中國純電動汽車設(shè)計有待改進

傅世樞

（正道汽車公司，遼寧 沈陽 110013）

1 純電動汽車安全的重要性

1.1 純電動汽車綜合工況要求

安全性是汽車商業(yè)化生產(chǎn)的首要前提條件，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車不同，純電動汽車的安全性除車輛碰撞乘員安全性有嚴格的要求外，還特有高壓防護和防電磁輻射兩項要求。

與混合動力汽車不同，純電動汽車充電后在一定車速下的續(xù)駛里程，由車載鋰離子動力蓄電池組的容量決定，最高車速則由驅(qū)動電機額定功率決定。對純電動汽車的動力性、經(jīng)濟性的綜合要求是：在60 km／h的平均車速下，其綜合工況續(xù)駛里程必須達到150km的要求，這就決定了純電動汽車的車載動力鋰離子蓄電池組必須是大容量的。根據(jù)歐姆定律

式中：P——純電動汽車驅(qū)動電機消耗的電功率；U——驅(qū)動電機的端電壓，I——驅(qū)動電機的額定電流，cosφ——高壓電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。

而驅(qū)動電機的熱損耗Q=I2R，R為驅(qū)動電機的電阻。為使Q降低，就必須使通過各用電器的電流I減小，因此在驅(qū)動功率一定的情況下，就必須提高電力系統(tǒng)的電壓。日本的純電動汽車通常在330 V以上，混合動力汽車通常為650 V，德國奔馳公司最近開發(fā)出的奔馳C級純電動跑車的驅(qū)動電機額定電壓卻高達800 V（德國人的理由是：對于現(xiàn)代電工材料，800 V與650 V屬于同一絕緣等級?。??？梢?，純電動汽車的車載動力電池組必須同時具有高壓和大容量 （FSV車為32～35kWh），從而大大增加了純電動汽車的危險性。因此對于純電動汽車，可靠性和安全性便成為第一位重要評價指標。

1.2 NHTSA試驗現(xiàn)狀

正是由于純電動汽車和插電式混合動力汽車的安全性越來越成為人們關(guān)注的焦點，所以美國國家高速公路交通安全管理局NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）從2011年5月12日起，對目前在美國市場銷售的13種電動汽車 （包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和普通混合動力汽車），根據(jù)國際標準ISO TC22 SC21和歐盟標準IEC TC69的要求，以及美國關(guān)于碰撞安全性的新車評估規(guī)程US NCAP的4～5星級要求和美國聯(lián)邦機動車安全標準FMVSS，包括：①FMVSS 208（前撞）；②FMVSS 214（可移動障壁側(cè)撞和圓柱側(cè)撞）；③FMVSS 301（后撞）；④FMVSS 305（電動車輛—電解液濺出及電機保護、電動汽車的電絕緣，該標準中有對蓄電池組泄露量限值要求和動力蓄電池組的儲存壽命以及對高壓電絕緣的要求）。NHTSA按上述各種標準和有關(guān)安全性的新車評估規(guī)程，各自進行9項碰撞安全性試驗。

2011年NHTSA先后對美國通用雪佛蘭 （Chevrolet）沃藍達 （Volt）牌增程式混合動力汽車和日產(chǎn)葉子（Leaf）牌純電動汽車，按上述標準和規(guī)程進行了各9項碰撞安全性試驗，并于2011年11月25日發(fā)表了對上述兩種汽車的 《安全性調(diào)查報告》。該 《報告》稱：對Volt進行了各種碰撞測試，試驗后被試車在停車場存放3周后，出現(xiàn)起火，火災燒毀了汽車，火災源于車內(nèi)，蓄電池組破損、冷卻液滲漏 （請注意，不是電解液!），電路短路。其實NHTSA本意是模擬真實環(huán)境中的碰撞，未料到會導致起火。為確認Volt車碰撞后起火是源自鋰離子蓄電池組受損，NHTSA于Volt牌增程式電動汽車的 《安全性調(diào)查報告》發(fā)布前一周，再次對Volt進行側(cè)撞試驗。在這次試驗中共使用3輛Volt車，結(jié)果由于蓄電池組損傷造成兩輛被試驗車起火，碰撞失火概率高達66.7%。通用沃藍達 （Volt）牌增程式電動汽車的動力蓄電池組是由韓國LG Chem.公司提供的，于是引起通用與LG Chem.的麻煩，而通用也不得不從2012年1月起，停產(chǎn)5個月進行整頓，對已售出的Volt回收，以現(xiàn)有傳統(tǒng)車供用戶免費替用。值得注意的是，日產(chǎn)葉子 （Leaf）車卻順利過關(guān)。據(jù)報道，NHTSA 2012年已開始對剩下的11種電動汽車繼續(xù)進行試驗。

