王祖聲

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

電動汽車采用高壓電力作為車輛運(yùn)行的能量傳輸和動力輸出方式，相比傳統(tǒng)汽車有著能源清潔上的環(huán)保意義，因此近幾年得到了國家的大力推廣，新能源汽車也得到了快速的發(fā)展。但是，電動汽車高壓電力運(yùn)行過程的高壓安全問題一直是市場和消費(fèi)者所擔(dān)心的隱憂，電動汽車的高壓安全設(shè)計也得到越來越多的關(guān)注。相應(yīng)的國家法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于高壓安全的要求也持續(xù)完善中。其中，高壓零部件的密封防護(hù)要求作為高壓安全防護(hù)最基本、最重要的設(shè)計要求，對其設(shè)計要求和驗證方法也在不斷發(fā)展和完善中。

1 法規(guī)要求

首先，IP67是目前人們最為熟知的密封要求，其標(biāo)準(zhǔn)出自GB4208-2008。具體要求為高壓零部件在完整裝配狀態(tài)下放置在水下1 m處30 min后取出，若是不存在進(jìn)水現(xiàn)象則該狀態(tài)的高壓零部件滿足IPX7；而將其置于防塵試驗箱中沒有灰塵進(jìn)入則為滿足IP6X。綜合兩項測試通過，即為滿足IP67。現(xiàn)在國內(nèi)外的高壓安全法規(guī)中，均將IP67作為高壓零部件的基本設(shè)計要求，而且是零部件全生命周期內(nèi)都必須保證的密封性能。

由于操作方面的原因，充電接口在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)IP67的設(shè)計要求，因此充電接口的密封要求是在其充電座蓋蓋好或者充電槍插好的情況下滿足IP54，即可以在濺水狀態(tài)下保證充電接口不進(jìn)水且只會進(jìn)入少量灰塵不影響設(shè)備運(yùn)行。除此之外，其他高壓零部件的基本密封要求均是IP67。

圖1所示為GB4208-2008中關(guān)于各IP等級的規(guī)范要求。一般普通家用電器只做到IP20，最高的防護(hù)等級能達(dá)到IP44。可見IP67的設(shè)計要求是很高的，法規(guī)對電動汽車高壓零部件的密封要求的重視程度可見一斑。

圖1 IP防護(hù)等級規(guī)范要求

另外，除了防水防塵的要求外，還有防止金屬異物和手指誤觸的設(shè)計要求。其中，高壓零部件在未裝配好相應(yīng)接插件等其他接口部件時，要求滿足IPXXB的防護(hù)要求，即不大于12 mm直徑的物件 （包括手指在內(nèi)）不能接觸到高壓零部件的危險部件 （比如高壓導(dǎo)體）并與之保證安全間隙。高壓零部件在裝配好相應(yīng)接插件等對接部件后，要求滿足IPXXD的防護(hù)要求，即不大于1 mm的金屬針或線不能接觸到高壓零部件的危險部件并與之保證安全間隙。此兩項要求的主要目的是防止人員直接或間接通過物件接觸到危險部件，避免發(fā)生觸電等安全事故。

圖2為IPXXD觸指和IPXXB觸指示意圖。通過對各個接縫的觸指測試，驗證高壓危險導(dǎo)電部件不會被輕易誤觸，避免觸電的安全事故。

圖2 IPXXB和IPXXD觸指

2 設(shè)計目的

防水防塵 （尤其是防水）一直作為高壓零部件防護(hù)設(shè)計中最基本最重要的設(shè)計要求。究竟水對于高壓安全的影響有多大？

首先，觸電對人體造成傷害的是電流，頻率為15～100 Hz的交流電流大于10 mA后，肌肉就將發(fā)生不自主的收縮，無法擺脫觸電導(dǎo)體，以致造成更大的觸電傷害。根據(jù)歐姆定律，觸電電流的大小取決于回路電壓和回路阻抗。人體的阻抗值取決于很多因素，尤其是電流路徑、接觸電壓、電流持續(xù)時間和頻率、皮膚潮濕程度、接觸的面積、壓力和溫度等。在較低的安全電壓下，人體阻抗超過一千歐甚至幾千歐，通過人體的電流遠(yuǎn)小于10 mA，因此不會發(fā)生觸電事故。但是在較高的危險電壓下，由于皮膚會出現(xiàn)被燒蝕等現(xiàn)象造成人體阻抗明顯下降，此時升高的觸電電壓和降低的人體阻抗將產(chǎn)生較大的觸電電流，造成危險的觸電傷害。

目前，電動汽車的高壓安全法規(guī)對于安全電壓的等級劃分界限為：不大于30 V的交流電壓或者不大于60 V的直流電壓為A級電壓即安全電壓，超出該界限的電壓則為B級電壓即危險電壓。

高壓零部件在正常狀態(tài)下，所有高壓導(dǎo)體都有相應(yīng)的絕緣處理，電氣間隙和爬電距離都能滿足相應(yīng)安全要求，這種情況下的高壓回路在工作時其對搭鐵絕緣電阻可以有效保證在500Ω／V以上，泄露電流可以得到有效控制保證高壓安全。但是高壓零部件一旦進(jìn)水，水中所含的電解質(zhì)在高電壓下作為良好導(dǎo)電體，使得原來可以保證的絕緣電阻急劇下降。此時若無其他安全設(shè)計，人員發(fā)生誤觸并形成導(dǎo)體回路后將發(fā)生觸電事故。因此在高壓安全設(shè)計中，始終將高壓零部件的防水性能作為重中之重。

