電動汽車電安全標準分析及測試

李春，張磊，閆肅軍

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

0 引言

汽車是現(xiàn)代文明的重要組成部分，是人類智慧的結(jié)晶。它在推動社會快速發(fā)展的同時，也給人類帶來了日益突出的危害。根據(jù)世界資源研究所和中國環(huán)境檢測總站測算：全球10個大氣污染最嚴重的城市中，我國就占了7個，主要原因在于汽車尾氣對環(huán)境的污染。混在大氣中的汽車尾氣含有對人體血液、神經(jīng)系統(tǒng)有嚴重損害的有毒物質(zhì)。除此之外，汽車噪聲也是城市噪聲的主要來源。相比傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車的零排放或低排放和低噪聲，將大大緩解燃油汽車對人類生活環(huán)境的污染[1]。

電動汽車相比傳統(tǒng)的燃油汽車，由于驅(qū)動方式的改變，即由內(nèi)燃機驅(qū)動改為電機驅(qū)動后，使得電動汽車在整車結(jié)構(gòu)方面增加了高于人體安全電壓的高壓電系統(tǒng)。因此，隨著電動汽車的爆發(fā)式增長，有關(guān)電動汽車的安全隱患也隨之增加。碰撞試驗是測試車輛碰撞安全性能的有效途徑。碰撞安全性能的好壞，需要利用一定的試驗方法和設(shè)備，通過測試車輛在發(fā)生碰撞時，能否通過車輛自身的吸能結(jié)構(gòu)、安全氣囊、安全帶等安全配置降低對車內(nèi)乘員所造成的傷害來評定。對于電動汽車而言，碰撞試驗除了需要考察車身結(jié)構(gòu)和假人的防護性能，還需要考察與電安全相關(guān)的其他性能，如防觸電保護性能。

本文作者主要對電動汽車的特殊性，即碰撞后的電安全測試，從標準和測試技術(shù)方面進行分析和研究。

1 標準現(xiàn)狀

目前，關(guān)于電動汽車在碰撞后電安全測試的標準與法規(guī)有：(1)美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)的FMVSS 305《電動汽車：電解液泄漏和電安全防護》[2]；(2)歐洲經(jīng)濟委員會(Economic Commission of Europe，ECE)的ECE R94[3]和R95；(3)國家標準中的GB/T 31498-2015《電動汽車碰撞后安全要求》[4]。

1.1 美國標準

根據(jù)美國頒布實施的《機動車安全法》，凡在美國銷售并在美國行駛的車輛，包括電動汽車，必須滿足FMVSS標準。FMVSS 305是美國汽車安全技術(shù)規(guī)范中唯一針對電動汽車所制定的，它要求電動汽車在完成正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞以及隨后的靜態(tài)翻滾后，應(yīng)滿足相關(guān)的電安全要求，包括動力電池電解液溢出、動力電池系統(tǒng)位置保持和高壓電氣安全。

具體要求如下：

(1)電解液泄漏

試驗后30 min內(nèi)，若存在電解液泄漏，則電解液泄漏量不允許超過5 L，且電解液不允許溢出到乘員艙。

(2)動力電池包位置保持

動力電池包至少應(yīng)通過一個緊固點、支架或其他結(jié)構(gòu)使電池包保持在安裝位置，并且不得進入乘員艙。

(3)電器安全，以下條款應(yīng)滿足其一：

①絕緣電阻。對不具有絕緣監(jiān)控的高壓電系統(tǒng)，試驗后高壓電系統(tǒng)與車輛電平臺之間的絕緣電阻阻值應(yīng)大于等于500 Ω/V；對具有絕緣監(jiān)控的直流高壓電系統(tǒng)，其絕緣電阻應(yīng)大于等于100 Ω/V。

