電動(dòng)汽車安全要求測(cè)試方法研究

姜俊昭，雷斌，高峰，郭瑞玲

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津市 300300)

0 引言

隨著電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)的不斷提升以及市場(chǎng)保有量的不斷增加，人們對(duì)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全問題愈發(fā)重視。相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，純電動(dòng)汽車具有大容量高壓動(dòng)力電池、高壓電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC及其他高壓附件設(shè)備。其整體電氣化程度高，工作電壓一般為200～500 V(直流)，遠(yuǎn)高于人體能承受的36 V安全電壓。另外，電路系統(tǒng)工作時(shí)的瞬時(shí)峰值電流能達(dá)到數(shù)百安，當(dāng)高壓線路發(fā)生絕緣失效、電流溢出甚至短路等情況時(shí)，電動(dòng)汽車會(huì)發(fā)生功能故障，嚴(yán)重危害駕乘人員的生命安全[1]。因此，電動(dòng)汽車高壓安全性是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

ECE R100、ISO6469、GB/T 18384、EVS GTR等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)電動(dòng)汽車高壓安全性做了相應(yīng)要求及測(cè)試方法指導(dǎo)。本文作者依據(jù)國標(biāo)GB/T 18384-2015《電動(dòng)汽車安全要求》，通過開展電動(dòng)汽車安全要求比對(duì)試驗(yàn)，統(tǒng)一了對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的理解，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測(cè)試方法。進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)測(cè)試規(guī)律，探討影響測(cè)試結(jié)果的敏感因素。其中重點(diǎn)推導(dǎo)了絕緣電阻計(jì)算公式的成立條件，針對(duì)端電極對(duì)電底盤電壓衰減的問題提出了一種改良的絕緣電阻測(cè)量方法，最后通過不同并接電阻條件下的一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 測(cè)試項(xiàng)目

現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 18384-2015《電動(dòng)汽車安全要求》總體分為三部分內(nèi)容：第1部分《車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(REESS)》從電源的角度規(guī)定了標(biāo)記與標(biāo)識(shí)、REESS的絕緣電阻、電氣間隙和爬電距離、有害氣體和其他有害物質(zhì)排放、REESS產(chǎn)生的熱量、REESS過電流斷開的要求[2]；第2部分《操作安全和故障防護(hù)》從車輛功能防護(hù)的角度，規(guī)定了操作安全(驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源接通和斷開程序、車輛和外部電源的物理連接、行駛、反向行駛、駐車、電磁兼容)、失效防護(hù)、用戶手冊(cè)、標(biāo)識(shí)和緊急響應(yīng)的要求[3]；第3部分《人員觸電防護(hù)》從人員防護(hù)的角度規(guī)定了正常情況、單點(diǎn)失效情況及暴雨涉水等特殊情況下的安全防護(hù)。主要包含：高壓警告標(biāo)記、B級(jí)電壓電線的標(biāo)記、基本防護(hù)方法、單點(diǎn)失效防護(hù)、觸電防護(hù)替代方法、絕緣要求、遮攔/外殼的要求、絕緣電阻要求、絕緣協(xié)調(diào)要求、電位均衡要求、車輛充電插座的要求、防水以及用戶手冊(cè)的要求[4]。

針對(duì)上述測(cè)試項(xiàng)目，以上汽某純電動(dòng)轎車為測(cè)試對(duì)象，重點(diǎn)就電位均衡、整個(gè)B級(jí)電壓電路絕緣電阻、車輛充電插座絕緣電阻的要求進(jìn)行了一系列比對(duì)試驗(yàn)。文中將參與比對(duì)試驗(yàn)的6個(gè)測(cè)試機(jī)構(gòu)定義為A、B、C、D、E、F，然后通過統(tǒng)計(jì)各機(jī)構(gòu)的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量值的相對(duì)偏差來進(jìn)行結(jié)果滿意度評(píng)價(jià)。

