新能源三電系統(tǒng)功能安全技術現(xiàn)狀

趙燁

摘 要：隨著科技的快速發(fā)展和對清潔能源的需求，以電力為主的新能源逐漸運用在了汽車領域，新能源領域的“三電”是指動力電源、電驅動、電控。三電涉及到了汽車功能的各個方面，對汽車的發(fā)展至關重要，尤其是對汽車的安全功能影響重大。本文主要介紹三電安全的發(fā)展過程，分析國際標準化組織道路車輛功能安全標準給新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術帶來的挑戰(zhàn)及其推進作用。

關鍵詞：三電系統(tǒng);技術安全;新能源

電力系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)的動力能源來說具有很大的優(yōu)點，但是電力能源從發(fā)展到現(xiàn)在技術上還存在很多問題，比如：動力不均衡問題，電池續(xù)航時間問題等，當然影響最大的還是電力功能安全問題。功能安全即在電子電氣系統(tǒng)中不能存在由功能異常表現(xiàn)出的隱患，并產(chǎn)生不合理的風險，其本質在于控制這些不合理風險的產(chǎn)生。

1 功能安全標準發(fā)展的三個階段

首先是上世紀90年代歐美等國頒布的功能安全相關標準，這一標準最初應用在工業(yè)領域，面對的對象也是測量和控制設備。由于不是專門應對新能源汽車電力系統(tǒng)功能安全，因此這一階段的功能安全范圍相當模糊。其次在21世紀初德國和美國頒布了《電子 /電氣 /可編程電子安全相關系統(tǒng)（E/E/PE）的功能安全 》。相比較上一階段，這一階段對功能安全的定義較為清楚，范圍主要包括電子電氣領域。但是本階段的功能安全標準也有一定的局限性，側重于對功能安全的描述，尤其是對各種電氣問題的定義，卻沒有制定具體的可操作措施。21世紀電氣技術得到了快速發(fā)展，電動汽車發(fā)展迅速，伴隨而來的就是安全問題頻發(fā)，“功能安全”逐漸得到了重視。因而2005年國際標準化組織（ISO）專門制定了最新的功能安全標準，即功能安全ISO26262標準。這一版本是當前運用的主流，其將功能安全分為十個部分，既包含了相關的功能安全定義、術語，也包含功能安全的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，具體的功能運用，安全性能測試等。

2 基于當前標準的汽車電子電氣系統(tǒng)開發(fā)流程

首先是概念設計階段。本階段是電動汽車生產(chǎn)的理念和邏輯研發(fā)階段，可以說電動汽車后期的所有功能以及問題都是從這一階段誕生的。因此，在概念設計階段一方面要考慮電動汽車的各種功能，滿足客戶的個性化需求，增強電動汽車的實用性;另一方面也要加強風險評估，對汽車研發(fā)的邏輯和理念進行推敲，對有可能出現(xiàn)的風險問題進行修正，細化功能安全內(nèi)容中的各種安全問題。

其次是產(chǎn)品研發(fā)階段。產(chǎn)品研發(fā)就是對概念設計的落實，讓功能安全內(nèi)容落實到汽車各個功能之中。從當前來看產(chǎn)品研發(fā)往往不能嚴格按照概念設計的理念來進行，造成這種現(xiàn)象的原因一方面是概念設計過于理想化，當前的技術手段難以達到設計要求;另一方面是產(chǎn)品研發(fā)人員對概念設計的理解很不到位，因此在產(chǎn)品設計階段，要加強科技投入，加強溝通深化對概念的理解，落實概念設計理念。

最后就是新能源汽車使用的各個生命周期。所有的新能源汽車都要經(jīng)歷生產(chǎn)、運行、維護和報廢這四個階段，因此電子電氣系統(tǒng)在開發(fā)使用過程中一定要嚴格遵守生產(chǎn)參數(shù)，防止生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)“短板”效應。另外，ISO26262標準的功能安全還通過對于支持過程需要的開發(fā)接口、安全要求定義、配置、變更、驗證、軟硬件工具/組件等方面進行詳細的規(guī)范，其性質類似于質量管理體系的相近特征，保證電控產(chǎn)品的功能安全性能的一致性和可靠性。

3 動力電源方面的功能安全技術

3.1 動力電池碰撞斷電保護

根據(jù)當前相關的電動車碰撞規(guī)定，電動車出現(xiàn)碰撞之后整車母線及母線搭鐵電壓交流不能高于30伏直流不能高于60伏，殘余總電能要小于0.2焦耳;碰撞高壓設備要具有一定級別的物理保護，同時滿足絕緣要求。這就要求在發(fā)生碰撞時要盡量縮短系統(tǒng)啟動時間，同時根據(jù)ISO26262的功能安全標準，在電動汽車發(fā)生碰撞時要具備主動防護和被動防護兩種方式。主動保護功能的設置應該側重在以下方面：利用CAN總線通信實現(xiàn)碰撞斷電保護，通過安全氣囊ECU來設置合理的碰撞閾值，一旦達到碰撞閾值立即反饋到BMS即可切斷整車的高壓電回路;用PWM波實現(xiàn)碰撞斷電保護。當安全氣囊的碰撞保護其靈敏性和智能性欠佳時，采用PWM波立即切斷整車高壓回路;采用信號冗余結合CAN總線及PWM波，只要任一路信號有效即切斷高壓電回路。被動防護主要是將碰撞傳感器開關加載在高壓互鎖回路中（HVIL），此要求需要低壓線束高壓互鎖回路必須形成閉環(huán)設計無誤。當碰撞開關被觸發(fā)時切斷HVIL回路，切斷高壓供電。

