陳彥雷（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上?！?00438）

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一款純電動汽車碰撞斷電功能及碰撞后高壓電安全測試

陳彥雷
（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海200438）

摘要：設計一款純電動汽車整車碰撞斷電方案，并介紹整車碰撞過程中的碰撞斷電功能的測試驗證方案。通過碰撞斷電功能，確保電動汽車在碰撞發(fā)生過程中及時切斷整車高壓電，確保整車高壓電安全。測量方案可以驗證碰撞斷電功能的執(zhí)行情況，并可以測量碰撞后的正常高壓安全情況，為電動汽車的高壓電碰撞安全提供工程方案和驗證方案。

關鍵詞：純電動汽車；碰撞斷電；測量方法；高壓電安全

隨著中國新能源汽車的大力推廣，純電動汽車在解決城市機動車污染排放、提供城市公共交通綠色出行解決方案、調(diào)節(jié)城市電能峰谷電量方面受到青睞［1］。隨著電動汽車成為特大城市私人用戶日常交通工具，涉及電動汽車的交通事故發(fā)生數(shù)量將成逐年上升趨勢。因電動汽車行車過程中，高壓電設備均處于動力電池高壓供電狀態(tài)，所以電動汽車在車禍發(fā)生碰撞過程中需要采取高壓碰撞斷電功能，對高壓電的擴散進行控制，從而確保電動汽車在碰撞發(fā)生過程中和碰撞后的高壓電安全。

電動汽車在日常使用過程中，因為動力系統(tǒng)電池為高壓電源，電壓范圍超過了安全電壓，需要對高壓電源進行防護。電動汽車正常使用過程中，采用的高壓安全防護措施主要有：高壓系統(tǒng)絕緣、高壓系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)；高壓設備防護觸及防護（IP等級）；系統(tǒng)絕緣故障報警燈方式進行高壓電安全防護。

電動汽車的碰撞安全性能指標主要有：高壓電源系統(tǒng)對車體可導電部分小于安全電壓；高壓設備系統(tǒng)母線電量小于0.2 J；高壓設備碰撞后的防觸及功能，碰撞后車輛高壓設備應該具備IPXXB的防護；高壓設備絕緣直流母線絕緣電阻不低于100 Ω/V，交流母線對車身絕緣值不低于500 Ω/V［2］。

電動汽車使用的高壓動力電池，因為動力電池內(nèi)部電解質(zhì)等物質(zhì)，會對人員造成潛在傷害。電動汽車在碰撞過程中，除對其高壓電有安全要求外，對安裝在乘客艙內(nèi)的動力電池應該保持在其外殼內(nèi)，安裝在乘客艙外的動力電池不得進入乘客艙，且動力電池在30min內(nèi)不起火、爆炸、燃燒［2］。

針對電動汽車高壓電安全保護的重要性，及電動汽車碰撞后安全性能特征，本文設計了一款純電動汽車的高壓碰撞斷電功能，確保電動汽車在碰撞發(fā)生的過程中切斷高壓設備。并設計該碰撞斷電功能的驗證測試方案，確保碰撞斷電功能在開發(fā)驗證過程中的可信度，同步測量車輛碰撞后的高壓電安全。該測試方案也可以作為《電動汽車碰撞后安全要求》［2］的測量方案的參考。

1　電動汽車碰撞斷電工程方案

本論文研究的一款純電動寬體輕客，采用磷酸鐵鋰電池為電池組，整車高壓電主要參數(shù)：額定能量75kW·h，電池額定電壓384 V。

可以看出，動力電池的電壓遠遠高于安全電壓，屬于《電動汽車安全要求》［3］中B級電壓，需要在車輛碰撞過程中進行安全防護和安全測量。

該車型的高壓配電基本原理如圖1所示。該高壓配電系統(tǒng)主要包括動力電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、高壓附件系統(tǒng)。高壓附件系統(tǒng)包括DC/DC、油泵控制器及電機、空壓機控制器及電機、電動空調(diào)、除霜除霧等。高壓配電系統(tǒng)主要包含高壓繼電器、高壓熔斷絲等。

圖1　高壓配電原理

為了實現(xiàn)碰斷電功能，首選需要用傳感器來感知碰撞信號。本方案采用碰撞傳感器來感知整車碰撞工況；用碰撞控制器來處理碰撞工況信號，并根據(jù)預先標定，來區(qū)分碰撞或誤作用（例如皮球裝車上就不應該斷高壓等），并發(fā)出碰撞信號給整車控制器VCU和電池管理系統(tǒng)BMS。整車控制器VCU或電池管理系統(tǒng)BMS任何一個設備接收到碰撞信號，即刻通過切斷高壓配電中的高壓接觸器進行高壓斷電工作。

用于識別碰撞斷電的碰撞傳感器需要感知車輛的前后碰撞、左右碰撞。在選擇和布置傳感器的過程中，需要同步考慮以上工況的需求。一般情況下，傳感器的布置如圖2所示。圖2中ECU為碰撞信號控制器，同時具備感知車輛前后碰撞信號。右PAS和左PAS用于識別左右碰撞信號。通過碰撞傳感器感知車輛的碰撞工況，并由碰撞控制器ECU根據(jù)標定來識別。

基于動力電池高壓配電原理和碰撞傳感器，感知碰撞信號的高壓碰撞斷電工程原理如圖3所示。碰撞傳感器感知電動汽車的碰撞工況，并把碰撞加速度信號傳送給氣囊控制器ECU模塊。氣囊ECU模塊感知到碰撞，并根據(jù)標定值，剔除碰撞的誤作用信號后，發(fā)出碰撞狀態(tài)值到整車控制器和動力電池管理系統(tǒng)BMS。動力電池管理系統(tǒng)BMS無論接收到來自氣囊控制器ECU的信號或整車控制器VCU的碰撞信號，即刻切斷高壓輸出的繼電器來切斷高壓，實現(xiàn)電動汽車特有的碰撞斷電功能，確保正碰撞后高壓電控制在動力電池內(nèi)部，避免發(fā)生高壓電泄漏的危害，最大程度保護乘員。