1.1 電位均衡

1.1.1 一般要求

電位均衡即為等電勢(shì)的要求，是指屬于高壓部件外露的導(dǎo)電部件(如外殼或者遮攔)互相導(dǎo)通地連在一起，并統(tǒng)一連接到車輛電平臺(tái)上。所有組成電位均衡電流通路的組件(導(dǎo)體及連接部分)應(yīng)能承受單點(diǎn)失效情況下的最大電流[5]。電位均衡通路中任意兩個(gè)可以被人同時(shí)觸碰到的外露可導(dǎo)電部分之間的電阻應(yīng)不超過0.1 Ω。

1.1.2 測(cè)試方法

電位均衡阻值的測(cè)試需要在任何兩個(gè)外露導(dǎo)電部分施加一個(gè)測(cè)試直流電，其電流值不小于1 A，電壓小于60 V，且測(cè)試持續(xù)時(shí)間不小于5 s。被測(cè)路徑應(yīng)隔離在其他電位路徑外，這些導(dǎo)電部分應(yīng)分別包括B級(jí)電壓組件的外殼以及分別連接到車輛電平臺(tái)或遮攔/外殼的連接件等。試驗(yàn)中測(cè)試所用設(shè)備為微電阻測(cè)試儀，兩個(gè)探針分別連接外露可導(dǎo)電部件的外殼遮攔與電平臺(tái)，并滿足人體能夠同時(shí)觸碰的測(cè)點(diǎn)距離要求，測(cè)試過程如圖1所示。

圖1 電位均衡測(cè)試

1.1.3 測(cè)試結(jié)果分析

電位均衡的阻值通常非常小(小于0.1 Ω)，易受環(huán)境影響，因此很小的波動(dòng)就容易導(dǎo)致較大偏差。為綜合分析不同機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果，采用相對(duì)偏差作為評(píng)價(jià)依據(jù)，如公式(1)所示

式中：X為各機(jī)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值；d為測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)偏差，d=xi-X；xi為第i組試驗(yàn)結(jié)果。

分別計(jì)算各機(jī)構(gòu)的偏差Rd值，當(dāng)Rd≤5%，則評(píng)定測(cè)試結(jié)果為滿意，否則為不滿意。在環(huán)境艙內(nèi)外分別進(jìn)行電位均衡測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果的一致性與差異性，測(cè)試值如表1所示。

表1 電位均衡連續(xù)性試驗(yàn)

通過觀察各試驗(yàn)組在兩種測(cè)試環(huán)境下的電位均衡值，可以看到測(cè)得的阻值均為mΩ級(jí)，遠(yuǎn)小于國標(biāo)要求的值。另外對(duì)比看出，環(huán)境艙內(nèi)測(cè)得的阻值基本較常規(guī)測(cè)量值小。進(jìn)一步觀察各組測(cè)試結(jié)果的相對(duì)偏差，發(fā)現(xiàn)有4組環(huán)境艙外的測(cè)試偏差大于5%，結(jié)果不滿意。而環(huán)境艙內(nèi)的測(cè)試偏差均小于5%，結(jié)果滿意。通過對(duì)比可以看出，環(huán)境艙內(nèi)的測(cè)試結(jié)果波動(dòng)性遠(yuǎn)小于環(huán)境艙外。

綜上，從滿足國標(biāo)的角度看，環(huán)境艙內(nèi)外的差別不會(huì)引起電位均衡測(cè)試發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持相同的測(cè)試環(huán)境更有利于檢測(cè)結(jié)果的一致性。

1.2 整個(gè)B級(jí)電壓電路絕緣電阻

1.2.1 一般要求

B級(jí)電壓電路絕緣電阻的測(cè)量是整個(gè)GB/T 18384-2005《電動(dòng)汽車安全要求》標(biāo)準(zhǔn)中的重要測(cè)試項(xiàng)目。首先根據(jù)最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為以下等級(jí)，如表2所示。

