宋芳 張宇鵬 梁士福 李想

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：電動(dòng)汽車 高壓安全 觸電

1 引言

電動(dòng)汽車的高壓安全是車輛開發(fā)過(guò)程中需關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題之一。近年來(lái)，隨著政府相關(guān)政策的扶持和推動(dòng)，電動(dòng)汽車逐漸普及，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠對(duì)電動(dòng)汽車安全相關(guān)技術(shù)的研究也愈加廣泛和深入[1]。自GB/T 18384.3—2015《電動(dòng)汽車 安全要求 第3部分人員觸電防護(hù)》發(fā)布以后，高壓安全作為一項(xiàng)重要的考核內(nèi)容成為各主機(jī)廠重視的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在行業(yè)上也逐漸形成了一套相對(duì)通用的符合標(biāo)準(zhǔn)要求的基本技術(shù)方案。2020年，該標(biāo)準(zhǔn)已轉(zhuǎn)化為GB 18384—2020《電動(dòng)汽車安全要求》，行業(yè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，各車企在滿足國(guó)標(biāo)基本要求之上依據(jù)自身對(duì)成本、產(chǎn)品定位等不同方面的考量，在行業(yè)通用技術(shù)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高壓安全的綜合設(shè)計(jì)。

2高壓安全技術(shù)概述

電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)的目的是保障駕乘人員在使用電動(dòng)汽車的過(guò)程中不發(fā)生觸電事故，其所有技術(shù)措施都是為了降低人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)車上觸電事故的發(fā)生有2個(gè)必要條件：（1）形成觸電回路；（2）回路正負(fù)極之間具備B級(jí)電壓范圍內(nèi)的電壓差或者具有大于0.2 J的電能。高壓安全的各項(xiàng)技術(shù)措施正是從規(guī)避這2個(gè)條件的維度展開設(shè)計(jì)的，如圖1所示。因此，高壓安全的整體思路是首先保證人員無(wú)法直接或者間接接觸到高壓帶電部件，其次是盡量保證在車輛非使用狀態(tài)下不帶有高壓電壓或電能。

圖1 高壓安全各項(xiàng)技術(shù)概覽

首先，為了降低形成觸電回路的可能性，提高電動(dòng)汽車的整體使用安全，高壓安全中引入了絕緣電阻設(shè)計(jì)，即電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)采用了與低壓系統(tǒng)所不同的浮地設(shè)計(jì)。通過(guò)正負(fù)極均與電平臺(tái)相隔離的設(shè)計(jì)方式（圖2），保障了電動(dòng)汽車在出現(xiàn)一個(gè)故障的情況下沒(méi)有觸電風(fēng)險(xiǎn)，從整體上大幅度降低了觸電的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

圖2 高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)的絕緣隔離示意

其次，高壓安全識(shí)別出形成觸電回路的2種原因，分別是高壓系統(tǒng)中存在帶電部分裸露和絕緣電阻失效的情況。針對(duì)高壓系統(tǒng)中存在帶電部分裸露的問(wèn)題，對(duì)整車所有高壓總成提出了裝配后IPXXB/IPXXD的接觸防護(hù)要求，并具有高壓標(biāo)記用于警示高壓危險(xiǎn)。同時(shí)，為了防止沒(méi)有裝配好或者電氣連接脫落的情況，設(shè)計(jì)高壓互鎖功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行故障報(bào)警。針對(duì)高壓系統(tǒng)的絕緣失效問(wèn)題，高壓安全從多個(gè)維度去降低并監(jiān)測(cè)故障。首先，對(duì)系統(tǒng)絕緣電阻的大小進(jìn)行了合理的要求，并設(shè)計(jì)有絕緣監(jiān)測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)的絕緣情況并在故障時(shí)予以報(bào)警；其次，通過(guò)耐電壓性的設(shè)計(jì)來(lái)保證高壓系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下的絕緣電阻穩(wěn)定性；再次，通過(guò)防水試驗(yàn)來(lái)考核絕緣電阻在整車遇水后的穩(wěn)定性；最后，通過(guò)電位均衡技術(shù)，在車輛發(fā)生雙點(diǎn)且非同極的絕緣失效情況下將故障電流更多地引入電位均衡裝置所在回路，從而保護(hù)了人體。