3 測試驗證

近幾年隨著電動汽車的快速發(fā)展，市場上也積累了不少使用經(jīng)驗，對于高壓零部件密封的失效案例及對應(yīng)測試驗證方法也有了較為完整的規(guī)定。

鑒于城市內(nèi)澇和道路積水的工況場景，整車涉水試驗（圖3）一直是法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定和整車高壓安全測試驗證的焦點(diǎn)。但I(xiàn)P67是靜態(tài)下設(shè)計要求，而涉水試驗是動態(tài)下的測試認(rèn)證。靜態(tài)下的IP67可否防護(hù)動態(tài)下行車水壓并沒有相關(guān)的實(shí)測數(shù)據(jù)驗證。

為此筆者就此問題，在涉水試驗中于底盤高壓部件處裝置壓力傳感器，實(shí)測涉水試驗中整車底盤迎面水壓的壓力值。圖4a為涉水工況一：上海地標(biāo)要求的150 mm水深，30 km／h車速，紅色線為IP67測試條件下的1 m水壓壓力值。由實(shí)測壓力曲線可以看出此工況下由于車速較快，高壓部件殼體在個別瞬間承受了2 m水壓壓力。圖4b為涉水工況二：上海地標(biāo)要求的300 mm水深，5 km／h車速下的水壓實(shí)測曲線。此工況下由于車速較慢，高壓部件殼體承受的水壓基本取決于水深深度，沒有超出1 m水壓范圍。綜上，涉水試驗動態(tài)測試在車速較快的工況下，滿足IP67的高壓零部件并不一定能保證其有效防護(hù)。為此，高壓零部件的靜態(tài)IP67設(shè)計與整車涉水試驗的動態(tài)測試，二者相互補(bǔ)充，缺一不可，才能更有效地保證高壓零部件的有效防護(hù)。

另外，暴雨天氣和車輛清洗的情況也是廣泛存在的現(xiàn)象，尤其是前艙打開情況下出現(xiàn)暴雨天氣等極端工況。為此高壓安全法規(guī)也規(guī)定了整車需要進(jìn)行模擬暴雨和模擬清洗的整車測試。其中模擬暴雨是在整車可打開部件 （比如前艙蓋）均打開的狀態(tài)下，使用IPX3噴頭對整車進(jìn)行5 min的均勻噴灑，流量為10 L／min，其目的在于檢測極端狀態(tài)下出現(xiàn)暴雨時整車是否存在高壓風(fēng)險。而模擬清洗使用的是IPX5噴嘴，12.5L／min，0.1 m／s的速度對所有接縫進(jìn)行沖洗，目的是檢測整車可打開部件在關(guān)閉狀態(tài)下，其接縫處耐受沖洗的風(fēng)險測試。

圖5a為前艙打開狀態(tài)下進(jìn)行模擬暴雨測試，圖5b為模擬清洗測試對整車所有接縫處進(jìn)行沖洗。這兩項測試均是要求測試結(jié)束后，整車高壓絕緣均維持正常，不存在進(jìn)水情況。

圖3 整車涉水試驗

圖4 涉水試驗的底盤迎面水壓

4 總結(jié)及展望

IP67作為高壓零部件最基本，也是最重要的防護(hù)要求，已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。但是在實(shí)際開發(fā)過程中，仍存在各式各樣的失效模式。比如，密封圈在高溫老化后變形量過大導(dǎo)致密封失效，高壓接插件密封圈貼合面平整度差導(dǎo)致的密封失效，振動工況下殼體變形導(dǎo)致的密封失效等。甚至部分能級差的供應(yīng)商還會出現(xiàn)密封圈漏裝的品質(zhì)問題。因此開發(fā)過程中的多輪反復(fù)測試驗證以及量產(chǎn)下線的氣密性測試都是非常有必要性的。電動汽車高壓零部件的長期穩(wěn)定有效密封必須得到有效保證。

隨著整車高壓安全防護(hù)設(shè)計的不斷發(fā)展和豐富，多重安全防護(hù)設(shè)計也得到了更多的關(guān)注和應(yīng)用。比如絕緣監(jiān)測、高壓互鎖、等電位設(shè)計、多級鎖止、斷電保護(hù)、電容放電等的安全設(shè)計要求漸漸成為整車的設(shè)計必須項和法規(guī)要求的必檢項。有了這些安全設(shè)計，使得IP67防護(hù)不再“勢單力薄”，電動汽車的高壓安全防護(hù)也變得更有保障。

另外，IP69也開始走進(jìn)人們的視線，其設(shè)計要求比IP67更為嚴(yán)苛，密封防護(hù)更為可靠，整車經(jīng)受涉水等工況也更有保障。現(xiàn)在一些走在前列的高壓零部件，尤其高壓接插件，已經(jīng)將其作為必備設(shè)計要求。相信隨著電動汽車的持續(xù)發(fā)展，相應(yīng)配套工藝的不斷改進(jìn)優(yōu)化，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的豐富完善，高壓安全設(shè)計也將越來越成熟，電動汽車的安全運(yùn)行也能得到更好的保障。

圖5 模擬暴雨和模擬清洗測試