電動汽車電壓等級劃分與安全性研究

朱永揚，陸春，周榮，劉桂彬（.河北工業(yè)大學(xué)，天津 30030；.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

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電動汽車電壓等級劃分與安全性研究

朱永揚1，陸春2，周榮2，劉桂彬2
（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

電動汽車電壓等級的劃分對汽車行業(yè)的發(fā)展，新技術(shù)的推動有著重要的意義。對于B級電壓進一步細分為B1級和B2級電壓，B1級電壓是否可降低防護要求引起了廣泛關(guān)注。文章通過對B1級電壓的單點故障、多點故障安全性研究，說明其安全性條件，為安全電壓等級劃分的技術(shù)內(nèi)容與發(fā)展趨勢提供參考。

電動汽車；電壓等級劃分；安全性研究

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.010

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-28-04

1、電壓等級劃分的背景介紹

2001版ISO 6469-3將電動道路車輛電壓等級劃分為A級電壓和B級電壓，其中B級電壓為交流25V、直流60V及其以上[1]。對B級電壓的保護包括基本防護和故障防護；對A級電壓只需基本的功能防護。電壓等級劃分明確了不同的車輛電路系統(tǒng)可滿足不同的安全要求，降低了對A級低壓電路系統(tǒng)不必要的保護成本，對汽車工業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。

隨著對車輛舒適性需求的提升，車輛用電器增多，廠家推出42V系統(tǒng)車輛構(gòu)架。雖然42V系統(tǒng)最大交流工作電壓超過A級安全電壓，但最終國際標準組織驗證證明了其安全性，這一結(jié)論的確定也使B級電壓交流最低值從2001版的25V修改為2011版的30V[2]。不過42V系統(tǒng)因投入成本大、節(jié)能減排效果不佳而失敗。隨后各大汽車制造商開發(fā)了與12V系統(tǒng)共存的 48V系統(tǒng)，總投入成本較低，節(jié)油量明顯提升（10%～15%）。48V系統(tǒng)的直流部分與交流部分相對電平臺之間的電壓均符合現(xiàn)行標準對A級電壓的要求，無需特殊的安全防護；但交流部分在最高工作電壓下兩相之間的電壓會超過交流30V，屬于B級電壓[3]，發(fā)生多點失效時有接觸觸電危險。因此該部分需正常條件及故障條件下的物理防護保護，絕緣電阻等保護，但因負極接地，無法滿足標準要求，造成實際應(yīng)用和標準發(fā)生沖突。為持續(xù)推廣48V系統(tǒng)，歐洲相關(guān)標準法規(guī)已對高壓母線和絕緣電阻的適用范圍進行了重新定義，使得48V系統(tǒng)得以豁免絕緣電阻的要求[4]，可見技術(shù)發(fā)展同樣影響著標準法規(guī)。為進一步解決各國車輛準入方面的差異性，推動新科技的發(fā)展，電壓等級劃分再次引起高度關(guān)注。本文主要討論將現(xiàn)行標準的B級電壓分為B1級和B2級電壓的理論依據(jù)及安全性驗證，以便更加明確安全電壓等級的界限，為相關(guān)的標準調(diào)整進行可行性研究。

2、電壓等級劃分依據(jù)

現(xiàn)行6469-3的修改主要體現(xiàn)在B級電壓等級劃分上，參考低電壓目錄（LVD）和IEC 61140建議將B級高電壓劃分為B1級感知中等電壓和B2級危險高電壓，具體范圍見表1。對 B1級電壓的保護可通過限制電路電壓以及基本保護（如遮攔，外殼，絕緣）實現(xiàn)，相比B2級電壓或細分前的B級電壓，B1級電壓不需要高壓標記，降低了基本保護的選項要求，也不再需要故障防護，見表2。這不僅降低了車輛的電路安裝與保護復(fù)雜程度，還大大節(jié)約了車輛對部分組件不必要的防護成本，利于市場良性競爭、推動新技術(shù)的發(fā)展。

表1　ISO 6469-3修訂中討論的電壓等級劃分

表2　不同電壓等級保護措施詳細表

3、B1級電壓及其電路系統(tǒng)安全性研究

3.1B1級電壓觸電安全分析與計算

對B級電壓細分為B1級感知中等電壓以及B2級危險高電壓，最受關(guān)注的是 B1級電壓降低防護后的安全性問題。根據(jù)LVD和IEC相關(guān)標準可知，B1級電壓在經(jīng)過多年的實際使用經(jīng)驗中得知其正常操作條件下為安全電壓，不會產(chǎn)生危險，本文主要討論故障條件下的安全情況。故障條件下的失效接觸主要分為三種情形，即：接觸直流系統(tǒng)的正極與接地負極、接觸交流系統(tǒng)相線與接地負極、接觸交流系統(tǒng)的兩條相線，其接觸情況與接觸位置電壓變化見下圖。

