕緣電阻是指高壓電氣設(shè)備帶電部分與車架或車身之間的電阻值，是電動汽車高壓電安全最重要最基本的一個指標(biāo)。

測量絕緣電阻的意義主要有以下幾個方面：①眾所周知，根據(jù)絕緣材料的耐熱等級，電動機(jī)的絕緣等級一般分為Y、A、E、B、F、H、C 7個等級。不同的等級對應(yīng)不同的耐熱溫度。絕緣材料在高溫環(huán)境下易加速老化，從而使絕緣電阻值降低。通過測量絕緣電阻可間接判斷絕緣材料性能是否滿足設(shè)計要求。②高壓電氣設(shè)備大都是發(fā)熱器件，一方面要考慮散熱，另一方面要考慮防塵防水。目前的方案是采用水冷散熱，高壓設(shè)備和連接器防護(hù)等級可達(dá)到IP66到IP67，通過檢測絕緣電阻，可判斷IP防護(hù)是否到位。③檢測絕緣電阻，可以間接判斷高壓電纜制作品質(zhì)。例如，若電纜屏蔽層處理不佳，可能與高壓導(dǎo)體接觸，造成高壓導(dǎo)體部分搭鐵。

1.2 絕緣電阻檢測方法

1.2.1 靜態(tài)測量

絕緣電阻的靜態(tài)測量方法，就是在整車裝配結(jié)束后，在上高壓電之前，用兆歐表測量整車高壓電氣系統(tǒng)各個組件，主要包括動力電池的正負(fù)極母線接口 （連接器）、驅(qū)動電機(jī)及其控制器高壓接口、轉(zhuǎn)向制動等輔助高壓設(shè)備接口，以及高壓電氣設(shè)備金屬外殼、固定支架等。通過對以上測量點與車架之間的絕緣電阻值進(jìn)行測量，判斷高壓電器裝置內(nèi)部及高壓電纜絕緣層的高壓絕緣性能。測試方法分以下幾個步驟。

1）測量前，斷開高壓系統(tǒng)電源，對兆歐表進(jìn)行短路和斷路測試，確保兆歐表工作正常。

2）兆歐表應(yīng)平穩(wěn)放置在遠(yuǎn)離大電流和外磁場的地方。

3）選擇合適的電壓擋位，以福祿克1508兆歐表為例，其可提供50V、100V、250V、500V和1000V五個擋位的設(shè)置。

4）選定擋位后，黑色表筆連接車架，紅色表筆連接被測部位，按下測試按鈕開始測量，待屏幕讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，完成該部位絕緣電阻的測量。

5）測量完一個部位后，對表筆短路放電，防止表筆上的殘留電壓對后續(xù)部位測試造成干擾，然后按照步驟4）依次測量其余部位，記錄數(shù)據(jù)，完成整車絕緣電阻的測量。

《GB／T 18384.3—2015電動汽車安全要求 第3部分 人員觸電防護(hù)》中規(guī)定：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值至少大于1 00 Ω／V，交流電路至少大于500 Ω／V。一般的電動汽車均為交直流混合系統(tǒng)，因此應(yīng)按照500 Ω／V的要求設(shè)計、測量絕緣電阻。

表1為某款純電動汽車典型高壓部位的對搭鐵絕緣電阻實測數(shù)據(jù)。從表1中不難看出，動力儲能系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的絕緣電阻值較高，輔機(jī)中的轉(zhuǎn)向和助力電機(jī)次之，舒適系統(tǒng)中的空調(diào)暖風(fēng)絕緣電阻較小。若按照600 V DC計算，國標(biāo)對絕緣電阻值的要求是不小于300 kΩ，表1中最小的PTC絕緣電阻也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)要求。