1.3 中國純電動汽車安全性要求狀況

中國現(xiàn)已實施的 《純電動乘用車技術(shù)條件》（以下簡稱為 《條件》）和2012年3月發(fā)布的 《電動汽車科技發(fā)展 “十二五”專項規(guī)劃》（以下簡稱為《規(guī)劃》）卻對純電動汽車的特殊安全性，特別是對動力蓄電組高壓防護絲毫未提及，只是支言片語地提到 “安全性”。尤其令人不解的是，本來任何種類現(xiàn)代汽車總是由動力總成、底盤、車身和車載網(wǎng)絡(luò)四大總成組成，可是 《規(guī)劃》卻以 “三橫”替代，卻偏偏不含對車輛安全性和空車品質(zhì)至關(guān)重要的車身總成。 “動力蓄電池組”雖然在 《規(guī)劃》中被列在 “三橫”中，但卻并未對其總成提出要求，尤其是未對 “不得使用含有易燃的有機電解液”作出規(guī)定， 《條件》也未對各種檢驗和試驗提出強制性要求，更沒有對動力蓄電池組的總成形式和它在車身總成中的安裝部位做出規(guī)定。

深圳 “5·26”交通肇事后，比亞迪不是認真檢查本企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，尋找改進措施，而是急急忙忙發(fā)表公告，聲稱e6符合國標，肇事屬極端特例。換句話說，比亞迪e6是完全符合國標的，現(xiàn)在即使有問題也是國標有問題，與比亞迪無關(guān)；尤其令人不能容忍的是某些 “專家”竟以美國通用Volt牌增程式混合動力汽車也發(fā)生過起火事件來說事，其邏輯是：連美國電動車都著火，比亞迪e6失火當在情理之中。

2012年5月在美國舉辦的 “電動汽車安全技術(shù)學術(shù)討論會”上，日本日產(chǎn)大談成功經(jīng)驗，日本網(wǎng)民更是在博客Tweet上寫道：韓國－著火，中國－爆炸，日本－成功。

1.4 純電動汽車設(shè)計改進與目標

從2010年12月開始在美國生產(chǎn)、銷售的日產(chǎn)葉子 （Leaf）牌純電動汽車，是當今世界上已量產(chǎn)，整車和各主要總成的設(shè)計、制造均較成功的一款A級純電動轎車。它不僅能滿足國際標準ISO TC22 SC21和歐盟IEC TC69的要求，而且能滿足美國關(guān)于碰撞安全性的新車評估規(guī)程US NCAP的4～5星級要求和美國聯(lián)邦機動車安全標準的各項法規(guī)要求?？傊?，從產(chǎn)品設(shè)計和制造角度來看，日產(chǎn)葉子 （Leaf）車不愧是當今世界純電動汽車的第一個樣板車。

根據(jù)純電動汽車未來發(fā)展要求，從2008年起，世界主要國家 （包括中國）的各大鋼鐵公司和汽車研發(fā)機構(gòu) （共17個單位）共同立項，研發(fā) “下一代鋼制環(huán)境適應(yīng)汽車FSV（Future Steel Vehicle）（主要是各類電動汽車）”。該項目分為兩個階段，見表1。

表1 FSV鋼制環(huán)境適應(yīng)汽車的兩個階段

FSV項目的研發(fā)人員基于國際標準ISO TC22 SC21和歐盟IEC TC69標準以及美國各種電動汽車法規(guī)，以車身輕量化，提高車身碰撞安全性和降低制造成本為目標，從2008年起，歷時2年，至2010年一季度，已完成了項目第1階段目標，取得重要成果。FSV項目第1階段樣車FSV I的基本規(guī)格見表2。

筆者在剖析Leaf和FSV I兩車以及現(xiàn)已量產(chǎn)的三菱i－MiEV牌純電動汽車的基礎(chǔ)上，與比亞迪e6車相應(yīng)結(jié)構(gòu)進行比較，找出差距，從而明確中國未來純電動汽車開發(fā)普及，必須建立在具有牢固的安全性防護高壓蓄電池組基礎(chǔ)上。

2 總體設(shè)計／總布置設(shè)計

與傳統(tǒng)汽車的安全性要求不同，純電動汽車在碰撞后存在如下幾點安全隱患：①車輛碰撞時造成車輛損壞，導致乘員機械傷亡 （必須采用各種主、被動安全裝置系統(tǒng)進行防護）；②電力系統(tǒng)的各部件高壓絕緣防護罩、絕緣護套損壞，引起漏電使乘員因直接或間接觸電而傷亡；③高壓動力蓄電池組碰傷或損壞，造成高壓電池組內(nèi)部短路或漏液而過熱、發(fā)煙、失火，或是由于過充電造成過熱，而發(fā)煙、著火；④電力系統(tǒng)的屏蔽損壞而造成嚴重的電磁輻射。總之，純電動汽車碰撞后會造成二次事故，更須防護，碰撞安全概念如圖1所示。由于純電動汽車的高壓電力系統(tǒng)的電壓高達330～345 V／650～800 V，即使沒有發(fā)生碰撞，也必須進行高壓絕緣防護和相應(yīng)的防電磁輻射屏蔽要求。