對上述接觸情況，按接觸方式與接觸面積的概率統(tǒng)計進行如下假設(shè)：

表3　接觸情形概率統(tǒng)計假設(shè)

從接觸位置電壓變化圖可知單點失效的接觸電壓都屬于直流電壓，流經(jīng)人體的電流特性相同，按直流電流傷害計算。直流電壓為75V時人體電流最大，危險性最高，所以計算此時人體電流值，驗證最大工作電壓下安全性。因目前尚未得到準確的直流人體阻抗值，但知在同等電壓有效值情形下由于交流的集膚效應(yīng)使得直流人體阻抗值大于交流阻抗值，這里使用交流阻抗值進行計算，得到電流值大于實際電流值，可作為安全性評價的依據(jù)。不同電壓下人體電阻值見表 4、表5、表6。不同人口比例下的電阻值代表在這一人口比例下所選取的最大人體阻抗值，也就是說剩下所有人的阻抗值大于這一選取值[5]。

表4　濕潤情況下手到手大接觸面積交流（50/60HZ）路徑人體阻抗值

表5　濕潤情況下手到手中等接觸面積交流（50/60HZ）路徑人體阻抗值

表6　濕潤情況下手到手小接觸面積交流（50/60HZ）路徑人體阻抗值

人體接觸電流路徑分兩部分，即體表部分和心臟部分，二者并聯(lián)，如圖3所示。因左右手接觸面積不同，人體總阻抗值等于不同接觸表面到中心點的阻抗值之和的一半，即：，代入上述阻抗值得，則。由接觸電流/持續(xù)時間區(qū)域圖4知人體電流處于DC-2區(qū)域，為可感知安全電流范圍，所以 B1級電壓電路單點故障時接觸直流系統(tǒng)不會造成人體接觸電流過大的傷害。

當交流系統(tǒng)發(fā)生多點故障時，人體同時接觸交流系統(tǒng)的不同相線而成為交流回路的一部分，對于交流 50HZ、不同電壓電路下人體阻抗值見上表5、表6。則最大交流電壓50V，頻率50HZ條件下人體接觸總阻抗值為：，代入數(shù)據(jù)得，則，由接觸電流/持續(xù)時間區(qū)域圖5知所得電流處于AC-2區(qū)域，為可感知安全電流范圍，所以B1級電壓電路多點故障時接觸交流系統(tǒng)不會造成人體接觸電流過大的傷害。

根據(jù)IEC 60479-1人體阻抗值隨交流電壓的頻率增加而降低，當交流頻率為1000HZ時，人體阻抗值為50HZ的0.32，但各電流安全區(qū)域因交流頻率的增加而右移，影響系數(shù)參考IEC 60479-2，因此需重新確定此時的人體電流安全情況。同上述方式重新計算后的1000HZ交流50V人體接觸電流情況見下圖，可見人體電流仍處于安全電流區(qū)域內(nèi)。

將上述計算結(jié)果分析總結(jié)如下表：

表7　最大電壓接觸時人體阻抗、電流值

對 B1級電壓電路故障情況的人體電流分析計算結(jié)果說明，當系統(tǒng)電路發(fā)生上述條件下的單點或多點故障時，由于受 B1級最大電壓限制，無接觸觸電危險。若此關(guān)于電壓等級劃分的范圍及其分級依據(jù)最終得到國際標準組織的認可，則目前的48V系統(tǒng)以及將來可能更高的B1電路系統(tǒng)均可免除故障防護，只需基本防護即可保證車輛使用及故障過程中的安全，進而能夠有效的降低廠家的生產(chǎn)成本，更加合理的利用資源，以提升車輛的舒適性，降低車輛的燃油消耗與污染物排放，還有利于促進各國對車輛準入標準的統(tǒng)一性。

3.2B1級電壓劃分不足之處

雖然在上述假設(shè)條件下，B1級電壓電路不會出現(xiàn)電流傷害，但實際中無法保證故障接觸同假設(shè)情形一致。當實際故障接觸不同于假設(shè)條件時，能否繼續(xù)保證人身安全，還需要進一步研究?？紤]到安全性驗證計算時人體阻抗值選取只覆蓋了50%的人群，即實際發(fā)生故障時只能確保50%的車輛室內(nèi)外人員的絕對安全，作為安全性計算存在一定的局限性。

