李楠

（上海工商外國語職業(yè)學(xué)院，上海 201399）

引言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（internal combustion engine， ICE）汽車相比，電動(dòng)汽車具有污染低、噪聲小，能源利用率高等優(yōu)勢[1-3]，已經(jīng)被國家納入“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。電動(dòng)汽車研發(fā)及大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用已經(jīng)在國內(nèi)如火如荼的展開。同時(shí)，世界范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展也呈現(xiàn)出加速趨勢，由國際能源署（International Energy Agency， IEA）發(fā)布的“EV30＠30模型”顯示，2030年全球電動(dòng)汽車保有量預(yù)計(jì)達(dá)到2.4億輛。雖然電動(dòng)汽車被視為未來交通工具的主流，但是其自身固有的、區(qū)別于ICE汽車的安全問題也備受關(guān)注與爭議[4，5]。

當(dāng)前的電動(dòng)汽車主要分為兩類：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車。對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車而言，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源被融合進(jìn)了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，該類汽車通常具有能源效率高和回饋制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[6]；而純電動(dòng)汽車已經(jīng)完全擯棄了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡單，在行駛過程中實(shí)現(xiàn)零污染物排放[7]。然而，無論是混動(dòng)汽車還是純電動(dòng)汽車，都必須采用動(dòng)力電池存儲(chǔ)大量能量，以實(shí)現(xiàn)汽車更長距離的行駛，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，高壓（300～600 V）和大功率（幾十到幾百千瓦）驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電力電子器件也是必不可少的。然而，正是由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用，導(dǎo)致電動(dòng)汽車的安全性問題與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生了本質(zhì)差異。目前，由于大量電池著火和乘客觸電的相關(guān)報(bào)道，電池安全和觸電保護(hù)是電動(dòng)汽車用戶最為關(guān)注的電氣安全問題[8]。然而，領(lǐng)域內(nèi)專家和工程師對(duì)電動(dòng)汽車安全問題具有更全面、更深刻的認(rèn)識(shí)，并形成了嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范，用來指導(dǎo)電動(dòng)汽車的加工、生產(chǎn)與測試，提高電動(dòng)汽車的安全性，但這些規(guī)范并不為普通大眾所熟知。

電動(dòng)汽車安全規(guī)范具有區(qū)域性，除了國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)外，各個(gè)國家或地區(qū)也形成了各自的安全規(guī)范。其中，國際標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 6469-1，ISO 6469-2，ISO 6469-3，ISO 6469-4，ISO 6722-1，ISO 26262，IEC 61851-1，IEC 61851-21，IEC 62660-1，IEC 62660-2，IEC 62660-3，UN Regulation No.94，UN Regulation No.95和UN Regulation No.100等；區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)包括美國FMVSS 305，歐洲ECERegulationNo.100，韓國KMVSS Art.2和Art.18系列以及中國GB/T 18384系列、 GB/T 19751，GB/T 24549，GB/T31498和QC/T 895等。其中，UN Regulation是最早出現(xiàn)的電動(dòng)汽車安全規(guī)范之一，很多區(qū)域性安全規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 18384系列和GB/T31498等）都是參考該類文件形成的。在這些安全規(guī)范中，電動(dòng)汽車電氣安全問題主要被分為兩類：正常使用時(shí)安全問題和碰撞后安全問題。

針對(duì)電動(dòng)汽車安全問題，本文首先對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了概述，對(duì)系統(tǒng)高壓、大功率特性進(jìn)行了分析，指出電動(dòng)汽車安全問題的根源；其次，根據(jù)聯(lián)合國電動(dòng)汽車基礎(chǔ)安全規(guī)范（UN Regulations），對(duì)電動(dòng)汽車安全問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提高了普通用戶對(duì)電動(dòng)汽車安全問題的認(rèn)識(shí)，并且為科研工作者提供了電動(dòng)汽車安全技術(shù)提高的研究方向。

1 高壓大功率驅(qū)動(dòng)器件概述

電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件主要包含五部分[9]：① 動(dòng)力電池組；②DC-AC逆變器；③母線電容；④驅(qū)動(dòng)電機(jī)；⑤DC-DC變換器。其中，在基于交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，前四種部件是必不可少的，但當(dāng)電池組能提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需要的高電壓時(shí)，DC-DC變換器可以省去。