②電壓要求。高壓電路電壓(Vb、V1和V2)應(yīng)不大于30 V(AC)或60 V(DC)。

(4)絕緣監(jiān)控

每個直流高壓部件須有絕緣監(jiān)控系統(tǒng)對其進行監(jiān)控，并能在絕緣失效時發(fā)出警告[2]。

1.2 歐洲標準

歐洲ECE標準要求：電動汽車在按照ECE R94、ECE R95、ECE R135、ECE R137等碰撞規(guī)程中定義的方法進行試驗后，高壓帶電系統(tǒng)，包括動力系統(tǒng)、高壓帶電部件和高壓母線需要滿足防觸電保護要求，其中防觸電保護要求包括電壓要求、電能要求、物理防護、絕緣電阻、電解液泄漏要求和REESS(Rechargeable Energy Storage System)要求。

具體要求如下：

(1)防觸電保護

當電力系統(tǒng)在未通電的情況下進行試驗時，則整車的電安全由下面的第③條和第④條來考核。當電力系統(tǒng)在通電的情況下進行試驗時，則以下4條應(yīng)滿足其一。

①電壓要求。高壓母線的電壓Vb、V1和V2應(yīng)不大于30 V交流或60 V直流。

②電能要求。高壓母線上的總電能TE應(yīng)小于2.0 J。

③物理防護。碰撞后車輛應(yīng)有IPXXB級別的保護，且所有外露的可導電部件與電平臺之間的電阻應(yīng)低于0.1 Ω。

④絕緣電阻。若電路中有一點以上或部分高壓母線不滿足③時，則該項不適用。如果交流高壓母線和直流高壓母線互相傳導絕緣，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線來說，最小值應(yīng)為100 Ω/V；對于交流母線來說，最小值應(yīng)為500 Ω/V。如果交流高壓母線和直流高壓母線是互相傳導連接的，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻的最小值應(yīng)為500 Ω/V。

(2)電解液泄漏

碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，不應(yīng)有電解液從REESS中溢出到乘員艙，布置在乘員艙外部的REESS其電解液泄漏量不應(yīng)超過7%，不包括開放型的動力蓄電池。針對開放型的動力蓄電池，其電解液泄漏量不應(yīng)超過7%，且最大泄漏量不應(yīng)超過5 L。

(3)REESS要求

布置在乘員艙里的REESS應(yīng)保持在安裝位置，REESS部件應(yīng)保持在其外殼內(nèi)。位于乘員艙外部的任何REESS部分不得進入乘員艙[3]。

1.3 中國標準

我國關(guān)于電動汽車碰撞后安全要求主要執(zhí)行的標準為中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會于2015年5月15日發(fā)布的GB/T 31498-2015《電動汽車碰撞后安全要求》。該標準要求帶有B級電壓電路的純電動汽車和混合動力汽車，在按照GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》和GB 20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》的標準進行碰撞試驗后，整車的動力用高壓系統(tǒng)及動力用高壓系統(tǒng)傳導連接的高壓部件應(yīng)同時滿足防觸電保護要求(電壓要求、電能要求、物理防護、絕緣電阻)，電解液泄漏要求和REESS要求。

具體要求如下：

(1)防觸電保護

每一條高壓母線應(yīng)該滿足以下4條款中的任意一項。如果碰撞試驗在車輛的REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下進行，則車輛的電力系統(tǒng)負載應(yīng)滿足第③條或第④條中的任意一項。

①電壓要求。高壓母線的電壓Vb、V1和V2應(yīng)不大于30 V交流或60 V直流，當車輛REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下，該條款不適用。

②電能要求。高壓母線上的總電能TE應(yīng)小于0.2 J，儲存在Y-電容器里的能量(TEy1，TEy2)也應(yīng)小于0.2 J。當車輛REESS與電力系統(tǒng)負載主動斷開的情況下，該條款不適用。

③物理防護。為防止直接接觸高壓帶電部位，車輛應(yīng)有IPXXB級別的保護；為防止間接接觸的觸電傷害，用大于0.2 A的電流進行測量，所有外露的可導電部件與電平臺之間的電阻應(yīng)小于0.1 Ω。