表2 FSV I樣車的技術(shù)規(guī)格

綜上所述，純電動汽車的安全性要求是全方位安全性防護要求。在進行純電動汽車的總體設(shè)計時，必須首先考慮純電動汽車的上述特殊安全性要求。

2.1 乘客座艙與動力蓄電池組以鋼板分離

進行純電動汽車的車輛總體設(shè)計時，必須確保發(fā)生碰撞時乘客座艙內(nèi)的乘員不與高壓電力系統(tǒng)（包括動力蓄電池組）接觸，為此，必須將所有高壓電力系統(tǒng)及系統(tǒng)中的各高壓電部件均布置于車身底板下。還要保證當發(fā)生碰撞時，高壓電力線束不被夾住。圖2為三菱i－MiEV牌純電動汽車的動力蓄電池組在車身中的安裝情況。

只有將乘客座艙與動力蓄電池組以鋼板分離開來，才能確保乘員生命安全。退一步說，即使蓄電池出現(xiàn)短路起火，乘員也可通過早已開鎖的車門逃離到車外，保住生命。日產(chǎn)Leaf、三菱i－MiEV兩車都是將兩者分開的，如圖3所示。

問題在于：國內(nèi)許多電動汽車的設(shè)計并未考慮這一簡單有效的乘員安全防護措施。

2.2 蓄電池組裝于車身中的最安全部位

蓄電池組安裝的最安全部位在車架的兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后，在很大程度上可減輕或防止來自前、后、左和右方的碰撞造成的損傷。

FSV車的蓄電池組最初設(shè)計呈T字形，配置于后橋上在2個車輪之間和排氣管通道之間。后經(jīng)仿真碰撞試驗證明電池組在碰撞時，可能受損，于是將其改為I字形，置于排氣管通道位置。從而滿足了車架的 “兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后”的要求，如圖4所示。

日產(chǎn)Leaf車的總體布置同樣遵守了 “蓄電池組安裝在車架的兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后”這一原則，如圖5所示。

比亞迪e6蓄電池組的安裝部位，如果也能滿足上述原則，即使發(fā)生后撞，那么最先遭受撞擊的是后保險杠－車架－備胎，其次是帶車輪的后橋，沖擊能量遭到很大削減后，才會傳到蓄電池組。因此e6即使遭到撞擊起火，由于時間短，有機電解液泄漏量不夠多，也不至于在數(shù)秒時間內(nèi)產(chǎn)生熊熊大火，致使乘客座艙內(nèi)的乘員無暇逃離。

2.3 總體設(shè)計中必須考慮高壓電力系統(tǒng)的安全防護

眾所周知，人體安全電壓值為36V。高電壓是指直流電的工作電壓值為60～1 500 V；交流電的工作電壓值為30～1 000 V。高壓電力系統(tǒng)是指工作電壓值在上述范圍內(nèi)的高壓電部件和電力線束以及插接件。純電動汽車和混合動力汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)的工作電壓：直流電的電壓值普遍超過300 V，交流電的工作電壓，則達345～800 V，這就是說純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的電力系統(tǒng)是高壓電力系統(tǒng)。

世界主要高壓電安全法規(guī)如表3所示。

表3 世界主要高壓安全防護法規(guī)

2.3.1 直接接觸保護 （Protection against electric shock）

在純電動汽車中，乘員直接觸及蓄電池組和其他高壓電力系統(tǒng)的部件 （包括DC／DC升壓器、DC／AC逆變器、主線束／高壓絕緣屏蔽電力電纜以及插接件）會導致觸電，因此它們均需具有保護外套／障壁 （包括橡膠絕緣、金屬網(wǎng)屏障及塑料封閉外殼等）防護，避免乘員直接觸及。最為重要的是上述保護裝置不得在未使用工具的情況下被打開、拆開或移除。而確認檢驗部位是否符合直接接觸防護的做法，是用表4所示各類試驗探頭和試驗探針來確定的。