1.1 動(dòng)力電池

電池組是儲(chǔ)能裝置，為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量。因此，動(dòng)力電池需要具備以下特點(diǎn)：充/放電電流大，端電壓高，循環(huán)壽命長，功率密度大，耐高/低溫，單體電池一致性好和荷電保持能力高等[10]。與傳統(tǒng)化石燃料相比，存儲(chǔ)在電池中的能量不再是化學(xué)能，而是電能。但電荷會(huì)通過金屬車體傳導(dǎo)，引發(fā)觸電事故，特別是在高電壓系統(tǒng)中；此外，若電池受到擠壓、穿刺和大功率工作（短路）發(fā)熱等因素影響，極易發(fā)生燃燒或爆炸，且能量密度越大，危險(xiǎn)性越高。這些導(dǎo)致了電動(dòng)汽車安全性與傳統(tǒng)汽車有著本質(zhì)不同。為更加清晰地介紹動(dòng)力電池的特點(diǎn)，本文將詳細(xì)介紹目前已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池。

1.1.1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池自1859年由Plante發(fā)明以來，有150多年的使用歷史，技術(shù)十分成熟?，F(xiàn)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的鉛酸蓄電池一般是正極采用二氧化鉛，負(fù)極采用海綿狀的鉛，電解液為稀硫酸溶液[11]。鉛酸電池價(jià)格低，安全性能好，應(yīng)用范圍非常廣，但其功率密度和能量密度比鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池低，這對(duì)鉛酸蓄電池的霸主地位產(chǎn)生了一定威脅，隨著新型電池成本不斷降低，將對(duì)鉛酸蓄電池產(chǎn)生強(qiáng)烈的替代效應(yīng)。預(yù)計(jì)汽車起動(dòng)領(lǐng)域短期不會(huì)被替代，備用及儲(chǔ)能電池僅在中小容量市場存在替代可能。目前，動(dòng)力電池領(lǐng)域，鉛酸電池占據(jù)90 %市場，但鋰電池替代威脅相對(duì)較大，其替代進(jìn)程取決于鋰離子電池成本的下降速度。

雖然很多專家學(xué)者和相關(guān)企業(yè)把更多的目光從鉛酸電池轉(zhuǎn)移到鋰離子電池，但從安全角度講，它仍然具有十分旺盛的生命力，例如，國內(nèi)的混動(dòng)城市客車五洲龍汽車、安凱汽車和廈門金旅仍采用鉛酸電池[12]。

1.1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是20 世紀(jì)90 年代在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型綠色電池，其負(fù)極采用由儲(chǔ)氫材料作為活性物質(zhì)的氫化物電極，正極采用氫氧化鎳，電解質(zhì)為氫氧化鉀水溶液[13]。與鎳鎘電池相比，鎳氫電池記憶效應(yīng)不明顯、無污染（不含有毒的鎘）；與鉛酸電池相比，氫鎳電池的比能量和比功率均成倍提高；另外，鎳氫電池回收利用效率比鋰離子電池好，被稱為最環(huán)保的電池。商業(yè)化的電動(dòng)汽車有很多采用氫鎳電池技術(shù)（超過800萬輛），例如豐田Prius、福特Escape、雪佛蘭Chevrolet Malibu和本田Honda EV plus等。

從安全角度來講，鎳氫電池比熱容、電解液蒸發(fā)熱相對(duì)較高，而能量密度相對(duì)較低，即使發(fā)生短路、刺穿等極端異常情況，電池溫升較小，一般不會(huì)燃燒。因此，鎳氫電池將是新能源汽車電池的一個(gè)主要選擇，尤其是在混合新能源汽車上會(huì)有著廣泛的應(yīng)用。

1.1.3 鋰電池

鋰離子電池是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的高容量可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作[14]。鋰離子電池使用一個(gè)嵌入的鋰化合物作為一個(gè)電極材料，目前常用作鋰離子電池的正極材料主要有鋰鈷氧化物（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鋰鐵（LiFePO4）。與鉛酸電池和鎳氫電池相比，鋰離子電池具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：單體電池電壓高且一致性好，循環(huán)壽命長可達(dá)鉛酸電池的2～3倍，能量密度與功率密度大，同容量電池體積重量小，荷電保持能力高，自放電率每月不到5 %，無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ碾妱?dòng)車用動(dòng)力電池。