再次，高壓安全為了盡量消除“電壓差”的必要條件，考慮了車輛在正常下電或故障下電后高壓系統(tǒng)內(nèi)電容殘存的能量問(wèn)題。X電容在下電或碰撞后攜帶的能量由下電或碰撞后的主動(dòng)放電及被動(dòng)放電2項(xiàng)技術(shù)措施釋放至60 V或者0.2 J安全電能以下，提高了車輛在下電后或碰撞后的安全性。對(duì)于Y電容過(guò)大可能造成的單點(diǎn)失效觸電問(wèn)題，對(duì)單極Y電容的能量進(jìn)行了約束，要求其能量不大于0.2 J。目前也有一些專利針對(duì)Y電容超過(guò)0.2 J的情況進(jìn)行下電及碰撞后的Y電容的放電流程。

最后，高壓安全也考慮了碰撞的特殊工況，提出碰撞后如果不能滿足消除高電壓、高電能的觸電必要條件，則需要保證碰撞后高壓部件IPXXB不失效，且電位均衡不失效，或者IPXXB失效不超過(guò)1個(gè)，且絕緣電阻不失效。

3 高壓安全技術(shù)措施詳述

分別對(duì)概述中提及的高壓安全各項(xiàng)技術(shù)的要求和通用技術(shù)方案進(jìn)行具體闡述。其中，電動(dòng)汽車的碰撞安全作為一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)同時(shí)涉及避免觸電回路和避免高壓電壓/電能的2個(gè)方面，在本章節(jié)最后單獨(dú)作為一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 高壓標(biāo)記

高壓標(biāo)記用于向電動(dòng)汽車的使用者和維修人員提示高壓危險(xiǎn)。高壓標(biāo)記有2種要求，一種是針對(duì)非線束類的高壓部件，要求其可見(jiàn)位置應(yīng)具有高壓警告標(biāo)識(shí)，另一種是針對(duì)高壓線束，要求其顏色應(yīng)為橙色，表示高電壓危險(xiǎn)的含義。高壓警告標(biāo)識(shí)的樣式至少要包含GB 18384—2020中所要求的三角形外框內(nèi)部為閃電形狀的標(biāo)識(shí)，其顏色色號(hào)和尺寸在該標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)明確要求，可參考該標(biāo)準(zhǔn)宣貫材料中的建議色號(hào)和尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，高壓警告標(biāo)識(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮剝離強(qiáng)度、耐熱性、耐寒性、耐化學(xué)藥品性、耐磨損性這些方面，以保證高壓警告標(biāo)識(shí)可以在車輛生命周期內(nèi)不發(fā)生損壞。

3.2 接觸防護(hù)

接觸防護(hù)用于防止高壓部件的內(nèi)部帶電部分被人員直接接觸到，防護(hù)等級(jí)一般設(shè)計(jì)為IPXXB或者IPXXD。在GB 18384—2020中，要求布置于前機(jī)艙和底盤上的高壓部件滿足IPXXB要求，駕駛艙和后備廂的高壓部件滿足IPXXD要求[4]。目前行業(yè)通用的設(shè)計(jì)方案高于GB 18384—2020的要求，全車的高壓部件均按IPXXD進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在車輛不發(fā)生故障的情況下，IPXXB/IPXXD的接觸防護(hù)要求是非常容易實(shí)現(xiàn)的，只要通過(guò)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)部件的密封性就可以滿足要求。但在碰撞這種特殊故障情況下，高壓系統(tǒng)IPXXB/IPXXD防護(hù)等級(jí)的不失效需要更多的設(shè)計(jì)措施去保證，比如通過(guò)加強(qiáng)外殼的設(shè)計(jì)強(qiáng)度或者通過(guò)整車布置保障高壓部件在車輛碰撞后的防護(hù)等級(jí)不會(huì)失效。