表4 檢驗部位、保護等級和試驗探頭式樣

除客艙和行李廂外，IPXXB測試探頭不可接觸帶電體；在客艙和行李廂內(nèi)，應(yīng)確定使用IPXXD試驗探頭，并且不可接觸帶電體。

2.3.2 間接接觸保護 （Protection against indirect contact）

在電絕緣的高壓電路 （包括動力蓄電池組、高壓電部件和高壓電力主線束以及插接件），在正常情況下，它們都是由障壁、保護外套、保護罩隔離的，車輛乘員觸及不到它們?？墒窃陔娊^緣的高壓電路由于故障，例如發(fā)生碰撞或是由于某種外來沖擊，使上述外套、護罩所保護的帶電體漏電時，那些高壓電部件會與車身間產(chǎn)生危險的電位差。為此必須將障壁、護套或護罩的裸露部分連接到低阻抗的帶電底盤／車身，以使它們具有相同電位。因為與人體相比，帶電的底盤／車身與高壓部件間的電阻要低得多，所以幾乎沒有電流通過人體。三菱i-MiEV純電動汽車的車載動力蓄電池組與底盤／車身就是連接在一起的，如圖6所示。

為確保間接接觸保護性能，當電流大于0.2 A時，所有外露可導電部件與車身／底盤間之電阻值必須低于0.1Ω。

為滿足直接接觸保護和間接接觸保護要求，三菱i-MiEV牌純電動汽車的高壓電力系統(tǒng)安全措施整車結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3.3 確保絕緣阻抗 （Isolation resistance）

由于動量轉(zhuǎn)換裝置或其他電器裝置的影響，使高壓電路與帶電底盤／車身 （電路系統(tǒng)參考電位）間無法完全斷開。為確保乘員安全，必須確保高壓電力系統(tǒng)與車身之間絕緣阻抗大于法規(guī)值：①對于直流電源的電力主線束處于工作電壓時應(yīng)至少為100Ω／V（如三菱i-MiEV純電動汽車的驅(qū)動電池組額定電壓為330V，因此其絕緣電阻必須超過33kΩ）；②對于交流電源的電力主線束處于工作電壓時則至少為500Ω／V。

不論是直接接觸導致的乘員觸電，還是間接接觸導致的乘員觸電，乘員的人體都必須被防護，所以在純電動汽車上必須設(shè)置漏電檢測系統(tǒng)。當人體與高壓電力系統(tǒng)中的部件存在電位差，可能形成閉合回路時，就會危及乘員的人身安全。所以必須避免形成上述閉合回路。為此必須監(jiān)控高壓電系統(tǒng)部件與帶電底盤／車身間的絕緣電阻，當電阻值呈現(xiàn)低下時，漏電檢測系統(tǒng)必須向用戶發(fā)出警報。三菱i-MiEV牌純電動汽車的漏電檢測系統(tǒng)的原理如圖8所示。

3 純電動汽車的專用車身

3.1 車身必須對動力蓄電池組形成多重防護

由于純電動汽車的被動安全性在很大程度上取決于對動力蓄電池組的防護程度，所以，純電動汽車的車身除與傳統(tǒng)汽車同樣有對乘坐人員安全性保護外，更為重要的是對動力蓄電池組的防護。為了最大限度地防止車輛在碰撞時對動力電池組造成損傷，因此在設(shè)計、開發(fā)純電動汽車的車身時必須采用多重防護結(jié)構(gòu)。如圖9所示，日產(chǎn)葉子 （Leaf）牌純電動汽車的蓄電池組多重防護車身設(shè)計具有示范意義。

為確保電池組的結(jié)構(gòu)在發(fā)生側(cè)撞時足夠堅強，三菱i-MiEV牌純電動汽車在蓄電池組的下部設(shè)置4根橫梁，如圖2a所示。

此外，三菱i-MiEV牌純電動汽車在其車身側(cè)圍和蓄電池組之間具有良好的變形空間，發(fā)生側(cè)撞時可充分吸收碰撞能量，如圖10所示。

幾乎可以肯定地說，比亞迪e6純電動汽車車身如果也具有上述對蓄電池組的防護作用，就絕不會發(fā)生 “5·26”交通肇事那樣的車毀人亡后果。

3.2 白車身質(zhì)量減輕35%以上

在確保乘員和動力蓄電池組安全與E動力總成最佳配置的前提下，白車身質(zhì)量較同級傳統(tǒng)汽車輕35%以上。

由于各國在短期內(nèi) （2015年以前）無望提高鋰離子蓄電池組的單位質(zhì)量的能量，因此，要確保續(xù)駛里程就必須減輕白車身質(zhì)量，否則就必須加大蓄電池的容量，這就不僅會導致空車質(zhì)量加大，更為嚴重的是會加大著火危險，而且會造成電池組成本進一步增加。

筆者將另文詳細介紹純電動汽車專用車身輕量化、抗碰撞和高壓電防護的開發(fā)設(shè)計問題。

4 E動力總成的安裝部位和安裝形式

純電動汽車的E動力總成在車身中的安裝部位和安裝形式的最佳化，對于整車性能，特別是安全性具有重要意義。如同傳統(tǒng)車的動力總成安裝在一個輔助副車架上，日產(chǎn)Leaf車的E動力總成 （包括驅(qū)動電機+5CVT金屬帶式無級變速器+蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+高壓絕緣屏蔽電力線束／電纜）也安裝在一個副車架上，具有鋁合金壓鑄件外殼的逆變器安裝在驅(qū)動電機上方的骨架上。而E動力總成均安裝于前端骨架中，因而得到可靠防護。如圖11、圖12所示。

