引言
日益严峻的能源短缺和环境污染问题，世界各国共同承诺节能减排，由于电动汽车的优势特点，成为各国汽车行业未来发展的方向，电动汽车由动力电池的驱动电动机为汽车产生动力，取代了传统汽车的油箱和发动机，而电动汽车中电压可达到上万伏，然而安全电压的直流电压不超过60V，交流电压不超过25V，因此电动汽车不仅对车载高压电安全管理系统有更高的要求，对电动汽车检修安全也提出了新知识和技能的要求，
1纯电动汽车电气系统安全分析
低压电气系统采用12V供电系统，除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外，还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电；高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等；CAN总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。纯电动汽车电压和电流等级都比较高，动力电压一般都在300～400V（直流），电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。有关研究表明，人体电阻一般在1000～3000Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关，在干燥、洁净及无破损的情况下，可高达几十千欧，而潮湿的皮肤，特别是受到操作的情况下，其电阻可能降到1000Ω以下。由于我国安全电压多采用36V，大体相当于人体允许电流30mA、人体电阻1200Ω的情况。所以要求人体可接触的电动汽车任意2处带电部位的电压都要小于36V。根据国际电工标准的要求，人体没有任何感觉的电流安全阈值是2mA，这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候，流经人体的电流应该小于2mA才认为整车绝缘合格。因此，在纯电动汽车的开发过程中，应特别考虑电气系统绝缘问题，严格按照电动汽车相关国标标准要求设计，确保绝缘电阻能够满足人身安全需求，保证绝缘电阻值大于100Ω/V。
2碰撞高压安全控制系统设计
2.1整车动力系统
整车动力系统主要包括整车控制器(VCU)、动力电池及管理系统(BMS)、电机及控制系统(MCU)、DCDC电压转换器、电动空调、PTC、车载充电系统等。整车控制器(VCU)作为纯电动汽车整车控制单元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是实现系统功能的重要保障。纯电动汽车存在的安全风险包括高压系统短路、高压系统绝缘故障、高压系统脱落、高压充电风险、扭矩输出风险。根据这些风险，电动汽车开发工程中要设计的安全系统包括维修安全、碰撞安全、电气安全、功能安全等。
2.2整车控制器碰撞断电系统架构
整车控制器碰撞断电系统主要由碰撞传感器、VCU、其他控制单元CAN信号、主负继电器执行机构、电机控制器执行机构、组合仪表执行机构等组成，系统简图如图5所示。控制系统运行过程中，VCU除了接收碰撞传感器的输入信号外，还需通过CAN总线从其他控制单元获取输入信号。该信号主要包括从安全气囊控制器获得的安全气囊起爆信号、从电池管理系统(BMS)获得的主正继电器断开信号等。VCU对输入信号进行分析、判断并做出决策，然后向继电器、组合仪表、电机控制器发送控制指令，由执行机构断开主负继电器，电机控制器进行高压回路放电，组合仪表显示故障信息，从而实现纯电动汽车碰撞高压安全的系统保护。
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3电动汽车上的高压用电安全设计
3.1高压绝缘防护设计措施
电动汽车的高压电气设备，两个接线端和连接线束与电气设备的外壳，外壳与车身之间都设置有绝缘电阻。高压部位直接对车身的绝缘失效，母线正极对车身的绝缘电阻值变小，若当人体接触到负极母线时，通过人体的电流恰好超过了安全电流限值，就会发生电击事故。针对该问题采取的措施，主要通过基本绝缘、辅助绝缘和双重绝缘保护来实现。双重绝缘保护能够有效的减少人员的触电事故，但是这种做法会大大增加成本。高压部位对设备外壳的绝缘失效，如果人体一端接触漏电的电气外壳，另一端接触高压母线负极，即使人体与车身之间是绝缘的，仍然会有电流流过人体，很有可能造成间接的电击。为了避免此类问题的发生，人体可能直接触及的外壳必须达到IPXXD防护等级的标准。
3.2统监控用电的安全防护措施
由于汽车上工作环境复杂，线路老化或绝缘破损等都可能产生人员触电、线路漏电及短路等危险，所以在用电安全方面，不仅采取基于设备自身的防护措施，还需要采用一些高压电气系统的防护措施，如保护接地和保护接零、等电位联结、电气隔离、熔断、自动断路和手动断开等。结合不同用电设备特点采用不同的防护措施，如保护接地和接零一般都是电击的防护措施，通过对电气设备外壳接地或与电网零线连接，当出现漏电现象时对人员进行安全保护，保护接零还可以通过短路装置或熔断器实现切断电源，实现对人员的电击防护。电气设备外壳主要是等电位联结指将直流电气设备外壳与车辆底盘直接连接，使得设备外壳和车身为相同电位，避免人体遭受电击。电动汽车充电系统中最常用的电气隔离方法是通过交、直流隔离的充电机实现的。
3.3高压部件和高压线束的防护与标识设计
高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件，如电机及其控制系统、电动空调系统、DC/DC电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口，都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识，以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束，为提示和警示用户和维修人员，高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色，起到警示作用，并且所选高压连接器应达到IP67防护等级。
3.4压接触器触点状态检测
为实现纯电动汽车的控制功能和高压电路的可自行切断保护功能，在电动汽车的高压系统中必须配置可控制的并且有自我保护切断高压回路功能的高压接触器。根据整车设计的需求，任何电动汽车在动力主回路中都会配置高压接触器，如果高压接触器触点发生闭合或断开失效时，没有相应的正确处理方式应对，将有可能引起不正常的控制而造成汽车不能正常启动或不能启动。严重的情况下，将会给汽车和人身安全造成危险。鉴于上述问题的严重性，应对高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控，并对故障进行处理。当高压接触器触点发生闭合或断开失效故障时，高压管理系统会发出声光报警，以提示操作人员并根据故障的级别控制汽车是否可进行其他操作。
结语
安全性是汽车各项性能指标中最基本、最重要，也是最难的一项工作，而高压电安全又是电动汽车领域最重要的一项课题，可谓任重道远。本文抛砖引玉，希望能为高压电安全设计提供一些借鉴。
参考文献
[1]傅荣杰.纯电动汽车高压电气安全管理与时间延时研究[J].变频器世界，2012（2）：110-114.
[2]裴春松.纯电动汽车电安全分析与设计[J].客车技术与研究，2012（1）：20-22.
论文作者:王成成
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
标签：高压论文; 电动汽车论文; 系统论文; 人体论文; 接触器论文; 控制器论文; 整车论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;