3.3 絕緣電阻

電動(dòng)汽車的絕緣電阻是電動(dòng)汽車高壓安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在國(guó)標(biāo)GB 18384—2020中有明確的要求：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻應(yīng)不小于100Ω/V，交流電路應(yīng)不小于500Ω/V。如果直流和交流的B級(jí)電壓電路可導(dǎo)電地連接在一起，則應(yīng)滿足絕緣電阻不小于500Ω/V的要求[4]。此處需要注意的是，如果對(duì)一款車型進(jìn)行整車級(jí)別的絕緣電阻計(jì)算和測(cè)試，需要將整車每個(gè)互相隔離的子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算或測(cè)試，取其最小值最為整車的絕緣電阻[2]。如圖3所示，電機(jī)及逆變器交流部分為某高壓系統(tǒng)中的交流回路子系統(tǒng)，而刨除交流回路子系統(tǒng)的部分為直流回路子系統(tǒng)。在計(jì)算或測(cè)試該車型的整車絕緣電阻時(shí)，需要對(duì)這2個(gè)子系統(tǒng)的絕緣電阻分別進(jìn)行計(jì)算或測(cè)試，最后通過(guò)取最小值得到整個(gè)高壓系統(tǒng)的絕緣電阻。

圖3 子系統(tǒng)的絕緣電阻示意

因?yàn)樽酉到y(tǒng)內(nèi)的高壓部件彼此是并聯(lián)的關(guān)系，要保證每個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)絕緣電阻符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需要子系統(tǒng)內(nèi)所有高壓部件均保持良好的絕緣情況。整車的絕緣電阻也是同樣的道理，整車絕緣電阻要想滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要每一個(gè)高壓部件的絕緣電阻具有遠(yuǎn)高于500Ω/V的絕緣電阻設(shè)計(jì)值，并且在使用過(guò)程中不發(fā)生絕緣失效。

對(duì)于部件層級(jí)來(lái)說(shuō)，高壓部件的絕緣性能，取決于高壓部件內(nèi)部帶電部分與其外殼及低壓電路之間的絕緣性能，與電氣間隙、爬電距離的設(shè)計(jì)和絕緣材料的選擇有關(guān)。電氣間隙和爬電距離的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)GB/T 16935，絕緣材料的選擇要充分考慮到電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力和環(huán)境污染這4個(gè)因素對(duì)絕緣壽命的影響。

為了保證高壓部件和高壓系統(tǒng)的絕緣電阻在惡劣的使用環(huán)境及全生命周期內(nèi)均滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，高壓部件的絕緣性能需要經(jīng)過(guò)總成級(jí)別的可靠性與耐久性的考驗(yàn)。整車的絕緣電阻應(yīng)通過(guò)整車遇水后的絕緣電阻試驗(yàn)、整車耐久試驗(yàn)后的絕緣電阻試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行整車級(jí)別的絕緣電阻的充分驗(yàn)證。

3.4 電位均衡

電位均衡是針對(duì)采用基本絕緣方式，具備金屬外殼的高壓部件的設(shè)計(jì)措施，要求其金屬外殼與車身電平臺(tái)保持等電勢(shì)的狀態(tài)。GB 18384—2020中要求外殼金屬部分與電平臺(tái)之間的電阻應(yīng)小于0.1Ω，一般行業(yè)中通用要求為40 mΩ。

電位均衡按不同形式可以分為焊接、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件固定連接、通過(guò)支架等導(dǎo)體連接、線束連接4種形式，每種連接方式的技術(shù)要求見(jiàn)表1。不管采用哪種形式，電位均衡裝置除了要滿足電阻的要求，還應(yīng)當(dāng)滿足在高壓回路發(fā)生短路故障時(shí)，不會(huì)先于回路保險(xiǎn)熔斷前失效，這樣才能起到保護(hù)人體免于觸電事故的作用。

