新能源汽车高压安全与防护技术

新能源汽车高压安全与防护技术

王双娥

中车时代电动汽车股份有限公司湖南株洲412007

摘要：随着人们环保意识的日益觉醒和环保法规的日益完善，国内外各汽车制造厂家不断推出新能源车型。相较于传统车型，新能源车型的驱动原理、结构组成、日常维护项目和内容都有很多差异，其中在动力储存、输出和传动过程中不可避免会出现高电压和大电流的情况。与此同时，高压零部件本身设计安全、高压原理及控制逻辑安全、高压绝缘安全、高压连接安全、高压绝缘安全、高压电气部件及线束布置等。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对新能源汽车高压安全与防护技术提出了一些建议，仅供参考。

关键词：新能源汽车；高压安全；防护技术；应用

引言

新能源汽车行驶的过程中，高压系统出现故障是很常见的问题，解决这类故障问题有效和便捷的途径，首先可以分析安全与防护问题，迅速确定故障的范围，再运用专业检测验证故障发生，进而采取措施及时处理，避免故障再次发生，提高汽车行驶的可靠性和安全性。

1、新能源汽车高压系统

1.1新能源汽车高压系统定义

一般认为B级电压系统为高压系统。带有B级电压的电动汽车即：

30≤V≤1000VAC

60≤V≤1500VDC

其中包括商用车与乘用车。

1.2储能系统

储能系统由很多动力电池模组组成，同时还包括电池管理系统（BMS）、动力电池箱以及辅助元件等，通过高低压插件实现同整车的连接。动力电池组为各系统提供能量，同时，动力电池组中的电池管理系统能够对电池组的状态进行实时监测，根据监测结果判断动力电池组是否存在异常，及时对动力电池组进行综合管理，并将电池状态及故障情况上传，以保证动力电池组的工作状态，延长使用寿命。

1.3驱动电机及电机控制器

目前常用驱动电机一般要求为结构紧凑、质量轻、高功率输出、高效率的永磁同步电机（PMSM），永磁铁被镶入转子中，旋转磁场和定子线圈共同作用产生转矩；电机旋变器被同轴安装在电机上，用来检测转子旋转的角度，此旋转角度发送给电机控制器；电机温度传感器检测电机定子内部的温度，此温度信息也发送给电机控制器。动力电池所产生的为直流电，而驱动电机所需为交流电，因此需要由电机控制器来实现这种直流电到交流电的转换。同时，电机控制器还会对电机的位置信号等信息进行采集，以实现对电机的精准控制。驱动电机控制器主要由IGBT模块、驱动板、控制板等部件组成。

1.4充电

新能源汽车动力电池组为高压直流电源，常用充电方式有直流充电及交流充电。充电座及相关控制等要求需满足GB/T18487.1、GB/T20234.1、GB/T20234.2、GB/T20234.3、GB/T27930、GB/T34657.2等标准要求。

1.5 其他辅助部件

目前商用车助力转向电机、空压机、整车空调、除霜、加热等一般也为高压供电，其中助力转向电机、空压机采用220V交流供电，整车空调、除霜、加热等为高压直流供电，与动力电池共电压平台，由整车控制单元对以上各器件进行控制，以达到节能高效及安全防护目的。

2、新能源汽车高压安全故障分析

对新能源汽车不同状态下的起火事故进行深度分析，以故障发生的车辆状态为出发点，即高压零部件本身设计安全、高压原理及控制逻辑安全、高压绝缘安全、高压连接安全、高压绝缘安全、高压电气部件及线束布置等。各失效模式又会间接或直接导致短路及过热问题，最后导致充电装置、动力电池或其他附件起火。相比其他起火情况，动力电池引起的火灾危险性更高，且不易灭火，并对环境造成一定的污染。新能源汽车全生命周期的车辆状态可以归结为正常行驶、非充电停放、碰撞、浸水和充电5种，经常出现且安全风险较高的为充电状态。车辆在充电过程中，可能导致事故的主要原因是不合理的充电行为，包括电池的过充和不符合要求的充电操作两个方面。其中过充会导致电芯损伤甚至失效，而电芯的失效可能会导致电池包整体密封失效甚至机械结构的破坏；同时可能会造成电芯模组间的短路、发热甚至燃烧，进而导致动力电池起火。充电操作方面，如果用户采用飞线方式充电，很可能发生插线板的功率不满足充电要求情况，此时因充电回路供电端电流承载能力不满足充电电流要求，会导致充电回路过热而起火。