然而，鋰離子電池的電極材料以及電解質(zhì)均有易燃性，受熱即可引起火災(zāi)，并分解產(chǎn)生氣體，從而加劇了電池爆炸的可能性。而且現(xiàn)如今的高分子隔離膜強(qiáng)度都相對(duì)較低，在碰撞、穿刺或過熱情況下極易損壞這層薄膜，導(dǎo)致電池短路。因此，鋰電池安全性是目前電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中，鋰聚合物電池是一種新型鋰電池技術(shù)[15]，由于使用了膠態(tài)電解質(zhì)，它不會(huì)因?yàn)橐后w沸騰而產(chǎn)生大量氣體，從而杜絕了劇烈爆炸的可能。

圖1比較了幾種動(dòng)力電池的綜合性能，相對(duì)來講，鉛酸電池和鎳氫電池安全性較高，鋰離子電池安全性較低，但實(shí)際應(yīng)用中，都無法避免由高電壓、大功率工況引起的觸電及發(fā)熱現(xiàn)象，因此電池安全提升技術(shù)仍需要不斷提升。

圖1 動(dòng)力電池性能對(duì)比

圖2 DC-AC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 DC-AC逆變器

由于電池只提供直流電壓和電流，對(duì)于交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，必須采用DC-AC逆變器實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。典型三相逆變器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由六個(gè)可控晶閘管（T1， T2…T6）和六個(gè)功率二極管（D1， D2…D6）組成。晶閘管的通斷由控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制，其中，常用的脈寬調(diào)制算法包括SPWM和SVPWM[16]。二極管除了具有續(xù)流作用外，當(dāng)過流或過壓故障發(fā)生或處于再生制動(dòng)工況時(shí)，晶閘管會(huì)被關(guān)閉，此時(shí)，六個(gè)二極管將組成不可控橋，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)工作于發(fā)電狀態(tài)，向電池充電。

逆變器通常也需要工作于高壓、大功率條件下，其參數(shù)需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的參數(shù)設(shè)計(jì)，，但工作過程中的高頻、高壓、高溫、脈沖和大電流都可能會(huì)損壞電力電子器件，降低電動(dòng)汽車的可靠性與安全性。

1.3 母線電容

在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電池組需要通過直流母線與DC-AC逆變器連接，但在工作過程中，電機(jī)控制器從電池組得到有效電壓/電流的同時(shí)，會(huì)在直流母線上產(chǎn)生很高的脈沖電壓，使得電機(jī)控制器難以承受，所以需要母線電容來連接逆變器和電池，用以吸收電壓脈沖。母線電容的作用包括：①平滑母線電壓，即使在晶閘管開關(guān)的時(shí)仍比較平滑；②降低電機(jī)控制器IGBT端到動(dòng)力電池端線路的電感參數(shù)，削弱母線的尖峰電壓；③吸收電機(jī)控制器母線端的高脈沖電流。

目前，普遍使用的母線電容是薄膜電容，與最初的電解電容相比，薄膜電容具有以下六個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：①更好的溫度和頻率特性；②無極性，可承受反向電壓；③工作電壓更高；④干式設(shè)計(jì)，沒有電解液泄露危險(xiǎn)；⑤抗脈沖電壓/電流能力高；⑥壽命更長。但電解電容并沒有完全消失不用，在以MOS晶體管作為開關(guān)器件的低速車或者物流車的控制器中仍然可以見到多個(gè)電解電容并聯(lián)使用的情形。圖3（a）是豐田Prius第一代中采用的多個(gè)并聯(lián)的電解電容組，而Prius第二代已經(jīng)開始使用薄膜電容（如圖3（b）所示）。

圖3 母線電容

與其它部件一樣，母線電容需要工作在高壓條件下。此外，電容具有能量存儲(chǔ)的功能，使得它與電池一樣，其存儲(chǔ)的電量可能通過金屬殼體傳導(dǎo)，引發(fā)觸電，這在汽車碰撞后尤為需要重視[17]。