表1 4種電位均衡連接方式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電位均衡要求看似容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)際包含很多方面的注意事項(xiàng)。第一，電位均衡裝置所采用的金屬材料在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮不同材料等電位傳遞中的化學(xué)電勢(shì)，用于等電位的金屬材料和車身金屬材料之間的化學(xué)電勢(shì)不能超過(guò)0.6 V[5]；第二，電位均衡設(shè)計(jì)時(shí)要考慮該高壓部件是否有橡膠密封圈，對(duì)于有橡膠材質(zhì)的密封圈的高壓部件，由于可能發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，在變形后會(huì)影響上下殼體之間的電位均衡情況，因此，在這種情況下要對(duì)上下殼體分別設(shè)計(jì)有電位均衡裝置；第三，電位均衡的各連接部分，包括與車身及部件殼體之間的連接部位，均不能有漆，整個(gè)電位均衡的通路都應(yīng)保證可靠的電氣連接；第四，電位均衡裝置和用于固定的標(biāo)準(zhǔn)件在設(shè)計(jì)時(shí)，需要耐受振動(dòng)等整車使用環(huán)境而不發(fā)生松動(dòng)。

3.5 Y電容

Y電容存在于高壓系統(tǒng)正/負(fù)極與電平臺(tái)之間，如圖4所示,可分為寄生Y電容和安規(guī)Y電容2種類型。安規(guī)Y電容是人為設(shè)計(jì)的，而寄生Y電容是車身鈑金件、高壓線束和高壓部件外殼等與車身之間被動(dòng)形成的電容[6-7]。Y電容會(huì)對(duì)高壓安全帶來(lái)多方面的影響，首先如果Y電容的能量沒(méi)有被限制在合理的范圍內(nèi)，會(huì)存在單點(diǎn)失效即發(fā)生觸電事故的風(fēng)險(xiǎn)，另外Y電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)的檢測(cè)精度也存在一定程度的影響[2,8-9]。

圖4 高壓系統(tǒng)中的Y電容

由于Y電容會(huì)對(duì)高壓系統(tǒng)的安全性造成影響，GB 18384—2020中要求任何B級(jí)電壓正負(fù)極中任意一級(jí)和電平臺(tái)之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)存儲(chǔ)的能量應(yīng)不大于0.2 J，如果大于0.2 J就需要滿足非常嚴(yán)格的附加要求。

在GB 18384—2020中，Y電容的測(cè)試方法是通過(guò)計(jì)算所有高壓系統(tǒng)中安規(guī)電容能量總和的方法來(lái)測(cè)試的，這種計(jì)算方法存在一定的弊端，只能計(jì)算出系統(tǒng)中的安規(guī)Y電容最大能力，而無(wú)法計(jì)算出寄生Y電容的能量。標(biāo)準(zhǔn)中采用這種計(jì)算代替實(shí)車測(cè)試的方案也是由于目前沒(méi)有高準(zhǔn)確性的實(shí)車測(cè)試方案。Y電容的實(shí)車測(cè)試難點(diǎn)主要在于動(dòng)力電池Y電容的測(cè)試，及上電后整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試。因?yàn)閯?dòng)力電池及包含動(dòng)力電池的系統(tǒng)在上電狀態(tài)下無(wú)法采用LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀等儀器進(jìn)行測(cè)試，只能在高壓部件不上電狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。目前，對(duì)于動(dòng)力電池及包含動(dòng)力電池的系統(tǒng)通常采用瀉放電阻法進(jìn)行測(cè)試，但該方法的精度受測(cè)量工具、環(huán)境的影響較大，測(cè)試結(jié)果只具有一定程度的參考意義[6]。目前在一些專利中，也闡述了類似于泄放電阻法的在技術(shù)方案，可實(shí)時(shí)進(jìn)行Y電容的測(cè)試。后續(xù)隨著測(cè)試技術(shù)的不斷突破，才能更好地保證0.2 J要求的落實(shí)。

3.6 絕緣監(jiān)測(cè)

絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車的絕緣電阻情況，在車輛發(fā)生第一個(gè)絕緣故障時(shí)，就可以及時(shí)監(jiān)測(cè)到并采取合理的處理措施。絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)2個(gè)部分。

在檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)方面，主流的絕緣監(jiān)測(cè)方法有注入法和電壓比較法，如表2所示。2種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中注入法采用獨(dú)立的電源，將檢測(cè)信號(hào)注入到整個(gè)高壓回路中，對(duì)整個(gè)高壓回路包括交流回路的測(cè)量精度都很高，但測(cè)量周期較長(zhǎng)，內(nèi)部電路相對(duì)復(fù)雜，因此成本略高[2]。電壓比較法依據(jù)動(dòng)力電池正負(fù)極對(duì)電平臺(tái)的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，容易受到電池電壓的波動(dòng)而影響精度，且很難監(jiān)測(cè)到交流回路的絕緣變化。但測(cè)量周期短，成本較低，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意Y電容對(duì)其精度的影響，需要進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定[8-9]。

