新能源汽車制造過程高壓安全檢測的研究

俞炳良

（吉利汽車集團有限公司，寧波 315300）

1 前言

基于能源、環(huán)保等各種因素的綜合驅(qū)動，汽車產(chǎn)品電氣化轉(zhuǎn)型成為主流趨勢。新能源汽車，無論是插電混動，還是純電動，亦或是氫燃料電池汽車，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的最終能量形式都是電能，并且是高達(dá)幾百甚至千伏電壓的高壓電能。相較全車以12 V低壓運行的傳統(tǒng)設(shè)計的小型汽車，新能源汽車的高壓屬性給傳統(tǒng)汽車裝配作業(yè)引入了一個必要的新的工序，即高壓安全檢測。基于自身整車裝配領(lǐng)域的工作經(jīng)驗，同時對新能源汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入及電動汽車安全要求等國家法規(guī)的解讀，通過行業(yè)內(nèi)的大量對標(biāo)，對新能源汽車制造過程的高壓安全檢測及工藝方案作了系統(tǒng)性的研究整理，針對這一問題進(jìn)行專題討論。

2 新能源汽車的高壓屬性

傳統(tǒng)燃油車的電壓需求，僅是車載低壓用電器，考慮到貫穿整車的線束成本、線路能量損耗，一般小型汽車使用12 V供電，大型車輛使用24 V低壓供電。而這個電壓水平對于驅(qū)動車輪行駛來說，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。按前述，主流類型的新能源汽車最終輸出并驅(qū)動車輪的都是電能，其所采用的電壓普遍屬于B級電壓范圍[1]（表1），一般在200~400 V。而電動汽車的高功率需要直流額定電流在60~100 A，峰值輸出電流在200 A以上。

表1 電壓等級 V

3 制造過程高壓安全檢測的必要性

高電壓大電流的屬性，給新能源汽車帶來以下影響。

a.高壓系統(tǒng)回路的可靠性直接決定了車輛的動力性能與品質(zhì)，系統(tǒng)電壓與電流的穩(wěn)定性、響應(yīng)的敏捷性是可靠性的具體表現(xiàn)。因此，高壓系統(tǒng)回路的可靠性是新能源汽車關(guān)鍵產(chǎn)品性能的必要需求。

b.高壓系統(tǒng)回路的可靠性對車輛的駕駛者及乘員的安全至關(guān)重要，同時對車輛的可能接觸者，如維修、生產(chǎn)作業(yè)人員，也是必要的安全保障。

高壓部件通過裝配作業(yè)形成高壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)與車身或其它部件的裝配最終形成整車產(chǎn)品。高壓部件在零部件生產(chǎn)商處進(jìn)行高壓安全的檢測，確保零部件自身的可靠性。而高壓系統(tǒng)及其與整車的高壓安全，則必須在整車裝配制造環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測。

4 高壓安全檢測的主要內(nèi)容

4.1 檢測對象

高壓安全檢測對象分高壓部件與高壓回路兩類。

新能源汽車整車高壓系統(tǒng)回路由各高壓部件及連接這些部件的高壓線纜組成。按車輛功能實現(xiàn)的不同技術(shù)路線、系統(tǒng)集成度水平，各品牌車型上高壓部件的種類和數(shù)量略有差異，但一般包含動力電池、驅(qū)動電機（前/后）、驅(qū)動電機控制器、電動壓縮機、車載充電機和電加熱器。

上述高壓部件通過高壓線纜進(jìn)行串、并及混聯(lián)的形式形成主要的高壓回路。此外，車載慢充接口加充電線纜、車載快充接口加充電線纜各自形成充電系統(tǒng)高壓回路接入整車高壓回路（一般插電式混動車型僅配備慢充接口，純電動車型配備快/慢充兩個接口）。這里將快/慢充高壓回路區(qū)別于整車高壓回路的原因，是充電接口自身是開路狀態(tài)，而開路的回路在整車高壓回路檢測時不能被檢測到。

4.2 檢測項與檢測目的

4.2.1 絕緣電阻

用絕緣材料隔開的兩個導(dǎo)電體之間，在規(guī)定條件下的電阻[2]即絕緣電阻。

絕緣電阻測試可以發(fā)現(xiàn)高壓部件或高壓電路內(nèi)絕緣材料的局部缺陷，或由于絕緣材料破損或高壓部件絕緣保護(hù)措施失效引起的絕緣不完整性。