圖2　碰撞傳感器布置安裝示意

圖3　碰撞斷電工程原理

2　碰撞斷電功能測試驗證

2.1碰撞斷電功能測試原理

電動汽車高壓碰撞斷電的監(jiān)測方案因全過程比較復雜，且高壓電源無法引用目測方案，必須采用全過程的數(shù)采電測方案。

本文論述方案使用總線采集儀器和數(shù)據(jù)采集儀器，記錄氣囊控制器發(fā)出PWM信號和CAN總線信號，并記錄2個信號傳送到整車控制的過程，記錄整車控制器接收到2個信號的過程和結果，并由整車控制器轉發(fā)給電池管理系統(tǒng)BMS，數(shù)采電測系統(tǒng)記錄到BMS接收到信號的過程，并記錄到BMS發(fā)出斷電指令，切斷高壓接觸器斷高壓，并發(fā)給儀表切斷高壓電狀態(tài)信號。數(shù)采電測的另外一個系統(tǒng)，采集動力電池輸出端電壓從最大到?jīng)]有輸出；高壓設備高壓電均無高壓電電壓和電流信號的輸出，且各個高壓電設備均處于無高壓電狀態(tài)。

通過實施方案的驗證監(jiān)測，確認電動汽車碰斷高壓電功能工程實施是有效的。且整個過程進行記錄可回放，與整車碰撞安全同步實施，是經(jīng)得起實踐檢驗的。

整個電動汽車碰撞斷電功能測試原理及流程圖如圖4所示。電動汽車實際碰撞高壓斷電功能及碰撞后高壓電安全測試實例照片如圖5所示。

圖4　電動汽車碰撞斷電驗證監(jiān)測方法

圖5　電動汽車碰撞斷電及碰撞后高壓電安全測試驗證

2.2碰撞后的高壓電安全評估

根據(jù)GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》的要求，電動汽車碰撞測試流程和碰撞后的高壓電安全評估流程如圖6所示。

電動汽車碰撞后高壓電安全評價標準主要有以下要求中的任何一個：①整車母線電壓、母線搭鐵電壓滿足交流不大于30 V和自流不大于60 V；②電能要求高壓母線上的總電能應小于0.2 J；③物理防護——碰撞后車輛所有高壓設備應有IPXXB級別的防護；④高壓絕緣電阻——高壓絕緣電阻滿足GB/T 18384—2015《電動汽車安全要求》的要求。

在滿足以上標準的同時，動力電池電解液泄漏量、動力電池移動位移滿足相應的要求，且碰撞結束后30min內(nèi)不得爆炸、起火。

經(jīng)過碰撞斷電安全驗證，實際證明了該車型安全滿足GB/T 18384—2015《電動汽車安全要求》中所有的安全參數(shù)。

圖6　電動汽車碰撞后安全要求測試流程

3　展望

本文介紹了一種電動汽車碰撞時切斷高壓的工程方案，用于確保成員不受到高壓電的傷害。該方案具備車輛碰撞傳感器感知，并通過總線信號和模擬方波PWM信號發(fā)給動力電池管理系統(tǒng)，并通過總線信號發(fā)給動力電池管理系統(tǒng)BMS和整車控制器VCU，做到控制信號的冗余控制。整車切斷高壓指令由動力電池管理系統(tǒng)BMS進行執(zhí)行。

高壓碰撞斷電工程測試工程方案，通過多系統(tǒng)的數(shù)采電測設備，監(jiān)控電動汽車整車高壓碰撞斷電驗證的測試認證過程；通過該系列的數(shù)采電測證明，碰撞下高壓斷電是斷電功能實施的主動斷電，而非誤作用斷電，高壓斷電功能工程方案實施有效。

通過碰撞后的整車高壓電安全檢驗，確認整車碰撞后的高壓電安全完全滿足GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》所規(guī)定，確保了電動汽車使用安全和特殊工況下的安全。本方案為電動汽車的推廣提供了一種比較全面的工程解決方案和測試驗證方法。

參考文獻：

［1］陳彥雷.一款純電動城市客車整車電功耗測試［J］.汽車電器，2016（1）：62-64.

［2］GB/T 31498—2015，電動汽車碰撞后安全要求［S］.

［3］GB/T 18384—2015，電動汽車安全要求［S］.

（編輯楊景）

After-crash Power Off Function and High Voltage Security Test for an EV City Bus

CHEN Yan-lei
（SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，shanghai 200438，China）

Abstract：The author designs a solution for pure electric vehicle power off when crashing and introduces verification test scheme.Through this solution of power off，the electric car in crash could cut off the high voltage power in time，to ensure the high voltage security of the vehicle.The measurement scheme can verify the performance of this power off function，and can confirm the high voltage safety after the vehicle crash，which provide engineering and verifying strategy for pure electric vehicle security after crash.

Key words：pure electric vehicle；power off on crash；measurement；high voltage safety

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：B

文章編號：1003-8639（2016）06-0018-03

收稿日期：2016-05-10；修回日期：2016-05-18

基金項目：上海市科學技術委員會基礎研究重點項目（13dz1205300）

作者簡介：陳彥雷（1980-），男，上海人，碩士，工程師，主要從事新能源汽車整車高壓電安全及高壓配電系統(tǒng)研發(fā)設計工作。