3、新能源汽车高压安全与防护技术

3.1汽车电子电气高压系统的开发流程

ISO26262标准的应用贯穿了汽车电子电气系统的整个开发流程，包括功能设计、零部件开发以及量产等。该标准所涉及的内容主要是电子电气系统中的一系列功能性零部件，并在这些零部件开发及验证的过程中提供标准性要求。例如，在功能开发过程中，对功能的危害分析及风险评估需要在熟悉功能定义和逻辑的前提下进行，并且根据分析结果，得出功能安全目标及相关需求。在产品的研发过程中，该标准对安全活动的定义还结合了汽车行业广泛应用的V模型开发流程。通过该图可以清晰的看到，整个流程涉及到安全需求的分析、释放和验证，同时还包括系统的设计与集成。在进行供应商零部件开发时，对于系统层，软/硬件的开发和验证时，该流程同样适用。功能安全标准在车辆整个开发生命周期中起到的作用与质量管理体系存在相似之处，为降低由电子电气系统的功能异常表现引起的危害而导致不合理的风险，提供了参考和保障。

3.2 高压原理及控制逻辑安全

高压原理及控制逻辑安全应满足电动汽车安全指南、GB 18384.1、GB 18384.2、GB 7258等要求，同时需重点关注以下防护：

3.2.1高压上下电自动断电控制保护

整车的上电控制，一般应先低压上电，然后高压上电，且从车辆停止到行驶需至少经过两个动作。自动断电断路保护是指当遇到碰撞、过电流、绝缘不良、短路及高压电气回路不连续等特殊事件时，在无外界干预的情况下，自动切断高压电气回路，以保护电气系统及人员安全。通常，高压电气回路的切断是通过断路器等装置来实现，有些车辆设置有碰撞监测及保护功能，该功能通常由两种方法来实现，如下图所示。由下图可知，两种方法均是在车辆发生碰撞时，碰撞传感器发出信号，但方法1是将信号发送到主控控制装置，而方法2则是直接触发高压电气系统断路器，最终均达到切断高压电源的目的，以保护人员及电气系统安全。一般采用方法1，主动切断方式。

3.2.2电池热失控预警防护技术

这项技术主要目的是在发生热失控时能够提早预警，确保人员有足够时间逃生。通过对BMS实时监控数据和云端历史数据进行分析，建立完整的电池热失控预警模型，判断电池热失控的风险，通过人机界面（HMI）显示、车端预警、云端预警和主动防护控制措施，实现风险预警和处理，确保人员和车辆的安全。现一般要求需对动力电池状态进行24h监控。

3.2.3高压互锁控制策略

（1）故障警告。无论电动汽车处于何种状态下，对于关键部件，如高压互锁系统监测到危险，车辆应该对危险发出警告，如使仪表警告灯点亮或发出警告声提醒驾驶人员及时处理。（2）切断高压源。当电动车在停止状态、高压互锁系统识别到危险时，除了发出警告，还应告知相应控制器断开高压继电器，切断高压源，避免发生高压危险．（3）降功率运行。电动汽车在高速行驶时，高压互锁系统在监测到危险情况后，不能马上切断高压源，首先应先发出警告，然后让控制器降低电机运行的功率，让高压系统在小负荷下运行，降低发生高压危险的可能性。

3.2.4冗余设计及控制策略

对于整车运行关键部件，可考虑冗余设计及控制。如对于加速踏板的控制，一般需采集两路的模拟量，通过互相校核确认后才进行相应驱动控制；对于制动踏板，一般需同时采集踏板开度的数字量输出及模拟量输出，来进行相应制动控制；对于档位控制，一般采取CAN信号及硬线信号进行控制，优先采用CAN信号，当CAN信号失效时，采用硬线信息进行档位的判断；对于主回路及高压热负载的控制，一般采用双重保护措施，如高压正负极均设置保护继电器予以控制等。

3.3高压绝缘安全

新能源汽车应通过以下两种方式或其中一种来实现防护：

其一，通过带电部分的基本绝缘；

其二，通过遮拦或外壳，防止接近带电部分。

具体要求详见GB 18384.3，同时整车还需设计绝缘监控系统，可以实时监控高压正负极线束相对于车辆底盘的整车高压部件及附属设备的绝缘性能，此项设计对是高压电安全的核心系统，对乘员安全和车辆安全具有重要意义。各主机厂在新能源车型上都对绝缘监控系统进行了专门的设计和严格的验证。汽车维修从业人员必须掌握其工作原理和维修作业相关注意事项，这是从事新能源汽车维修工作的必要前提之一。