表1 某款電動汽車典型高壓部位絕緣電阻值

既然單個高壓部件的絕緣電阻值可以做到如此高，為何國標(biāo)要求卻這么低呢？筆者認(rèn)為有3點原因：①以600 V直流系統(tǒng)計算，300 kΩ的絕緣電阻所造成的泄露電流僅有2 mA，只是身體有感電流的下限，不會造成人身傷害；②對于單個高壓部件，絕緣阻值做到兆歐級別并非難事，但是就電動汽車整車而言，高壓部件少則五六種，多則十種，這些高壓部件的絕緣電阻構(gòu)成一個并聯(lián)電阻系統(tǒng)，其阻值大小類似“木桶原理”，由最小值決定，而且要比最小值還??；③設(shè)備運(yùn)行過程中的發(fā)熱和長期使用造成的絕緣材料老化，以及氣候因素引起的潮濕等因素，使得不論單個高壓部件還是高壓系統(tǒng)的絕緣阻值都不同程度下降。

綜合以上3點，在進(jìn)行高壓部件絕緣電阻材料選型和絕緣電阻指標(biāo)設(shè)計時，一定要根據(jù)車輛使用環(huán)境和工況等因素綜合考慮，預(yù)留一定的設(shè)計余量。

1.2.2 在線實時測量法

絕緣電阻的第二類測量方法稱為在線實時測量法，目前應(yīng)用最廣最為成熟的是低頻信號注入法。采用該方法的絕緣檢測儀已經(jīng)比較成熟，有專門配套廠生產(chǎn)。整車廠設(shè)計的側(cè)重點是外形尺寸、安裝布置、電氣參數(shù)、EMC以及通信協(xié)議方面的需求。比如，用于電動商用車的絕緣檢測儀，工作電壓范圍滿足18～32 V，靜態(tài)功耗不大于3 mA；通信協(xié)議滿足SAE J1939規(guī)范；電磁兼容滿足GB／T 18655和GB／T 17619的相關(guān)要求。

采用低頻信號注入法，可以在上低壓電后、上高壓電之前檢測整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻狀態(tài)，一旦出現(xiàn)絕緣電阻故障，可通過控制策略限制上高壓電，避免上高壓后出現(xiàn)不可預(yù)知的后果；待排查并處理絕緣故障后，方可上高壓。但是這種方法也有一定局限性，比如由于BMS主放電接觸器在上高壓電前未閉合，因此無法檢測放電接觸器前端的絕緣電阻。目前，比較常見的解決辦法是通過BMS內(nèi)置絕緣檢測模塊檢測，BMS低壓供電接常電，行車時與整車絕緣檢測儀協(xié)同檢測絕緣電阻，充電時BMS進(jìn)行絕緣電阻檢測，并通過遠(yuǎn)程終端發(fā)送充電狀態(tài)至企業(yè)平臺和公共平臺。

表2為某款電動車絕緣電阻故障等級定義及處理機(jī)制。以往設(shè)計中出現(xiàn)過4個故障等級的劃分，除表2中一、二級故障外，還有三級故障 （接線故障），四級故障 （設(shè)備故障）；實踐中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)三、四級故障的同時一般都會伴有一、二級故障出現(xiàn)，因此簡化設(shè)計，僅保留一、二級故障處理機(jī)制即可。

表2 絕緣電阻故障等級定義及處理機(jī)制

2 高壓互鎖回路

2.1 高壓互鎖的定義

ISO國際標(biāo)準(zhǔn)《ISO 6469-3：2001電動汽車安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電氣傷害防護(hù)》規(guī)定：車上的高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置。高壓互鎖，也指危險電壓互鎖回路（HVIL， Hazardous Voltage Interlock Loop），其原理是通過使用電氣小信號來檢查整個高壓設(shè)備、電纜、連接器電氣完整性，識別回路異常時，及時斷開高壓電。