4.2.2 介電強度

材料能承受而不致遭到破壞的最高電場強度[2]，即介電強度，也稱耐壓性能或電氣強度。

在測試期間，被測設(shè)備的絕緣部分承受非正常的應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)由于加工過程、元件或材料引發(fā)的任何部位絕緣失效。

耐壓測試期間，被測對象的絕緣部分承受非正常的應(yīng)力，檢測發(fā)現(xiàn)絕緣材料的絕緣強度太弱，絕緣體上有針孔，零部件內(nèi)部電氣間隙不夠，絕緣體被擠壓而破裂等情況。

4.2.3 電位均衡

電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分之間電位差最小化[1]，即電位均衡，也稱電位均衡連續(xù)性或接地電阻。

接地電阻是評價被測設(shè)備接地連續(xù)性的量化指標(biāo)。檢測能發(fā)現(xiàn)被測件的安全接地線是否能承受故障的電流流量，確保一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，在輸入的高壓電源開關(guān)未斷開前，使用者可免于觸電的危險。

4.2.4 泄漏電流

由于絕緣不良而在不應(yīng)通電的路徑中流過的電流[2]，即泄漏電流。

泄漏電流與被測設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、使用環(huán)境有關(guān)，泄漏電流如果超過一定限值，將對操作者的安全造成威脅。

4.3 檢測條件與檢測方法

4.3.1 檢測條件

實際車輛裝配后建立的高壓部件與車身，高壓回路與車身之間的連接狀態(tài)，是高壓安全檢測的基礎(chǔ)條件，這也是必須在整車制造過程環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測的原因。

這里的連接狀態(tài)包含兩個方面。

a.被測對象應(yīng)處于最終安裝到整車上的狀態(tài)。所以，如果被測對象到車身的緊固存在預(yù)緊的中間步驟，則檢測應(yīng)放在最終緊固工序的后面進(jìn)行，而不是預(yù)緊工序的后面。如果被測對象是先分裝在某一個部件上，而后隨這個部件以總成的方式再安裝到車身，則檢測應(yīng)放在總成最終安裝到車身后進(jìn)行，而不是分裝工序的后面。

b.被測對象應(yīng)處于接地回路搭建完后的狀態(tài)。如果被測對象有單獨的接地線，則檢測應(yīng)在接地線最終連接或緊固后進(jìn)行，而不是僅在被測對象安裝完成工序的后面。如果被測對象是通過緊固過程及緊固件進(jìn)行接地，則檢測的順序按上述第一個方面的要求進(jìn)行。

4.3.2 檢測方法

絕緣電阻測試時，被測負(fù)載處于非工作狀態(tài)，測試儀輸出一極與被測負(fù)載帶電部分連接，測試儀輸出另一極與被測負(fù)載可觸及的金屬外殼或粘貼在不導(dǎo)電外殼上的測試電極之間施加直流測試電壓。

介電強度是在被測設(shè)備的帶電部件和外殼之間施加數(shù)倍于額定電壓的高壓，以驗證被測設(shè)備的帶電部件有無接地或擊穿。介電強度測試的接線方式與絕緣電阻測試相同。

電位均衡檢測時，從無負(fù)載電壓的電流源取一個規(guī)定的電流，在被測設(shè)備的接地端子與各易觸及的金屬部分之間測量電壓降。由電流和該電壓降計算所得電阻值即為接地導(dǎo)通電阻。

泄漏電流檢測時，被測對象處于非工作狀態(tài)且連接到外部檢測電源，對其施加1.1倍的額定電壓，分別測量相線和零線對機殼或?qū)Φ氐男孤╇娏鳌?/p>

4.4 整車制造過程高壓檢測的建議范圍

4.4.1 建議范圍的考慮因素

現(xiàn)有法規(guī)沒有對汽車整車制造行業(yè)及環(huán)節(jié)進(jìn)行高壓檢測內(nèi)容及范圍的具體要求，但結(jié)合多家整車制造企業(yè)的高壓檢測實施內(nèi)容與范圍，以下為實際生產(chǎn)過程中被納入考慮的因素。