3.2 動力電池高壓電防護和充放電安全管理

ISO26262的功能安全規(guī)定要對電動車電池高壓進行防護，不允許接觸電壓超過人體安全電壓（36伏），且規(guī)定了各種電氣系數(shù)，保證了人體的絕對安全。雖然規(guī)定如此但是想要實現(xiàn)這種規(guī)定并不容易，在具體的操作當中容易出現(xiàn)一定的問題，如高壓電實效造成車輛失去動力，出現(xiàn)碰撞之后高壓電斷電實效，高壓回路監(jiān)督狀態(tài)實效等。想要避免這些問題就必須要做好兩個方面，上電過程控制策略和運行過程診斷策略。另外，關于充放電安全管理ISO26262也有具體的要求，為了減少充放電存在的安全隱患，要從以下三個方面入手。充電過程中針對不構成人體安全的輕微故障，可以設置警報而不是直接停止充電;針對某些故障，報警的同時限制充電功率，針對較大故障如冒煙、高溫等現(xiàn)象要立即斷電。在放電過程中安全管理策略要更加智能，通過VCU采集電池管理系統(tǒng)及微控制器的信號數(shù)據(jù)，發(fā)出調(diào)動指令根據(jù)駕駛意圖合理控制放電安全。

4 動力驅動方面的功能安全技術

4.1 硬性故障和軟性故障分析

從目前來看動力系統(tǒng)主要存在兩種故障其一是硬性故障，其二是軟性故障。硬性故障主要是指電動驅動系統(tǒng)的硬件設施，除了電機控制芯片還包括安全監(jiān)控芯片。電機芯片控制電車動力，讓電車實現(xiàn)各種功能，安全監(jiān)督芯片則主要負責安全，在電動異常的情況做出一些列的操作，包括各種警報。應對硬性故障主要就是對各種硬件進行參數(shù)檢測，在使用過程中對硬件進行維護和保養(yǎng)。軟性故障則主要表現(xiàn)在汽車功能障礙方面，即系統(tǒng)的異常各種硬件設施無法完成相應的功能。相比較硬性故障來說，軟性故障更加復雜處理起來難度更大。

4.2 冗余措施對動力驅動功能安全的提升

通常冗余措施主要包括以下幾個方面：提高CAN的數(shù)據(jù)傳輸安全行，可以在數(shù)據(jù)傳送當中增加驗證碼;通過電壓和電流采樣的方式，避免出現(xiàn)電壓和電流異常，可以在多個驅動橋臂上采樣母線電壓和電流，保證采樣代表性，提升動力驅動的穩(wěn)定性;設置旋轉變壓器，其主要目的是車輛出現(xiàn)故障之后，在切斷高壓電流時仍然可以給車輛提供一定的電力，滿足靠邊停車的需求。

5 電控技術方面的功能安全分析

電控技術是電動汽車的核心系統(tǒng)，電動不只是電力驅動、電力安全還包括各種電氣軟件之間的協(xié)作。電動汽車的各種硬件和軟件是相互聯(lián)系的，電控技術就是聯(lián)系二者的網(wǎng)絡，對電動汽車的動力安全、用戶體驗和整車性能都有著至關重要的作用。

整車控制單元雙VCU架構：當前的VCU分為主副雙結構，主結構功能較為強大，融合了32位單片機，副結構功能相對較少，單片機的數(shù)量也只有主結構的一半。為了確保VCU的可靠性，需要控制芯片的溫度范圍、注重部件的冗余措施、設計電磁兼容系統(tǒng)，將其運用在電源、信息采集、通信等模塊。對于雙VCU架構來說還需考慮某些安全性功能機制，例如：基于冗余與異構原則，設計主副VCU時采取不同芯片設計避免共因失效;主副VCU之間互相傳遞生命信號即SPI問答機制;SPI冗余設計，降低因SPI單點故障而造成的功能失效。

整車控制單元故障處理措施：變量缺省原則，即在電動汽車正常行駛的過程中，整車控制單元發(fā)生故障時，取整車控制單元檢測到的最后一次SOC值作為缺省值，并以此SOC值為基礎進行系統(tǒng)控制。轉矩限制原則，這一原則較為容易理解，就是整車電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，為了避免電機因電力流失過多而造成的發(fā)熱，適當降低驅動電機力矩輸出，降低用電功率。當然在整車控制單元故障當中根據(jù)故障的嚴重程度，也要采取不同的措施，面對輕微障礙要及時拉響警報，提示駕駛員注意行車安全;針對制動能量回收障礙，要及時關閉制動能量回收功能，同時拉響警報;針對更為嚴重的障礙則要立即斷電，保護駕駛安全。

6 結語

總之，新能源汽車是當前汽車研發(fā)的新領域，以其能源的清潔型而受到青睞，不過從當前來看新能源汽車的主要安全問題表現(xiàn)在“三電”方面。針對動力電源安全，主要表現(xiàn)在動力電池碰撞斷電保護、動力電池高壓電防護和充放電安全管理方面;針對動力驅動安全方面，主要是針對硬件和軟件障礙，采取的冗余措施，提升動力驅動的安全性;針對電控技術主要是側重于整車單元控制障礙，利用一定的措施預防電控障礙，降低電控障礙帶來的安全隱患。

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