下面計算假設(shè)接觸面積不變情況下覆蓋95%人群時的人體電流值，則75V直流單點故障接觸時人體電流計算如下：，代入數(shù)值得，人體電流，此人體電流大于曲線b的最小擺脫門檻電流 26mA，當故障下的接觸發(fā)生時，有觸電甚至心室顫動的危險發(fā)生。

同理可計算最大交流電壓50V、多點故障接觸時人體電流情況，計算結(jié)果如下表。由表知頻率為1000HZ的交流電路出現(xiàn)多點故障時，無法確保意外接觸人員的安全，即 B1等級電壓的電壓上限值屬于危險電壓，應(yīng)采用 B2級電壓同等的保護。

接觸電壓（V）抗（Ω） 人體電流（mA） 　擺脫電流（mA）人體阻75V 　2213 　33.49 　26 50V 50HZ 　16950 　2.95 　5 50V 1000HZ 　5424 　9.22 　8.25

另外，電路發(fā)生故障時，人體接觸電流的大小還與發(fā)生故障時的人體接觸面積相關(guān)，通常接觸面積越大，人體承受電壓的能力下降，阻抗值也隨接觸面積增大而降低，導(dǎo)致人體接觸電流值增大，超過安全擺脫電流的幾率大大增加，觸電風險增高，見圖7。

4、結(jié)論

本文通過電動汽車電壓等級的歷史背景介紹了電壓等級的變化情況，說明電壓等級重新劃分的重要性以及劃分依據(jù)，并針對 B1級電壓降低保護的合理性進行了研究。得出如下結(jié)論：

（1）安全電壓分級對汽車行業(yè)的成本節(jié)約、生產(chǎn)安裝，以及應(yīng)對目前日趨嚴苛的汽車節(jié)能與排放問題而促進新技術(shù)的發(fā)展上，都具有重要的積極意義，安全電壓等級的重新劃分已經(jīng)成為未來各國標準與法規(guī)的趨勢。

（2）B級電壓的細分不僅會影響48V系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，同樣對將來更高的系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有至關(guān)重要的影響。

（3）對于B級電壓細分為B1級電壓和B2級電壓，對B1級電壓降低基本防護要求，免除故障防護要求，只能在一定的條件下保證車輛室內(nèi)外人員的絕對安全，對于各種復(fù)雜的實際條件，還需要更多的試驗及其數(shù)據(jù)計算來驗證。

（4）對B級電壓的細分特別是B1級電壓的范圍設(shè)定是否科學(xué)，是否完全有證可循，依然是目前各國政府和車輛制造商關(guān)注的焦點，對于此話題的討論未來一段時間內(nèi)還會繼續(xù)。

[1]ISO 6469-3:2001 Electric road vehicles-Safety specifications —Part 3: Protection of persons against electric hazards.

[2]ISO 6469-3:2011 Electric road vehicles-Safety specifications —Part 3: Protection of persons against electric hazards.

[3]GB/T 18384.3-2015 電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2015.

[4]張英男，陸春，劉桂彬.48V系統(tǒng)對于電動汽車安全要求國家標準適用性分析.汽車實用技術(shù)，2015年第5期.

[5]IEC 60479-1:2005 Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects.

The Division of Voltage Class Limits and Safety Research for Electric Vehicles

Zhu Yongyang1,Zhou Rong2,Lu Chun2,Liu Guibin2
（1.Hebei University of Technology,Tianjin 300130; 2.China Automotive Technology & Research Center,Tianjin 300300）

The division of voltage class limits for electric vehicles has important significance for development of automobile industry and promotion of new technology.It has been caused wide public concern that whether the voltage class B1 should reduce protection requirements or not,since voltage class B further subdivided into B1 and B2.This paper analysis safety of first failure and second failure of circuit B1 system,and provide a reference for development of division of voltage class.

electric vehicles; division of voltage class limits; safety research

U463.6

A

1671-7988（2016）08-28-04

朱永揚（1991-），男，碩士研究生，就讀于河北工業(yè)大學(xué)，主要研究方向為新能源汽車安全與標準研究。

簡介：陸春（1987-），男，工程師，就職于中國汽車技術(shù)研究中心，主要研究方向為新能源汽車安全與標準研究。

周榮（1959-），男，教授級高級工程師，就職于中國汽車技術(shù)研究中心，主要研究方向為新能源汽車安全與標準研究。

劉桂彬（1965-），男，教授級高級工程師，就職于中國汽車技術(shù)研究中心，主要研究方向為新能源汽車安全與標準研究。