表2 絕緣監(jiān)測(cè)2種技術(shù)方式

控制策略的設(shè)計(jì)方面，首先要實(shí)現(xiàn)GB 18384—2020中的要求，即在發(fā)生絕緣失效時(shí)，需要通過(guò)聲光報(bào)警燈方式進(jìn)行警示。在此要求基礎(chǔ)上，可以依據(jù)絕緣降低的不同程度進(jìn)行多層級(jí)報(bào)警設(shè)計(jì)，配合故障未恢復(fù)前禁止再次上電、禁止充電等具體的故障處理策略。近幾年，隨著新能源汽車安全性的整體提升以及用戶的使用需求的明確，更多主機(jī)廠采用了報(bào)警結(jié)合上電前檢測(cè)到故障禁止上電的策略，取消了禁止再次上電的策略，這樣做駕乘人員可以在故障自行消失后繼續(xù)使用車輛。

以上2個(gè)部分是絕緣監(jiān)測(cè)的主體設(shè)計(jì)思路，部分主機(jī)廠在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)關(guān)注一些重點(diǎn)總成部件的絕緣電阻，一般為動(dòng)力電池和動(dòng)力電機(jī)。如果想要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的絕緣電阻，可以在上電前或者下電前對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行單獨(dú)的絕緣監(jiān)測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有絕緣失效情況后再允許本次上電或者下一次上電或者僅進(jìn)行報(bào)警。甚至可以在高壓下電狀態(tài)下，每隔一段時(shí)間喚醒絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行動(dòng)力電池絕緣電阻的檢測(cè)，最大程度上避免動(dòng)力電池絕緣失效造成的安全隱患。需要注意的是，該方案需要絕緣監(jiān)測(cè)裝置的硬件布置位置處于如圖5所示的主回路高壓繼電器前的位置。

圖5 絕緣監(jiān)測(cè)裝置位置

3.7 高壓互鎖

高壓互鎖功能利用低壓信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)新能源汽車高壓系統(tǒng)回路的完整性，即回路是否連接正常、保護(hù)蓋有無(wú)打開等[10-11]。高壓互鎖的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)與故障處理策略的設(shè)計(jì)，互鎖的故障處理策略與其采用的硬件互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。硬件設(shè)計(jì)，又分為互鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)和整體互鎖拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

高壓線束上的互鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)是高壓連接器中的2個(gè)低壓端子，其端子插針要比高壓端子的插針短，如圖6所示。在高壓連接器被拆卸時(shí)，先于高壓端子斷開連接，從而保證高壓連接器未完全拆卸下來(lái)時(shí)，就可以通過(guò)低壓信號(hào)觸發(fā)互鎖故障從而可以進(jìn)行下電報(bào)警等控制策略[12]。

圖6 高壓連接器中的互鎖結(jié)構(gòu)

互鎖拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案一般分為3種類型，分別為星型、環(huán)型和混合型，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 互鎖拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案

星形高壓互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各高壓互鎖開關(guān)呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系如圖7所示。各總成的高壓互鎖狀態(tài)由各總成的控制器自行監(jiān)控，將檢測(cè)結(jié)果上傳給VCU進(jìn)行處理。這個(gè)方案在排查故障時(shí)可以直接鎖定故障部件，但成本較高，要求各高壓部件均具備控制器及監(jiān)測(cè)模塊。

圖7 星型高壓互鎖

環(huán)型高壓互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各高壓互鎖開關(guān)呈現(xiàn)串聯(lián)關(guān)系，原理如圖8所示[13]。在發(fā)生互鎖故障時(shí)，只能監(jiān)測(cè)到故障的存在，無(wú)法判定故障的數(shù)量與具體位置，維修故障時(shí)需要逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)排查，但成本較低[14]。