日產(chǎn)Leaf牌純電動汽車的高壓動力主線束外部由絕緣護套保護，處于車身底板下的動力電池組、電壓高達345 V的驅(qū)動電機、DC／AC逆變器均被前圍與乘客座艙隔開，從而確保了乘員安全。如圖13所示。

5 動力蓄電池組總成

在純電動汽車中，動力蓄電池組就相當于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車中的燃料。燃料需要容器——燃油箱，那么動力蓄電池組也同樣需要容器。在傳統(tǒng)汽車的總布置設(shè)計中，燃油箱在車身中的安裝是有嚴格要求的：不論遭受來自哪個方向的撞擊，只允許燃油箱旋轉(zhuǎn)，絕不允許燃油箱變形。這一要求同樣也適于純電動汽車的動力蓄電池組總成 （含動力蓄電池組Pack+動力蓄電池組支架+動力蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+封裝動力蓄電池組容器）。日產(chǎn)葉子車動力蓄電池組總成容器外形如圖14所示。

日產(chǎn)汽車公司正是根據(jù)上述思路，為Leaf車的動力蓄電池組設(shè)計了相應(yīng)的零部件，在總裝車間的動力蓄電池組總成的分裝線被裝配成”肥皂盒型”的分總成／部件 （見圖15），當整車總裝配時使用剪式升降車進行安裝，如圖16所示。

動力蓄電池組總成具有水密性，不透水，因此即使車輛淺涉水也會確保乘員安全。試驗的時間規(guī)范為1h，見圖17。

Leaf車的動力蓄電池組及電力主線束和BMS電池組管理系統(tǒng)均封裝在具有水密性的容器中，不僅動力電池組和高壓電系統(tǒng)得到可靠的防碰撞安全性，避免動力蓄電池組及高壓電力系統(tǒng)因碰撞造成的二次事故，而且可確保Leaf車的淺涉水安全性。如圖18所示。

在Leaf車中，動力蓄電池組和電力主線束以及電池組管理系統(tǒng)均安裝在具有水密性的由鋼板沖壓制成的 “蓄電池組容器”中，不僅能確保車輛發(fā)生碰撞時，動力蓄電池組、電力主線束和BMS系統(tǒng)不受損傷，而且可確保雨天行駛和一定深度的淺涉水行駛的安全性。

將動力蓄電池組安裝在 “容器”后，進行前偏置碰撞試驗。碰撞后的車輛前端雖已破損 （圖19a），可是動力蓄電池組卻毫發(fā)未損 （圖19b），因此絕不會引起火災。

三菱i-MiEV牌純電動汽車的動力蓄電池組、主線束和接觸器以及各類傳感器均安裝于骨架中 （圖20a），再裝配上蓋，也形成一個具有水密性的”肥皂盒”型鋰離子蓄電池組總成，抗沖擊、防碰撞，避免電池組內(nèi)部短路，避免失火。

6 碰撞時高壓電斷開系統(tǒng)

純電動汽車在總體設(shè)計和車身設(shè)計階段不僅要充分考慮發(fā)生碰撞后避免乘員和救護者觸電，而且還要在檢測到遭受碰撞后，立即將高壓電部件和蓄電池組斷開，以切斷發(fā)煙、失火的禍患根源。

純電動汽車在車身前、后端和左、右兩側(cè)均安裝有碰撞傳感器，當碰撞強度水平超過一定強度值（指加速度值）時，車內(nèi)的EV-ECU單元便會發(fā)出指令，通過接觸器使動力蓄電池組內(nèi)的高壓電回路斷開。三菱i-MiEV牌純電動汽車搭載的封裝在蓄電池組總成內(nèi)的高壓電部件斷開系統(tǒng)圖如圖21所示。

圖21中，SRS-ECU由中央安全氣囊傳感器、點火控制驅(qū)動電路、安全傳感器、備用電源、診斷電路、記憶電路和安全電路組成，用于接收前氣囊碰撞傳感器輸入的信號，判斷是否需要引爆氣囊充氣，并對SRS系統(tǒng)具有故障診斷功能。EV-ECU包含如下功能：①動力電池管理系統(tǒng)；②高壓電控制系統(tǒng)；③續(xù)駛里程控制系統(tǒng)；④牽引力控制系統(tǒng)；⑤平滑起動控制系統(tǒng)；⑥動力蓄電池容量推測系統(tǒng)；⑦再生制動控制系統(tǒng)；⑧節(jié)能控制系統(tǒng)。