零部件自身的檢測內(nèi)容一般由零部件供應(yīng)商在出廠前實施檢測。零部件級的絕緣電阻和介電強度主要和零件自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及品質(zhì)控制相關(guān)，這類檢測由供應(yīng)商實施檢測，而不在整車制造廠進(jìn)行在線檢測，但各主機廠依據(jù)各自質(zhì)量體系的不同要求進(jìn)行不同頻次的入廠抽檢。

高壓回路的介電強度檢測，應(yīng)綜合考慮其超額定電壓檢測的特性對產(chǎn)品和工藝的實際影響。介電強度檢測不合格，多數(shù)情況表明被測零部件內(nèi)部確保絕緣可靠的電氣間隙被擊穿，從而導(dǎo)致零部件或系統(tǒng)損壞。雖然介電強度檢測所施加的高壓不是一個正常的額定高壓，被檢測對象在檢測過程中承受了非常規(guī)的應(yīng)力，但產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝如不能滿足要求，零件或系統(tǒng)的損壞、生產(chǎn)的停滯等影響將是很明顯的。所以制造企業(yè)可依據(jù)自身的具體情況差異化實施。

4.4.2 檢測建議范圍

如表2，列出在整車制造過程實施高壓檢測項的建議范圍。

表2 高壓安全檢測實施建議范圍

5 高壓安全檢測的工藝方案

5.1 基本原則

5.1.1 先零部件后高壓回路的原則

產(chǎn)品設(shè)計層面，組成高壓回路中任意一個部件的接地電阻失效，未接地或接地不良，整個回路的接地電阻還是可以通過回路中其它接地良好的部件達(dá)到與整車電平臺之間的電位均衡連續(xù)性狀態(tài)。所以針對回路的檢測不能發(fā)現(xiàn)組成回路部件的接地不良缺陷，除非所有組成部件同時存在接地不良，而這種情況發(fā)生的概率極低。所以，從檢測的達(dá)成來說，必須遵循先進(jìn)行零部件檢測，再進(jìn)行高壓回路檢測的原則。

工藝流程層面，整車裝配一般采用流水線形式，在零部件安裝后即進(jìn)行對應(yīng)的檢測有利于進(jìn)行線體作業(yè)平衡的開展。此外，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及整車集成的原因，往往很多的零部件會被后工序裝配的零件所覆蓋或遮擋，這樣就造成后面工序可能沒有足夠的檢測操作空間。因此，從可制造性的實現(xiàn)來說，應(yīng)該遵循先進(jìn)行零部件檢測，再進(jìn)行高壓回路檢測的原則。

5.1.2 優(yōu)先集中檢測的原則

為節(jié)省檢測設(shè)備的配備數(shù)量及成本，最大化利用設(shè)備進(jìn)行集中檢測，對高壓部件的電位均衡檢測應(yīng)進(jìn)行工藝流程的優(yōu)化。應(yīng)依據(jù)高壓部件在車身上的安裝位置及裝配生產(chǎn)線的布置形式，進(jìn)行檢測工序的排布。

通常的做法是，在低工位生產(chǎn)線布置1~2臺檢測設(shè)備，用于發(fā)動機艙及后備箱內(nèi)高壓部件的電位均衡檢測。在高工位生產(chǎn)線布置1臺檢測設(shè)備，用于車身底部諸如動力電池、驅(qū)動電機等高壓部件的電位均衡檢測。

5.1.3 先高壓安全檢測，后功能檢查的原則

高壓安全檢測是確認(rèn)高壓部件及回路裝配后電路系統(tǒng)的可靠性，除了產(chǎn)品自身的設(shè)計，這里面很大程度上其實是在確認(rèn)部件及回路搭建的裝配質(zhì)量，所以，檢測應(yīng)該被視為裝配環(huán)節(jié)的一部分。如同在螺紋緊固作業(yè)后，進(jìn)行的靜態(tài)扭矩檢測一樣。

高壓安全檢測，應(yīng)該先于高壓系統(tǒng)的功能檢查。車輛功能往往在車輛上電或啟動之后才具備，所以，另一層意思上講，高壓安全檢測應(yīng)先于車輛上電或啟動，三者之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 工藝順序