表2 電壓等級(jí)

對(duì)于A級(jí)電壓等級(jí)的電路，不需要進(jìn)行觸電防護(hù)。對(duì)于B級(jí)電壓電路中的帶電部件，需要有防護(hù)措施，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100 Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500 Ω/V。為滿足以上要求，依據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和組件的數(shù)量，整個(gè)電路中每個(gè)組件應(yīng)有更高的絕緣電阻。另外高壓電路兩端到汽車電底盤之間的絕緣電阻一般不同(Ri1和Ri2)，如圖2所示。考慮高壓安全性，取較低的絕緣電阻值作為整個(gè)電路的絕緣電阻。

圖2 絕緣電阻

1.2.2 測(cè)試方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試時(shí)車輛部件需要達(dá)到露點(diǎn)狀態(tài)，REESS絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)必須處于關(guān)閉狀態(tài)。并將電力系統(tǒng)負(fù)載連接到B級(jí)電壓電源，整個(gè)高壓回路連接在一起，通過外接電阻切換法[6]，間接測(cè)量回路與汽車電底盤之間的絕緣電阻Ri。具體步驟如下：

(1)確認(rèn)測(cè)試點(diǎn)。明確整個(gè)B級(jí)電壓電路絕緣電阻試驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)，將正負(fù)極母線引出，便于一定濕度下的測(cè)試。另外統(tǒng)一測(cè)量點(diǎn)也有利于比對(duì)試驗(yàn)的一致性分析。

(3)使車輛上電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于激活狀態(tài)。

(4)測(cè)量高壓回路的兩個(gè)端子和車輛電平臺(tái)之間的電壓。較高的一個(gè)定義為U1，較低的一個(gè)定義為U′1，相應(yīng)的兩個(gè)絕緣電阻定義為Ri1和Ri2=Ri，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測(cè)試

(5)添加一個(gè)已知電阻R0與Ri1并聯(lián)，即加在較高電壓一側(cè)與電平臺(tái)之間。再次測(cè)量?jī)啥穗妷海謩e為U2和U′2，如圖4所示。

(6)計(jì)算絕緣電阻Ri。根據(jù)上述測(cè)量電壓值，可以間接計(jì)算Ri，推導(dǎo)過程如下：

根據(jù)基爾霍夫定律，圖3所示電路滿足如下關(guān)系：

圖4 絕緣電阻測(cè)試(并R0)

從而：

圖4所示電路滿足如下關(guān)系：

將式(3)代入式(4)中，可得：

從而：

另外，設(shè)U1+U′1=U2+U′2，替代式(6)中的U′2，可求得：

進(jìn)一步整理：

由推導(dǎo)過程可知，公式(6)與公式(8)等價(jià)的前提條件是U1+U′1=U2+U′2。這一點(diǎn)在測(cè)試過程中需重點(diǎn)關(guān)注，國標(biāo)中只提到將測(cè)試的電壓值及已知并聯(lián)電阻代入公式(6)或(8)均可計(jì)算得絕緣電阻值。但實(shí)際測(cè)試過程中，經(jīng)常發(fā)生電壓下降的現(xiàn)象，即某極對(duì)電底盤電壓呈持續(xù)衰減狀態(tài)，導(dǎo)致分電壓之和遠(yuǎn)小于總電壓，且U1+U′1≠U2+U′2，此時(shí)代入不同公式計(jì)算出的結(jié)果是有差異的。對(duì)這樣的現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)中并未給出說明或解決方案。

由于電動(dòng)汽車自身電路特征、測(cè)試萬用表的內(nèi)阻分壓、電容放電等原因，會(huì)導(dǎo)致某電極對(duì)電底盤電壓持續(xù)或快速衰減，甚至能衰減至很小。結(jié)合國標(biāo)GB/T 18384-2015中外接并聯(lián)電阻的間接測(cè)量思路，文中提出一種改良的絕緣電阻測(cè)量方法，即通過搭建平衡橋來解決兩端電極對(duì)電底盤電壓下降的問題，具體步驟為