3.4高压连接安全

在传统车辆上，如果导线发生破皮等情况导致导线绝缘性能下降或发生短路故障时，维修技师可以通过使用绝缘胶带缠绕等方式进行维修。但新能源车辆高压电缆的绝缘要求远高于低压导线。所以，传统的通过使用绝缘胶带的方法无法满足其绝缘要求。因此，如果新能源车辆的高压电缆或连接器发生了损坏，对这些电缆及连接器一般不进行修复，而是通过更换新电缆或连接器来保证系统具有足够的绝缘强度指标。同时对于关键部件，一般需采用屏蔽双绞线及屏蔽连接器，且线缆屏蔽层应与连接器保证360°环接而非点接。

3.5汽车灯光控制系统

汽车灯光控制系统是新能源汽车中进行照明的重要系统，该系统主要由尾灯、雾灯、顶灯、危险警报灯、制动灯、牌照灯、倒车灯、转向灯、工作灯、示宽灯、前照灯等组成，并可通过电子线路及元件来实现这些灯光的有效控制。

3.5 高压电气部件及线束布置3.6电池热失控预警防护技术

这项技术主要目的是在发生热失控时能够提早预警，确保人员有足够时间逃生。通过对BMS实时监控数据和云端历史数据进行分析，建立完整的电池热失控预警模型，判断电池热失控的风险，通过人机界面（HMI）显示、车端预警、云端预警和主动防护控制措施，实现风险预警和处理，确保人员和车辆的安全。

3.7高压互锁系统控制策略

（1）故障警告。无论电动汽车处于何种状态下，只要高压互锁系统监测到危险，车辆应该对危险发出警告，如使仪表警告灯点亮或发出警告声提醒驾驶人员及时处理。（2）切断高压源。当电动车在停止状态、高压互锁系统识别到危险时，除了发出警告，还应告知相应控制器断开高压继电器，切断高压源，避免发生高压危险．（3）降功率运行。电动汽车在高速行驶时，高压互锁系统在监测到危险情况后，不能马上切断高压源，首先应先发出警告，然后让控制器降低电机运行的功率，让高压系统在小负荷下运行，降低发生高压危险的可能性。

3.8容错控制策略

（1）当只有一个轮毂电机出现失效故障时的控制策略：当只有一个轮毂电机出现故障时，自动断开故障轮毂电机的高压直流接触器，并将同轴的另一侧轮毂电机的高压接触器也断开，则该侧车轮变为从动轮，高压配电系统只对另外两个轮毂电机进行控制，此时车辆驱动形式为两轮驱动，为保证车辆行驶的安全性，并对车辆进行限速。（2）当两个轮毂电机驱动系统出现失效故障时的控制策略：①当发生故障的轮毂电机为同轴电机，自动断开故障轮毂电机的高压直流接触器，高压配电系统只对另外两个轮毂电机进行控制，车辆仅由另外两个轮毂电机驱动行驶，进入两轮驱动模式，故障轮毂电机则变为从动轮，为了保证车辆行驶过程中的安全性，并对车辆进行限速。②当发生故障的轮毂电机为异轴同侧电机，高压配电系统断开相应的故障轮毂电机的高压直流接触器，只对另一侧的两个轮毂电机进行控制；限制驱动轮毂电机的输出功率，对最高车速加以限制。③当发生故障的轮毂电机为异轴异侧，此时高压配电系统断开相应的故障轮毂电机的高压直流接触器，只对另外两个轮毂电机进行控制，同时对车辆进行限速。（3）当三个轮毂电机驱动系统出现失效故障时的控制策略：高压配电系统断开相应的故障轮毂电机的高压直流接触器，车辆进入紧急行驶模式，并限制驱动轮毂电机的输出功率，并对车辆进行限速。通过电流预测，提前主动断开继电器，将避免熔断器的烧毁，提高系统的可靠性；在提前主动断开继电器的同时，依据配电柜状态将故障传递给整车控制器，根据制定的控制策略进行容错控制，进一步提高系统的安全性。

新能源汽车高压电气部件布置一般有如下规则:

使高压线束尽可能短，以节约成本同时减少电磁干扰；

高低压部件及线束分开布置，如无法避免，需进行相应隔离防护，如高低压线束交叉垂直布置等；

交直流分开布置，对于电机三相线束，宜采用绞接布置方式，对于电机与电机控制器，一般要求两者间的高压线束长度尽可能短，以减少电磁干扰；

高压电气部件及相应控制器应保证外壳与车身地有良好接触等。

结束语

总之，新能源汽车要打开市场，获得消费者的青睐，首要任务即需要解决该系统当前存在的一系列问题，提高其安全性能。通过全方位的监控和保障，新能源汽车电控系统产品的技术与安全性能均有了明显的改善。

参考文献

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