1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

表1 交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)應(yīng)車型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，它將電池存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動(dòng)汽車前進(jìn)，在回饋制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)能工作于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)于電池中。電動(dòng)汽車在不同的歷史時(shí)期采用了不同的電機(jī)，20世紀(jì)90年代前開發(fā)的電動(dòng)汽車通常采用采用了控制性能較好并且成本較低的直流有刷電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)及電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)包括永磁無刷電機(jī)（永磁同步電機(jī)PMSM和無刷直流電機(jī)）、感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等顯示出了比直流電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)越的性能及使用壽命，并已經(jīng)逐漸淘汰了有刷直流電動(dòng)機(jī)。表1對(duì)比了常用交流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，并列舉了對(duì)應(yīng)的多種電動(dòng)汽車型號(hào)，可以看出，永磁無刷直流電機(jī)，異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)都占據(jù)了廣泛的國際市場，但目前國內(nèi)已經(jīng)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的電機(jī)主要是永磁同步電機(jī)[18]。

電機(jī)作為電動(dòng)汽車核心驅(qū)動(dòng)部件，其往往工作于高壓、大電流條件下，這對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)、耐熱等級(jí)等提出了很高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安全性也決定了電動(dòng)汽車使用的安全性，保證電機(jī)在各種工況（特別是故障狀態(tài)）下具有可靠運(yùn)行和容錯(cuò)能力是研究者追求的重要目標(biāo)。此外，電機(jī)和電容一樣，具有一定的儲(chǔ)能作用，在故障或碰撞時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取安全高效的措施釋放掉電機(jī)中存儲(chǔ)的能量，避免觸電事故發(fā)生[17]。

1.5 DC-DC變換器

在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，DC-DC變流電路根據(jù)功能不同，可以分為單向變換器、雙向變換器和三端口變換器。單向變換器基本結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，它可將電池側(cè)電壓升至更高的水平，但其能量流動(dòng)是單向的，只能由電池側(cè)流向控制器側(cè)，故無法用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單驅(qū)動(dòng)電機(jī)的回饋制動(dòng)功能。雙向變換器結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，雙向變換器拓?fù)涫窃趩蜗蜃儞Q器的基礎(chǔ)上演化而來的，更多的晶閘管和功率二極管被融合到了新電路中，該結(jié)構(gòu)不但能實(shí)現(xiàn)能量從電池側(cè)流向控制器側(cè)，還能實(shí)現(xiàn)能量的反向流動(dòng)，使得當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。三端口變換器是專門針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車提出的一種新型變流電路[19]，其結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。該變換器可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間能量的自由流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池充電（發(fā)電機(jī)→電池）、回饋制動(dòng)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)→電池）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)（電池→驅(qū)動(dòng)電機(jī)，發(fā)電機(jī)→驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)（電池→發(fā)電機(jī)）的功能。

圖4 DC-DC變換器

DC-DC變換器與逆變器一樣，都是由電力電子器件構(gòu)成的部件，需要工作在高壓、大功率條件下，電動(dòng)汽車本身及其使用安全性都會(huì)受到影響。

2 電動(dòng)汽車安全規(guī)范及問題概述

目前，很多人對(duì)電動(dòng)汽車安全問題的認(rèn)識(shí)還片面地停留在電池著火和觸電風(fēng)險(xiǎn)層面上，為提高大家對(duì)電動(dòng)汽車安全問題的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，本節(jié)將根據(jù)UN Regulation No.94/95/100對(duì)電動(dòng)汽車正常使用時(shí)和碰撞后的安全問題進(jìn)行闡述。

2.1 正常使用時(shí)安全規(guī)范

關(guān)于正常使用條件下的電動(dòng)汽車安全性主要在UN Regulation No.100（參考GB/T 18384）中進(jìn)行了規(guī)范，其中關(guān)鍵的安全問題包括以下三個(gè)方面：仿觸電安全、電池安全和功能安全。

2.1.1 防觸電安全

關(guān)于防觸電保護(hù)，UN Regulation No.100中的要求適用于未連接到外部電源的高壓總線。主要包括三個(gè)方面：防止直接接觸，防止與裸露的導(dǎo)電部件間接接觸和隔離電阻。