5.2 檢測工藝流程

按上述檢測工藝的基本原則，繪制檢測工藝流程如圖2所示。

圖2 檢測工藝流程一覽

5.3 實施方案

a.高壓零部件及線纜在零部件生產(chǎn)商處進(jìn)行絕緣電阻、介電強度的檢測，以出廠檢測合格報告的形式傳遞到整車制造廠。整車制造廠依據(jù)檢測合格報告，按企業(yè)自身的質(zhì)量體系及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定頻次與數(shù)量的廠內(nèi)抽檢。

b.在內(nèi)外裝生產(chǎn)線的低工位，進(jìn)行發(fā)動機艙、乘客艙及后備箱區(qū)域的高壓部件最終裝配，有單獨接地線的，完成接地線的最終裝配。進(jìn)行發(fā)動機艙、乘客艙及后備箱區(qū)域高壓部件的電位均衡檢測。

c.在底盤分裝線進(jìn)行底盤區(qū)域高壓部件的分裝，在底盤與車身合拼裝配完成后，在底盤線或其后（如有）的高工位區(qū)域，進(jìn)行車身底部高壓部件的電位均衡檢測。

d.在底盤線或其后（如有）的低工位區(qū)域進(jìn)行整車高壓回路的絕緣電阻、介電強度和電位均衡的檢測。

e.進(jìn)行交流慢充充電系統(tǒng)的絕緣電阻、介電強度和泄漏電流檢測；進(jìn)行直流快充充電系統(tǒng)的絕緣電阻和介電強度的檢測。

f.進(jìn)行整車12 V電瓶負(fù)極線連接；進(jìn)行整車軟件刷寫。

g.整車上電、啟動。

h.進(jìn)行整車高壓相關(guān)功能的檢查；進(jìn)行充電功能的檢查。

i.整車淋雨實驗。

j.進(jìn)行車輛高壓系統(tǒng)絕緣性能的再確認(rèn)或檢測。

5.4 檢測設(shè)備及參數(shù)范圍

5.4.1 高壓部件電位均衡檢測

高壓部件電位均衡推薦采用電位均衡檢測儀進(jìn)行檢測。檢測參數(shù)范圍見表3。

表3 高壓部件電位均衡檢測參數(shù)

5.4.2 高壓負(fù)載系統(tǒng)檢測

高壓負(fù)載系統(tǒng)的絕緣電阻和電位均衡推薦采用高壓負(fù)載系統(tǒng)安全性能綜合測試儀進(jìn)行檢測。檢測參數(shù)范圍見表4。

表4 高壓負(fù)載系統(tǒng)檢測參數(shù)

5.4.3 充電系統(tǒng)檢測

直流充電系統(tǒng)、交流充電系統(tǒng)的絕緣電阻、接地電阻和泄漏電流檢測推薦采用充電系統(tǒng)安全性能綜合測試儀進(jìn)行檢測，檢測參數(shù)范圍見表5及表6。

表5 充電系統(tǒng)檢測參數(shù)

表6 充電系統(tǒng)檢測限值

5.5 注意事項

檢測工藝方案的選擇應(yīng)考慮檢測設(shè)備進(jìn)入的空間及人機工程狀態(tài)，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計的同步工程階段即進(jìn)行模擬驗證。

高壓安全檢測過程中，檢測設(shè)備會在被測對象上施加外部的電壓或電流，尤其是介電強度的檢測，施加的電壓范圍將高于系統(tǒng)額定工作電壓數(shù)倍。所以，高壓安全檢測過程，應(yīng)避免同時進(jìn)行其它不相關(guān)的作業(yè)內(nèi)容，同時確保設(shè)備的可靠接地，確保設(shè)備及人員的安全。

6 結(jié)語

a.高壓安全檢測應(yīng)作為新能源汽車產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計工作的一部分，在設(shè)計前期就考慮產(chǎn)品的檢測邏輯、制造可行性、人機工程與檢測工藝規(guī)劃。

b.應(yīng)從系統(tǒng)性和完整性上實施新能源汽車制造過程的高壓安全檢測，確保檢測內(nèi)容全覆蓋。

c.本研究給出的高壓安全檢測方案，是在現(xiàn)有主流新能源整車制造企業(yè)檢測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更系統(tǒng)的優(yōu)化建議，滿足新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入等相關(guān)法規(guī)的要求。