Leaf車電力系統(tǒng)的高壓電斷開系統(tǒng)的方框圖如圖22所示。當車輛發(fā)生碰撞時，安裝于蓄電池組上碰撞系統(tǒng)中的A／B傳感器工作，通過車輛控制模塊VCM，切斷接線盒J／B中的主繼電器RLY，從而實現(xiàn)動力蓄電池組的高壓電防護；當檢測、校準電力系統(tǒng)時，需接通主繼電器，以便全面檢測、校準系統(tǒng)正常工作參數(shù)；當維修、保養(yǎng)蓄電池組的各電芯、電堆 （共96處）和電池組的總電壓時，需使用維修保養(yǎng)斷開連接開關(guān)SD／SW。使用車載充電器還是外接快速充電器進行充電，只需通過操作相關(guān)繼電器即可。

7 局域網(wǎng)與電力、電子系統(tǒng)

純電動汽車的局域網(wǎng)LAN（24V弱電系統(tǒng)）必須與動力蓄電池組所屬電力驅(qū)動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相連接，其主控制單元HU必須與通信單元CU連接，而專門設(shè)置的通信單元不僅可通過無線電方式：全球定位儀GPS、伽利略衛(wèi)星通信系統(tǒng) （Galileo-使用SIS信號）、多頻音發(fā)生器UMTG（Universal Multifrequency Tone Generator）、3G、4G和車載通信／專用短程通信／窄域通信DSRC（Dedicated Short Range Communications，主要用于高速公路交通管理）實現(xiàn)通信，而且還具有與電力驅(qū)動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的接口，實現(xiàn)對電力驅(qū)動系統(tǒng) （特別是對蓄電池組）的控制。

純電動汽車雖然沒有自診系統(tǒng)OBD II，但必須使充電電纜與外部電源直接進行通信聯(lián)系。Leaf車的LAN拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。三菱i-MiEV純電動汽車的電力、電子系統(tǒng)原理圖如圖24所示。

8 動力蓄電池組檢驗試驗

動力蓄電池組的每個電芯在組成電堆前，必須在線逐個進行試驗檢測，同時還要對電堆進行各類檢驗、試驗。更為重要的是動力蓄電池組在安裝之前、之后還要進行各種安全性檢測與試驗。不同的企業(yè)所進行的試驗項目不同，但有些試驗項目卻是共同的。

1）韓國LG.Chem.公司所進行的電芯出廠檢驗試驗 （表5）。

表5 韓國LG.Chem.公司對電芯進行的出廠檢驗試驗

2）三菱i-MiEV牌純電動汽車所進行的電芯（東芝公司產(chǎn)品SCiBTM）壓碎檢驗試驗 （圖25）。

3）三菱i-MiEV牌純電動汽車進行的與鋰離子動力蓄電池組安全性有關(guān)的試驗項目如表6所示。

4）日本NEC公司對電芯所進行的試驗 （圖26）。

5）總裝工藝過程中有關(guān)電力系統(tǒng)安全性的檢驗工序。

為確保純電動汽車的高壓電力系統(tǒng)安全性，不僅要對動力蓄電池組總成的電芯、電堆、電池組和各高壓電部件進行檢測、試驗，而且必須在整車上進行帶電檢驗動力蓄電池組、EV ECU模塊以及車載充電機；更為重要的是必須在整車總裝末端檢測線上進行淋雨試驗 （包括防漏電）、各類ECU功能以及帶電檢測高壓電安全；還要在試車場定期抽驗涉水路行駛、淺灘行駛、高壓水洗車、電磁輻射（EMC）以及碰撞、耐久性和耗電費用等功能。

表6 i-MiEV牌純電動汽車安全性試驗項目

日本三菱i-MiEV牌純電動汽車的總裝工藝流程圖如圖27所示。圖中粗實線框內(nèi)工序為工藝流程中（除整車總裝末端檢測線外）與高壓電力系統(tǒng)有關(guān)的安裝和檢查工序。

毋庸贅言，對于純電動汽車的行駛安全性，即使其各種高壓電部件品質(zhì)優(yōu)良，如果沒有嚴格、正確的工藝規(guī)程和檢驗工序，純電動汽車的整車就不可能有可靠的安全保障。

圖27中的EV ECU模塊檢驗請參看本文第6章“碰撞時高壓電斷開系統(tǒng)”中對EV ECU功能的敘述。ECU檢驗項目有2個方面內(nèi)容：一是與駕駛員相關(guān)的信息：加速踏板位置信息、制動踏板位置信息和換檔桿位置信息；二是來自傳感器的信息：包括有關(guān)各個安全氣囊的燃爆打開的信息、與ABS系統(tǒng)相關(guān)的信息和ETACS電子時間報警控制系統(tǒng)有關(guān)的信息。