車輛可以采用各種方式來防止直接接觸帶電部件，例如絕緣材料或物理屏障。聯(lián)合國規(guī)范要求電動(dòng)汽車必須執(zhí)行常規(guī)的電氣保護(hù)等級(jí)（IPXXB或IPXXD）測試，例如，對(duì)乘客或行李廂中的帶電部件，應(yīng)達(dá)到至少IPXXD等級(jí)的保護(hù)，對(duì)于其他區(qū)域的外殼的防護(hù)等級(jí)必須至少為IPXXB。在測試中，檢修探頭或?qū)Ь€應(yīng)以規(guī)定的測試力推入外殼的開口，并且不得接觸帶電部件。對(duì)于IPXXD，探頭是直徑1 mm，長100 mm的測試線，對(duì)于IPXXB，探頭是直徑12 mm，長80 mm的測試探棒。

防止間接接觸帶電部件與防止電氣故障密切相關(guān)。規(guī)范要求所有裸露的導(dǎo)電部件都要連接到車廂底盤，以防止產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)。此外，當(dāng)電流達(dá)到0.2 A時(shí)，所有裸露的導(dǎo)電部件與底盤之間的電阻不應(yīng)超過0.1 Ω。

最后，關(guān)于隔離電阻，UN Regulation No.100規(guī)定其規(guī)格取決于動(dòng)力總成采用了何種直流母線形式（分開或組合的直流/交流母線），且需要根據(jù)總線的類型及其連接方式來選取隔離電阻的規(guī)格參數(shù)，規(guī)范還對(duì)電阻測試步驟做了明確說明。

2.1.2 電池安全

可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，電池是最常見的類型，但也可以使用超級(jí)電容或機(jī)電飛輪作為儲(chǔ)能裝置。如果沒有精心設(shè)計(jì)，任何類型的可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)都有潛在的危險(xiǎn)，且危險(xiǎn)不僅會(huì)出現(xiàn)在電池的非正常工作狀態(tài)下，還會(huì)在電池正常工作過程中發(fā)生。常見的電池問題包括：單體電池外殼破損導(dǎo)致電解液/材料泄漏，在短路或過壓狀態(tài)下電池高溫和電池著火等。

UN Regulation No.100規(guī)定電池設(shè)計(jì)應(yīng)首先避免對(duì)用戶產(chǎn)生電擊傷害此外，在防止大電流和氣體積聚方面也必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施：對(duì)大電流的要求是可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)“不得過熱”，但如果存在過熱風(fēng)險(xiǎn)，則必須配備保險(xiǎn)絲，斷路器或主接觸器等保護(hù)裝置；為防止氣體積聚，在電池可能產(chǎn)生氫氣的地方必須按裝通風(fēng)風(fēng)扇或管道。

2.1.3 功能安全

功能安全性涉及系統(tǒng)的整體安全性，對(duì)于基于復(fù)雜軟件的系統(tǒng)尤為重要。電動(dòng)汽車通常比高度集成的傳統(tǒng)汽車需要使用更多的分布式控制系統(tǒng)，規(guī)范不但考慮了復(fù)雜電氣和電子系統(tǒng)的安全性，還考慮了由于駕駛員（或其他人）不知道車輛處于活動(dòng)模式而導(dǎo)致的意外車輛移動(dòng)的可能性，下面將著重介紹電動(dòng)汽車可能會(huì)帶來得潛在功能安全隱患。例如，如果車輛在停車場一段時(shí)間內(nèi)靜止不動(dòng)，駕駛員可能會(huì)“忘記”車輛能夠運(yùn)動(dòng)。他們可能會(huì)在這種情況下離開車輛，或者可能會(huì)無意中發(fā)動(dòng)汽車。為了防止通過激活驅(qū)動(dòng)電路而意外移動(dòng)，必須有一個(gè)警告裝置，此外，在緊急情況下必須配備安全開關(guān)，在非正常移動(dòng)時(shí)能夠及時(shí)阻止事故發(fā)生；就控制器而言，來自外部或控制器的電磁干擾不得影響控制器的功能，這就需要設(shè)計(jì)高效的電磁隔離裝置；就動(dòng)力系統(tǒng)組件而言，它們應(yīng)具有很高的可靠性和一定的故障處理能力（容錯(cuò)能力）；因?yàn)楹芏嘞到y(tǒng)功能必須借助控制算法來實(shí)現(xiàn)，所以電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和管理方案（例如，電池管理和機(jī)器驅(qū)動(dòng)策略等）應(yīng)該完備可靠[20]。