④絕緣電阻。動力系統(tǒng)由單獨的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線最小值為100 Ω/V，同時對于交流母線最小值為500 Ω/V。動力系統(tǒng)由連接的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻最小值為500 Ω/V；若所有交流高壓母線的保護等級達到IPXXB或交流電壓等于或小于30 V，則其最小值為100 Ω/V。

(2)電解液泄漏

碰撞結(jié)束后30 min內(nèi)，不應(yīng)有電解液從REESS中溢出到乘員艙，不應(yīng)有超過5.0 L的電解液從REESS中溢出。

(3)REESS要求

①位移要求。位于乘員艙里的REESS應(yīng)保持在安裝位置，REESS部件應(yīng)保持在其外殼內(nèi)。位于乘員艙外的任何REESS部分不應(yīng)進入乘員艙。

②特殊安全要求。碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，REESS不應(yīng)爆炸、起火[4]。

2 標準對比與分析

將FMVSS、ECE和GB中涉及到高壓電安全方面的各項要求列表，結(jié)果如表1所示。

表1 電動汽車高壓電安全要求

由表1可知：上述3類標準中關(guān)于電動汽車碰撞后電安全要求的考核內(nèi)容基本一致，區(qū)別在于每一基本考核項中的具體要求不同。下面對美標與國標、歐標與國標之間的具體差別進行對比分析。

2.1 美標與國標

FMVSS 305與GB/T 31498-2015在碰撞后電安全方面的技術(shù)要求差別較大，分析如下：

實驗優(yōu)化了標準模式下測鎘、鉛、汞、鉻、砷和銻的強度值，以0.1 L/min的幅度，從0.1 L/min逐漸調(diào)節(jié)Neb至1 L/min，測試不同條件下1 mg/L標準溶液，結(jié)果見圖1。隨著Neb的增大，各元素標準溶液信號逐漸上升，在0.5 L/min 時最優(yōu)，然后下降。因此，測試6種元素的Neb值選擇0.5 L/min。

(1)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)要求。FMVSS 305標準增加了對絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的要求，每個直流高壓部件須有絕緣監(jiān)控系統(tǒng)對其進行監(jiān)控，并能在絕緣失效時發(fā)出警告，而GB/T 31498-2015對此項沒有要求。

(2)防觸電保護要求。FMVSS 305標準規(guī)定了兩項可選的防觸電保護要求，即絕緣電阻要求和電壓要求。而GB/T 31498-2015中，有關(guān)防觸電保護的要求有4項可選方案，分別為電壓要求、電能要求、物理防護和絕緣電阻。

(3)絕緣電阻測試目標。FMVSS 305中絕緣電阻的測試目標是整車的高壓電系統(tǒng)，而GB/T 31498-2015中絕緣電阻的測試目標是REESS。

(4)REESS位置保持要求。GB/T 31498-2015中明確指出“位于乘員艙內(nèi)的電池系統(tǒng)部件應(yīng)保持在其殼體內(nèi)”，而FMVSS 305沒有明確規(guī)定乘員艙內(nèi)的電池系統(tǒng)位置保持要求。

(5)REESS爆炸起火要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定了碰撞結(jié)束后30 min內(nèi)，REESS不應(yīng)爆炸、起火，而FMVSS 305標準并未對此項進行要求。

(6)絕緣電阻阻值要求。FMVSS 305中規(guī)定對不具有絕緣監(jiān)控的高壓電系統(tǒng)，試驗后高壓電系統(tǒng)與車輛電平臺之間的絕緣電阻阻值應(yīng)大于等于500 Ω/V。對具有絕緣監(jiān)控的直流高壓電系統(tǒng)，其絕緣電阻應(yīng)大于等于100 Ω/V。而GB/T 31498-2015規(guī)定動力系統(tǒng)由單獨的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻對于直流母線最小值為100 Ω/V，同時對于交流母線最小值為500 Ω/V。動力系統(tǒng)由連接的直流和交流母線組成時，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻最小值為500 Ω/V，若所有交流高壓母線的保護等級達到IPXXB或交流電壓等于或小于30 V，則其最小值為100 Ω/V。