(1)在電路對(duì)電底盤間(正極對(duì)電底盤及負(fù)極對(duì)電底盤)分別并聯(lián)1個(gè)阻值相等的千歐級(jí)電阻R，比如100 kΩ。

(2)按照第1.2.2節(jié)中所述國標(biāo)GB/T 18384-2015中對(duì)B級(jí)電壓電路絕緣電阻的測(cè)試要求及方法進(jìn)行完整電路的絕緣阻值測(cè)試，并將測(cè)量電壓值代入公式(6)或公式(8)，計(jì)算得到當(dāng)量阻值R′。

(3)考慮平衡橋并聯(lián)電阻R的影響，通過公式(9)可計(jì)算得所需的整車B級(jí)電壓電路絕緣電阻Ri。

對(duì)多款試驗(yàn)樣車進(jìn)行不同并接電阻條件下的一系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的有效性，其中并接電阻型式及試驗(yàn)過程如圖5所示。

對(duì)絕緣電阻的測(cè)量計(jì)算值以及電壓穩(wěn)定程度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。R表示搭建平衡橋時(shí)的并接電阻值，Ub是總電壓，可以看到不并聯(lián)電阻時(shí)(第一行數(shù)據(jù))，兩端電壓很不穩(wěn)定，測(cè)量值快速下降；并聯(lián)電阻值為50～200 kΩ時(shí)電壓穩(wěn)定，測(cè)試效果好；但隨著阻值進(jìn)一步增加，兩端電壓和的差值逐漸增大；一旦阻值達(dá)到兆歐級(jí)，兩端電壓開始上下跳動(dòng)，很難準(zhǔn)確測(cè)量。因此，并聯(lián)電阻值的選擇是關(guān)鍵因素：阻值選擇得當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量電壓穩(wěn)定；并聯(lián)電阻阻值過大，尤其是大到與電壓表內(nèi)阻值相當(dāng)或超出時(shí)，會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度；電阻阻值太小則會(huì)引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 絕緣電阻測(cè)試

表3 不同橋接電阻下的對(duì)地絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

綜上，將測(cè)得的電壓值及已知電阻代入公式(6)與公式(9)或公式(8)與公式(9)，便可得到待測(cè)絕緣電阻Ri。

1.2.3 測(cè)試結(jié)果分析

按照第1.2.2節(jié)中所述的測(cè)試方法，分別在環(huán)境艙內(nèi)以及艙外常溫下對(duì)整個(gè)B級(jí)電壓電路的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)與偏差計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 整個(gè)B級(jí)電壓電路絕緣電阻的測(cè)量

根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)各機(jī)構(gòu)在兩種情況下的絕緣電阻測(cè)試值進(jìn)行規(guī)律分析，可以發(fā)現(xiàn)絕緣阻值均達(dá)到了國標(biāo)的要求，且遠(yuǎn)大于國標(biāo)要求的最低值(測(cè)量值接近國標(biāo)要求值的30倍)。另外看到環(huán)境艙內(nèi)露點(diǎn)條件下測(cè)得的絕緣阻值較常規(guī)測(cè)量值小。對(duì)環(huán)境艙內(nèi)外的測(cè)量值進(jìn)行相對(duì)差值計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。可以看到不同環(huán)境下的測(cè)試值變化率不大，即環(huán)境艙內(nèi)測(cè)試值較艙外值雖有所減小，但減小幅度不大，均低于2%。從這一規(guī)律來看，可以考慮取消進(jìn)環(huán)境艙測(cè)試絕緣電阻的強(qiáng)制要求。進(jìn)一步觀察各組測(cè)試值的相對(duì)偏差，可以看到偏差值均小于5%，結(jié)果滿意。