UN Regulation No.100包含了涉及內(nèi)部駕駛員、乘客和外部行人安全的基本要求，具體地，該規(guī)范要求：

1）當(dāng)車輛處于主動(dòng)駕駛模式時(shí)，會(huì)向駕駛員提示；

2）離開車輛時(shí)，如果車輛仍處于主動(dòng)駕駛模式，則必須主動(dòng)通知駕駛員；

3）在充電期間，只要外部電源的插頭連接到車輛充電口，必須關(guān)閉電動(dòng)汽車的推進(jìn)系統(tǒng)以防止車輛非正常移動(dòng)；

4）針對(duì)系統(tǒng)故障，電動(dòng)汽車應(yīng)具有檢測和一定的容錯(cuò)能力，保證故障發(fā)生后汽車能安全行駛至安全區(qū)域；

5）系統(tǒng)組件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制/管理方案安全可靠，需經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試。

2.2 碰撞時(shí)安全規(guī)范

在碰撞發(fā)生后，電動(dòng)汽車的潛在風(fēng)險(xiǎn)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常使用時(shí)的狀態(tài)。UN Regulation No.94/95（參考GB/T31498）對(duì)電動(dòng)汽車碰撞安全做了詳細(xì)規(guī)范，其中關(guān)鍵的安全問題包括以下三個(gè)方面：電氣隔離，仿觸電安全、電池安全和余電泄放。

碰撞可能會(huì)危及電氣安全措施，并可能增加電擊危險(xiǎn)。例如，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣隔離（絕緣）可能會(huì)被破壞，使電路的正負(fù)極都與車身發(fā)生接觸，如果有任何人員觸碰車身，他們將成為高壓電路的一部分，遭受電擊傷害。因此，電動(dòng)汽車需要安裝在發(fā)生碰撞的情況下將儲(chǔ)能系統(tǒng)與高壓電路斷開的設(shè)備。該開關(guān)裝置要與安全氣囊碰撞檢測傳感器耦合，碰撞發(fā)生后，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與高壓電路的其余部分?jǐn)嚅_連接以減少碰撞期間和碰撞后的觸電危險(xiǎn)。此外，釋放存儲(chǔ)在高壓電力電子設(shè)備（例如直流母線電容器和牽引電動(dòng)機(jī)）中的能量對(duì)于防止電擊危險(xiǎn)也是必要的。

UN Regulation No.94規(guī)定了汽車正面碰撞性能的最低要求，它規(guī)定在正面碰撞的測試時(shí)，汽車的撞擊速度為56 km/h；UN Regulation No.95規(guī)定了汽車側(cè)面碰撞性能的最低要求，其規(guī)定在側(cè)面碰撞測試時(shí)，碰撞物的速度為50 km / h。在撞擊期間和撞擊之后，為防止乘員觸電，關(guān)于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電氣安全要求如下：

1）低電壓：碰撞后5～60 s內(nèi)，電壓低于30 VAC或60 VDC；

2）低電能：碰撞后5～60 s內(nèi)，能量低于0.2 J；

3）物理防護(hù)：滿足IPXXB級(jí)別保護(hù)，所有裸露的導(dǎo)電部件與底盤之間的電阻不超過0.1 Ω；

4）絕緣電阻：對(duì)于交流母線，絕緣電阻要大于500 Ω/V，直流絕緣電阻要大于500 Ω/V，交直流混合式母線絕緣電阻要大于100或500 Ω/V。

在沖擊試驗(yàn)后，要求必須至少滿足這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一。但是如果不滿足IPXXB的條件，則隔離電阻標(biāo)準(zhǔn)不適用，此要求是為了防止雖然車輛達(dá)到隔離電阻標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果車輛配備有在發(fā)生碰撞時(shí)將能量存儲(chǔ)系統(tǒng)與高壓電路其余部分分開的自動(dòng)裝置或者對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)電路進(jìn)行分隔的裝置，則需要滿足以上條件之一即可。