中國純電動汽車安全性的問題在于，不論是國家標準還是比亞迪e6電動汽車的工藝和檢驗規(guī)程，均未實施如圖27所示的各種嚴格的檢查、檢驗和試驗要求。

9 動力蓄電池組的管理系統(tǒng)BMS

9.1 有機電解液鋰離子蓄電池組的管理系統(tǒng)BMS

在動力蓄電池組總成內(nèi)部必須設(shè)置蓄電池組管理系統(tǒng)BMS，防止各電芯、電堆過充電和防止碰撞時發(fā)生短路，如圖28所示。

在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子蓄電池組實際使用過程中，可能在某些意外的情況下，如受到外部沖擊等各種原因，造成上述保護控制管理系統(tǒng)BMS損壞，導致電芯充電電壓過高 （或放電電壓過低），于是剩余的一部分鋰離子就會從正極經(jīng)電解質(zhì)、在負極表面以金屬鋰形成沉積。而金屬鋰的表面欠電位沉積，極易形成 “枝晶”，從而刺穿隔膜，造成正負極在電芯內(nèi)短路，使電源系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)十安培的短路電流，這會引起起火爆炸等安全事故。其次，由于電源系統(tǒng)的某元件出現(xiàn)故障，例如某電芯溫度局部過高或者殼體破損接觸空氣，造成電源系統(tǒng)電流超過十數(shù)安培的過電流，金屬鋰又非?；顫姡埸c也低，這就非常危險，易于導致發(fā)生安全事故。所以在動力蓄電池組內(nèi)部必須設(shè)置過電流保護和短路保護系統(tǒng)，避免整個電池組損壞、失效。

9.2 全固體鋰離子蓄電池組BMS

全固體鋰離子蓄電池組的電芯結(jié)構(gòu)中已不含有隔膜?，F(xiàn)以三菱i-MiEV牌純電動汽車為例，為防止碰撞時發(fā)生電池內(nèi)部短路，設(shè)置可檢測電池電芯電壓與溫度的電芯監(jiān)測單元CMU（Cell Monitor Unit），并監(jiān)控由多個電芯串聯(lián)所構(gòu)成電堆的電壓與電流和各平衡電芯之間的電壓，CMU直接安裝在由8個電芯構(gòu)成的模塊上，如圖29所示。

CMU的基板由帶電壓傳感器的高電壓部分和頂部裝有通信部件的低電壓部分構(gòu)成，中間使用絕緣元件傳遞信息，如圖30所示。

每輛車有數(shù)個CMU，它們可通過控制器局域網(wǎng)CAN通信、對電池組管理控制單元BMU傳遞信息數(shù)據(jù)。電池組的信息數(shù)據(jù)傳輸全部由低壓配線完成，即使車輛遭受過度沖擊，系統(tǒng)受到損傷，系統(tǒng)也能實現(xiàn)防止發(fā)煙和著火。

一旦電池處于過充電狀態(tài)，就可能發(fā)煙、著火，所以掌握充電狀態(tài)就成為提高電池組安全、可靠性的重要手段。由CMU通過CAN通信向BMU傳遞電壓信息，如果通信中斷和發(fā)生不可預見故障，在通信數(shù)據(jù) “凝固”的情況下，要求系統(tǒng)仍能不過充電，如圖31所示。

由多個CMU傳來的電壓信息數(shù)據(jù)，它們帶有來自各CMU的ID編碼數(shù)據(jù)，定期地發(fā)送到BMU，接收上述電壓數(shù)據(jù)的BMU，不斷監(jiān)視所收到的電壓數(shù)據(jù)，不得漏掉ID。如果超過一定的時間，還沒有接收到本應(yīng)接收到的ID編碼數(shù)據(jù)，則可判定通信線路已中斷，必須立即停止向高壓電力系統(tǒng)通電，并接通警示裝置 （圖31）。

在電池組或電堆均由電芯串聯(lián)構(gòu)成的情況下，充電時，所有電芯均流過同等電流，所以監(jiān)視有代表性的電芯電壓，就等于監(jiān)視了其他電芯的充電狀態(tài)。不過在這種情況下，要求各電芯處于同樣充電狀態(tài)，要求全電池組充電電源波形平滑化。在三菱i-MiEV純電動汽車中，某個CMU內(nèi)實裝的電芯具有電壓平滑化的機能，假如某個CMU的電壓數(shù)據(jù) “凝固”，那么根據(jù)其他CMU的電壓數(shù)據(jù)進行控制充電，也可確保防止過充電，這種由數(shù)個CMU構(gòu)成的系統(tǒng)即使發(fā)生局部數(shù)據(jù) “凝固”，仍可防止 “過充電”。

特別是當所有由CMU傳遞的數(shù)據(jù)均處于 “凝固”狀態(tài)的情況下，通過檢測其他高電壓部件的總電壓，也可檢測出系統(tǒng)處于過電壓狀態(tài)，從而停止充電，并接通警示裝置。