2.2 高壓回路的互鎖設(shè)計

高壓互鎖回路通過帶互鎖信號的高壓連接器和手動維修開關(guān) （MSD）實現(xiàn)。連接器主要實現(xiàn)配電端即高壓設(shè)備端的高壓互鎖，MSD則實現(xiàn)動力電池組即供電端的高壓互鎖。互鎖端子相互串聯(lián)連接，構(gòu)成互鎖信號回路，每個高壓連接器相當(dāng)于互鎖信號回路的一個開關(guān)節(jié)點，只有高壓連接插接到位，接觸良好時，互鎖信號才會導(dǎo)通。一般將互鎖信號接搭鐵后送入VCU（整車控制器），VCU接收到低電平信號后方可進(jìn)行高壓上電。其原理如圖1所示。

圖1 高壓電氣互鎖回路

高壓互鎖功能通過帶互鎖功能的高壓連接器、互鎖回路和整車控制策略3方面完善設(shè)計才能實現(xiàn)。高壓互鎖功能主要有以下3方面意義：①彌補(bǔ)了高壓連接機(jī)械鎖止機(jī)構(gòu)安裝不到位或長期振動后松脫的不足；②防止由于端子壓接品質(zhì)不過關(guān)，出現(xiàn)部分退針接觸面積不足的情況；③提高連接器插接件電氣安全性和人身安全，先閉合低壓回路，檢測低壓信號，然后閉合高壓回路，可以最大限度避免帶電插拔高壓連接器的可能。

3 高壓電氣系統(tǒng)電位均衡

國標(biāo)《GB／T 18384-3：2015電動汽車安全要求 第3部分》中，將等電位連接 （電位均衡）定義為：電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分之間電位差最小化。

電動汽車儲能系統(tǒng)雖為直流供電系統(tǒng)，但有很多感性負(fù)載，如驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)等。這些感性負(fù)載運(yùn)行時，其機(jī)體內(nèi)部的繞組和高壓連接電纜會通過交變電流，交變電流產(chǎn)生電磁場，如果電機(jī)本體和高壓電纜屏蔽性能不佳或絕緣性能下降，有可能使高壓部件外殼產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使得高壓部件外殼兩點之間存在電勢差，有觸電的安全風(fēng)險。

圖2 電位均衡示意圖

高壓電氣系統(tǒng)電位均衡不但是實現(xiàn)人員安全防護(hù)的要求，同時也與整車的正常運(yùn)行息息相關(guān)。通過電位均衡系統(tǒng)將高壓電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分電位最小化，可在一定程度上提高整車EMC性能和ESD性能。如圖2所示，高壓組件的可導(dǎo)電外殼與底盤連接，使所有高壓組件可導(dǎo)電外殼連接成一個整體，具有相同電勢，以滿足高壓組件系統(tǒng)外漏可導(dǎo)電部分任意兩點電位差最小的要求。電位均衡連接需要注意以下幾點：①任一高壓設(shè)備外殼應(yīng)預(yù)留專用等電位連接點，并布置于設(shè)備外緣，以便用最短的導(dǎo)線與車架或車身連接；②等電位連接點應(yīng)設(shè)計成焊接螺母或螺紋孔，便于用螺栓可靠地固定連接端子；③連接時需保證連接孔及孔緣清潔、干燥，避免因油污、車漆等絕緣性物質(zhì)增大接觸電阻；④連接導(dǎo)線推薦使用不小于6 mm2的銅編織線，保證導(dǎo)線具有足夠小的電阻。以上4點的最終目的是保證等電位通路中任意兩個可同時被人觸碰的外漏可導(dǎo)電部分之間的電阻不大于0.1 Ω。

4 結(jié)束語

本文從絕緣電阻檢測、高壓互鎖和電位均衡3個方面論述高壓電安全設(shè)計，具體介紹了絕緣電阻檢測常見方法、高壓互鎖回路的一般電氣原理和電位均衡的含義和重要意義。安全性是汽車各項性能指標(biāo)中最基本、最重要，也是最難的一項工作，而高壓電安全又是電動汽車領(lǐng)域最重要的一項課題，可謂任重道遠(yuǎn)。本文拋磚引玉，希望能為高壓電安全設(shè)計提供一些借鑒。