UN Regulation No.94和95還對(duì)碰撞過程中電池位移、變形以及電解液泄漏作了規(guī)定。根據(jù)電池的安裝位置不同，這些規(guī)范存在一定的差異：如果電池安裝在乘客艙內(nèi)，其整體必須保持在原安裝位置，電池組件的變形不能超出其邊界范圍，且電解液在碰撞中不允許有溢出現(xiàn)象；對(duì)于安裝在乘客艙外的電池，其任何部分都不能進(jìn)入乘客艙內(nèi)，電解液溢出率限制為7%。需要說明的是，這些規(guī)范并不只是對(duì)碰撞瞬間有效，而是在碰撞后的30分鐘內(nèi)，所有的要求都應(yīng)得到滿足，這對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體布局設(shè)計(jì)和安全防護(hù)等提出了很高的要求。

UN Regulation No.94和95旨在確保電動(dòng)汽車的電氣安全措施能夠在碰撞中起作用（至少達(dá)到碰撞試驗(yàn)等級(jí)），但其內(nèi)容仍在不斷的完善中，目前，仍然存在一些殘留風(fēng)險(xiǎn)需要得到重視，這些風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)如下[21]：

1）混合動(dòng)力汽車燃油泄漏

正面和側(cè)面碰撞法規(guī)允許傳統(tǒng)燃油汽車在碰撞試驗(yàn)后燃油（或替代品）從系統(tǒng)泄漏，但泄漏率限制為5·10-4kg / s（即30 g/min）。但是，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車而言，其高壓組件可能會(huì)產(chǎn)生電火花，并帶來火災(zāi)危險(xiǎn)。對(duì)混合動(dòng)力車輛采用更嚴(yán)格的燃油泄漏要求可能會(huì)降低碰撞和接觸高壓組件后由車輛燃油泄漏帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2）可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性

規(guī)范雖然對(duì)正面和側(cè)面碰撞測試期間可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的位移和變形做出了規(guī)定，但對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性沒有要求。充電式儲(chǔ)能系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)載可能導(dǎo)致短路甚至破裂，并可能引起火花，火災(zāi)和爆炸。

3）電解液泄漏極限

乘客艙外電池電解液溢出的規(guī)定極限值為7%，這對(duì)所有電池類型都適用。但是，目前尚不清楚該風(fēng)險(xiǎn)是否取決于電池化學(xué)物質(zhì)和所用電解質(zhì)的類型。因此，需要進(jìn)一步的研究使得能夠針對(duì)不同的電池類型提出更合適的限制要求。

4）翻滾中電解液溢出

如果電動(dòng)汽車在碰撞后發(fā)生翻滾，則泄漏的電解液量可能會(huì)增加。對(duì)翻滾后的電動(dòng)汽車應(yīng)采取與正面碰撞和側(cè)面碰撞不同的電解液泄漏限制條件，因此，在撞擊試驗(yàn)之后需要進(jìn)行滾動(dòng)試驗(yàn)以對(duì)電解液泄漏情況作出更加明確的規(guī)范。

3 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)汽車安全問題，本文從電動(dòng)安全問題根源和基于安全規(guī)范的電動(dòng)汽車問題兩個(gè)方面進(jìn)行了綜述。與燃油汽車不同，電動(dòng)汽車采用了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其部件往往工作在高壓、大功率條件下，其電氣安全成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，這也是電動(dòng)汽車安全問題的主要來源。根據(jù)聯(lián)合國電動(dòng)汽車安全規(guī)范UN Regulation No.94/95100，本文對(duì)電動(dòng)汽車的兩類安全問題（正常使用時(shí)的安全問題和碰撞后的安全問題）進(jìn)行了闡述，提高了普通大眾對(duì)電動(dòng)汽車安全問題的專業(yè)認(rèn)識(shí)程度，同時(shí)為電動(dòng)汽車安全技術(shù)研究提供了參考。