由于具有上述二重、三重保護，所以三菱i-MiEV純電動汽車的動力蓄電池組管理系統(tǒng)具有防過充電的 “頑強性”。

此外，必須強調(diào)的是，在高共模電壓和高達200 A的電子開關(guān)瞬變的情況下，電池組管理系統(tǒng)（BMS）可對不同的電芯進行精確測量。系統(tǒng)的精度必須達到mV級，采樣必須在嚴格的延遲時間范圍內(nèi)保持同步。采樣速度和精度都會影響整個系統(tǒng)的效率。

三菱i-MiEV牌純電動汽車的動力蓄電池組的管理系統(tǒng)圖如圖32所示。

日產(chǎn)葉子Leaf牌純電動汽車的動力蓄電池也為全固體鋰離子蓄電池，其動力蓄電池組的管理系統(tǒng)BMS具有的功能如下：①對電池組的下述參數(shù)連續(xù)進行監(jiān)控：每個電芯的電壓，充電狀態(tài)SOC，蓄電池溫度，蓄電池組硬件條件；②為BMS優(yōu)化提供電力需求的條件 （蓄電池組按車輛工況所需提供功率并使其最佳化）；③蓄電池組管理系統(tǒng)BMS對意外情況的響應(yīng)，根據(jù)安全模式或在下述情況下完全關(guān)閉：過充電，溫度過高，電芯損壞，碰撞。

9.3 可靠性要求

可靠性是電動汽車品質(zhì)的關(guān)鍵要求之一。BMS系統(tǒng)一方面必須提供安全機制，以便檢測蓄電池組的電芯、電堆、線束、監(jiān)控電路和通信總線等的故障。另一方面，為確保電力系統(tǒng)的安全性，還要設(shè)置主監(jiān)控器和備用監(jiān)控器，為電力系統(tǒng)提供冗余性能——雙保險！此外，數(shù)據(jù)保護機制也有助于進行錯誤檢測。盡可能降低斷開高壓電路的功耗，還要求BMS具備較低功耗以減少對電池電量的消耗，同時避免加劇電池各電芯的不平衡。

10 純電動汽車各種標準與法規(guī)

整車和電池組以及電堆必須能承擔各類危險，必須滿足全球目標市場國家所發(fā)布的與汽車相關(guān)的各種標準與法規(guī)。

目前除日本汽車公司有兩款真正意義上的量產(chǎn)純電動汽車 （三菱公司的iMiEV和日產(chǎn)公司的Leaf）在市場銷售外，其他品牌只是試驗或試銷品。在美國和日本各自的純電動汽車保有量都不超過3萬輛，所以技術(shù)和市場遠不成熟。

制定電動車輛安全標準等國際標準的聯(lián)合國專門機構(gòu) “世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇 （WP29）”的碰撞安全工作組GRSP目前已基本確定采用日本標準?；菊瞻崃?007年11月日本國土交通省發(fā)布的日本電動汽車的安全標準。這也就是本文以日本開發(fā)的純電動汽車為 “樣板車”來說明和解釋問題的根本原因。

日產(chǎn)公司為能盡早在世界各地銷售其產(chǎn)品，它們所采用的品質(zhì)對策就是廣納博收全球各國的標準和法規(guī)，相互取長補短。如美國對于碰撞安全的法規(guī)和標準就更完善一些，而日本則在車輛高壓電防護方面更為周全，至于歐洲則對車身輕量化和電器電工材料絕緣等級的掌握更勝一籌，并對車輛的其他各類標準的制訂也更為精準。這就是為什么日產(chǎn)在開發(fā)Leaf時，從整車到蓄電池組、電堆均按滿足全球各目標市場國家的標準和法規(guī)要求進行，要求能應(yīng)對機械、電學和熱學各方面的危險事件，而不是醉心 “以日本為主”，見圖33。

當代汽車安全的要求，已從主、被動安全演變到安全性預測。安全性預測在國外已經(jīng)非常成熟。2011年11月國際標準化組織已正式頒布實施了國際標準ISO 26262《道路車輛—功能安全》。該標準主要定位在特定的電氣器件、電子設(shè)備、可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的部件，是提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標準。目前電動汽車設(shè)計中的一個大難題是如何預先評估潛在的危害和風險，并且采取適當措施減低這些風險。國際標準ISO26262規(guī)定了汽車開發(fā)中要進行 “危害和風險分析”。

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［2］MohamedAlamgir.LG Chem.Power，Safetydesign parameters for Li－ion propulsion batteries and interaction with vehicle manufacturers to achieve EV safety［Z］.2012.

［3］吉田裕明，吉川隆夫，神谷祐司，等.リチウムイオン電池を搭載した電気自動車の安全性［J］.自動車技術(shù)，2012（7）.

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