圖6 不同測(cè)試環(huán)境下的變化率

1.3 車輛充電插座的絕緣電阻

1.3.1 一般要求

電動(dòng)汽車充電插座包含傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)(慢充)與非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)(快充)兩類。傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻值要求至少1 MΩ；非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻需滿足第1.2.1節(jié)中的阻值要求，并且應(yīng)有端子將車輛電平臺(tái)和外接電源的保護(hù)接地(PE)相連接。

1.3.2 測(cè)試方法

與整車B級(jí)電壓電路絕緣電阻測(cè)試方法不同，充電口電阻測(cè)試時(shí)要求車輛斷電，屬于無源測(cè)試[7]。因此直接用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量電阻即可，具體如下：

(1)將車輛斷電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于非激活狀態(tài)；

(2)將絕緣電阻測(cè)試設(shè)備的兩個(gè)探針分別連接充電口高壓端子及電平臺(tái)，其中，測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)電壓要求大于整車最大工作電壓，然后取設(shè)備穩(wěn)定時(shí)的讀數(shù)。試驗(yàn)測(cè)試過程如圖7所示。

圖7 充電插座絕緣電阻測(cè)試

1.3.3 測(cè)試結(jié)果分析

表5為車輛充電插座(傳導(dǎo)、非傳導(dǎo))絕緣電阻的測(cè)量值與相對(duì)偏差計(jì)算值?？梢钥吹絺鲗?dǎo)連接下的絕緣電阻均大于550 MΩ，符合國標(biāo)要求，且比對(duì)結(jié)果滿意。

表5 車輛充電插座絕緣電阻的測(cè)量

另外觀察非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻測(cè)量值，可以看到第一組的阻值明顯小于其他5組數(shù)據(jù)，其相對(duì)偏差也很大，達(dá)到31.65%，該測(cè)試項(xiàng)比對(duì)結(jié)果不滿意。

通過進(jìn)一步對(duì)各機(jī)構(gòu)檢測(cè)過程綜合分析，探究產(chǎn)生上述不滿意結(jié)果的原因。發(fā)現(xiàn)在測(cè)量充電插座絕緣電阻時(shí)，正向測(cè)量和反向測(cè)量差別巨大。即在使用測(cè)量表筆對(duì)非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座測(cè)量時(shí)，正表筆對(duì)高壓線路、負(fù)表筆對(duì)電底盤的測(cè)量結(jié)果與正表筆對(duì)電底盤、負(fù)表筆對(duì)高壓線路會(huì)產(chǎn)生不一樣的阻值結(jié)果。由于A機(jī)構(gòu)取負(fù)表筆對(duì)高壓線路、正表筆對(duì)電底盤下的測(cè)量值，與其他機(jī)構(gòu)的測(cè)試方向相反，因此測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

基于此，建議該項(xiàng)目檢測(cè)方法應(yīng)該是正向反向均測(cè)試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)論

本文作者依據(jù)國標(biāo)GB/T 18384 -2015《電動(dòng)汽車安全要求》，開展了電動(dòng)汽車安全要求比對(duì)試驗(yàn)，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測(cè)試方法。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

(1)電位均衡測(cè)試項(xiàng)目中，環(huán)境艙內(nèi)外的條件差別不會(huì)引起測(cè)試結(jié)果發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持測(cè)試環(huán)境更有利于檢測(cè)結(jié)果的一致性。

(2)選配適當(dāng)阻值的電阻，通過搭建平衡橋可以解決整車B級(jí)電壓電路兩端電極對(duì)電底盤電壓下降的問題。環(huán)境艙內(nèi)露點(diǎn)條件下測(cè)得的整個(gè)B級(jí)電壓電路絕緣阻值較常規(guī)測(cè)量值小，但減小的幅度不大，低于2%。

(3)測(cè)量充電插座絕緣電阻時(shí)，正向測(cè)量和反向測(cè)量差別很大。建議該項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)正向、反向均測(cè)試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。