由上述分析可知，美標中對電動汽車在安全配置方面要求較高，要求所有高壓部件都需要具備絕緣電阻監(jiān)控功能。另外，在防觸電保護中，美標只規(guī)定了對低電壓和絕緣電阻兩項指標進行考核，而國標中除了上述兩項指標，還增加了對電能和物理防護的考核要求。由于防觸電保護中各項考核指標為“或”的關(guān)系，即一項滿足即可。因此，美標相對國標而言，不論是在電動汽車安全配置方面，還是在考核指標方面，其標準要求均嚴于國標。

2.2 歐標與國標

ECE與GB/T 31498-2015在碰撞后電安全方面的技術(shù)要求基本一致，只是在具體的考核指標上略有差異。分析如下：

(1)防觸電保護要求中的電能要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定的能量限值為0.2 J，而ECE中規(guī)定的能量限值為2.0 J。

(2)電解液泄漏要求。ECE中規(guī)定碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，不得有超過7%的電解液從動力電池包中溢出，對于開放型動力電池，則強調(diào)不得有超過7%且最大不超過5.0 L的電解液溢出；而GB/T 31498-2015中只要求了碰撞結(jié)束30 min內(nèi)不得有超過5.0 L的電解液從電池包中溢出，并未對電池包的類型進行規(guī)定。

(3)REESS要求。GB/T 31498-2015中規(guī)定了碰撞結(jié)束后30 min內(nèi)，REESS不應(yīng)爆炸、起火，而ECE中并未做此要求。

由上述分析可知，在考核指標的定值和定性方面，國標要嚴于歐標。

3 實例分析

為了對標準有更好的理解，本文作者以GB/T 31498-2015為依據(jù)，對3款試驗車型進行測試。試驗車型和試驗工況的基本信息如表2所示。

表2 基本信息

由表2可知選擇的3款車型均為運動越野型轎車。另外，從試驗工況上，選擇了目前較為嚴格的100%全寬正面剛性壁障的碰撞試驗。下面按照標準中的各項要求，對3款測試車型試驗后的結(jié)果進行對比和分析。

3.1 電壓要求

按標準要求，試驗車輛在碰撞結(jié)束后的5～60 s之間，其電力系統(tǒng)負載端高壓母線上的電壓Vb、V1和V2應(yīng)不大于30 V交流或60 V直流。對于電動汽車，由于它帶有高壓電池包，因此碰撞后容易發(fā)生起火、爆炸等安全隱患。通常試驗后需要對試驗車輛觀察2～3 min。如果采用人工測量的方式，則測量時間不能滿足該項要求所規(guī)定的5～60 s。為此，實驗室開發(fā)了一套高壓測量儀，設(shè)備如圖1(a)所示。利用該設(shè)備，對3款車型測得的試驗后電壓曲線分別如圖1(b)(c)(d)所示。

圖1 高壓測量儀和電壓曲線

電壓曲線中，橫坐標為時間，原點為碰撞零時刻，縱坐標為電壓值?？芍?款測試車型在碰撞后，其負載端高壓母線上的Vb、V1和V2均呈現(xiàn)下降趨勢，只是下降的速度不同。分別取碰撞后5、15、30和60 s的電壓值，結(jié)果如表3所示。

表3 電壓測試結(jié)果

由表3可知：在碰撞后60 s時，車型二的Vb和V1仍然高于安全電壓60 V。因此，在電壓要求這一項中，僅有車型一和車型三滿足要求。另外，通過對比各個時刻的電壓，可以發(fā)現(xiàn)車型三的掉電速率要遠遠快于車型一。

3.2 電能要求

碰撞試驗后，通過測量車輛負載端放電電阻的電壓和電流，然后利用積分計算的方法得到負載端殘余電能，該計算值要求小于0.2 J。同樣利用高壓測量儀，測試結(jié)果如表4所示。

表4 電能測試結(jié)果

由表3可知：3款車型中僅有車型三滿足要求，而且測試結(jié)果為0；另外兩款車型的測試結(jié)果遠遠高于要求的0.2 J。分析原因，這與車型三負載端的放電速度有關(guān)。當車型三的放電電阻接入負載端時，由于其電壓已經(jīng)低于安全電壓60 V，因此，負載端的殘余電能為0。由此可知，負載端的掉電速度越快，其殘余電能也就越小。

3.3 物理防護要求

物理防護分為直接接觸測試和間接接觸測試。直接接觸測試要求車輛在發(fā)生碰撞后，車內(nèi)外的人員在不使用工具的情況下，不能與高壓帶電部件發(fā)生接觸。間接接觸測試要求任何導體與電平臺之間的電阻應(yīng)小于0.1 Ω。物理防護的測試結(jié)果如表5所示。

表5 物理防護測試結(jié)果

由表5可知：車型一的物理防護未能滿足要求。試驗過程中，由于車型一前機艙變形，導致電機控制器高壓母線的輸入接頭與殼體斷開，并裸露出內(nèi)部的高壓帶電部件。因此，直接接觸測試未能通過。

3.4 絕緣電阻要求

由于3款測試車型均具備自動斷電功能，且試驗后該功能都正常作用，因此整車試驗后的絕緣電阻均需要采用外部激勵源的方法來測量。測試結(jié)果如表6所示。

表6 絕緣電阻測試結(jié)果

注：高壓正對電平臺是指高壓母線正極與電平臺(車架)之間的絕緣電阻；高壓負對電平臺是指高壓母線負極與電平臺(車架)之間的絕緣電阻。

由表6可知：試驗后車型一的絕緣電阻發(fā)生失效，車型二和車型三的絕緣電阻滿足標準要求。分析原因：車型一的絕緣電阻會失效，與其負載端電機控制器高壓母線的輸入接頭與殼體斷開有關(guān)。

3.5 電解液泄漏及電池包位移要求

試驗后，通過對3款車型高壓電池包的仔細觀察，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)電解液泄漏和電池包移位等情況。隨著電池包技術(shù)的提升，目前絕大多數(shù)的高壓電池包均采用了鋰離子電池，另外電池包通常都布置于車輛的中后部。因此，在碰撞過程中難以對高壓電池包產(chǎn)生直接的物理傷害。

3.6 測試結(jié)果

將3款車型的各項測試結(jié)果進行列表，結(jié)果如表7所示。

表7 測試結(jié)果

由表7可知：車型一的4項防觸電保護中，僅有電壓一項滿足要求，其他3項均不滿足；車型二中，電壓和電能未能滿足要求，物理防護和絕緣電阻滿足要求；車型三中，4項考核內(nèi)容全部滿足。對于電解液泄漏和高壓電池包位移的考核，3款車型同樣全部滿足。由此可知，就電安全性能而言，3款車型均滿足國家標準的要求。

4 結(jié)論

通過本文作者的研究，明確了歐標、美標以及國標中有關(guān)電動汽車碰撞后，其電安全性能的考核內(nèi)容。另外，通過對3款車型的測試以及對測試結(jié)果的對比分析，本文作者給出有關(guān)電動汽車電安全設(shè)計的4個建議：

(1)增加自動斷電功能可以大大提高車輛的安全性能，降低由于其他防護失效而發(fā)生次生傷害的概率；

(2)設(shè)計合理的放電電阻，可以有效、快速地降低斷電后負載端高壓母線上的電壓；

(3)試驗后負載端殘余電能的大小與高壓母線上電壓下電的速度有關(guān)，下電速度越快，其殘余電能越??；

(4)高壓部件和高壓線束的合理布局，可以有效避免由于碰撞所導致的高壓部件和線束的擠壓，從而降低由于擠壓所導致的負載端物理防護和絕緣電阻的失效。