圖8 環(huán)型高壓互鎖

混合型綜合了星型與環(huán)型的特點(diǎn)，基本方案采用環(huán)型高壓互鎖，對(duì)一些相對(duì)更加重要的高壓部件采取了星型的互鎖方案[15]，其原理如圖9所示?；旌闲拖啾刃切偷膬?yōu)勢(shì)是可以降低成本，相比環(huán)型的優(yōu)勢(shì)是混合型可以在關(guān)鍵部件互鎖故障發(fā)生時(shí)，進(jìn)行更加有針對(duì)性的故障處理方案。

圖9 混合型高壓互鎖

高壓互鎖在設(shè)計(jì)時(shí)候也應(yīng)該考慮高壓互鎖相關(guān)部分發(fā)生故障的情況，一般針對(duì)互鎖回路斷開、互鎖回路短路、互鎖回路對(duì)12 V電源短路、互鎖回路阻抗變大等故障進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)防措施。

目前也有一些車型沒(méi)有進(jìn)行高壓互鎖設(shè)計(jì)，比如大眾的MEB平臺(tái)。但對(duì)于大多數(shù)國(guó)產(chǎn)車企來(lái)說(shuō)，如果不能完全參透國(guó)外主機(jī)廠取消互鎖功能背后的綜合設(shè)計(jì)與考慮，進(jìn)行高壓互鎖設(shè)計(jì)是更為合理的選擇。高壓互鎖技術(shù)作為行業(yè)通用的技術(shù)，成熟度高且能起到有效的防護(hù)作用。

3.8 防水

電動(dòng)汽車的防水性能主要考核整車遇水后的絕緣電阻情況，防水性能的保障主要從高壓部件本身及車身密封性2個(gè)方面來(lái)考慮。

為了保證整車遇水后的絕緣電阻，一般主機(jī)廠將所有的高壓總成防護(hù)等級(jí)均設(shè)計(jì)為IP67或IP6K9K，可以保證遇水后高壓部件內(nèi)部不會(huì)進(jìn)水，從而可以保證其絕緣性能不因遇水而降低。如果高壓部件在設(shè)計(jì)時(shí)未能滿足IP67或IP6K9K的防護(hù)等級(jí)，在進(jìn)行整車布置時(shí)，需要考慮布置位置的車身密封性，對(duì)車身鈑金接縫、孔洞、空腔特征進(jìn)行密封或結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理[16]。

新車的防水性能較好，在車輛使用一段時(shí)間后其防水性能有所下降。因此，主機(jī)廠在進(jìn)行整車密封性及部件防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)考慮車輛防護(hù)等級(jí)的可持續(xù)性。對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)為IP67或IP6K9K的高壓部件（尤其是動(dòng)力電池），其后續(xù)防水性能失效一般與總成上蓋處、連接器內(nèi)部的密封墊松動(dòng)變形及外殼變形有關(guān)。高壓部件殼體密封墊一般采用橡膠材料，會(huì)受低溫影響逐漸失去彈性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇具有良好耐磨性，且低溫下（-70℃）仍能保持良好性能的材料；外殼的形變?cè)诜桥鲎睬闆r下，一般是由于頻繁的振動(dòng)工況造成的[17-18]。為了避免這2種情況導(dǎo)致的防水性能下降，主機(jī)廠在產(chǎn)品開發(fā)階段，除了進(jìn)行國(guó)標(biāo)中的整車涉水試驗(yàn)、洗車試驗(yàn)來(lái)測(cè)試整車防水性，還應(yīng)針對(duì)各高壓部件進(jìn)行壽命試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)后的密封性試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)，進(jìn)行多輪考核。

另外，碰撞也可能造成連接件、緊固件松動(dòng)和外殼變形，從而導(dǎo)致部件密封被破壞后進(jìn)水引起絕緣下降。主機(jī)廠在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的碰撞故障處理流程中也應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)碰撞后車輛各部件密封性能的檢測(cè)[19]。

3.9 主動(dòng)放電及被動(dòng)放電

主動(dòng)放電和被動(dòng)放電設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車下電后高壓回路的低電能和低電壓，2種設(shè)計(jì)措施的設(shè)計(jì)對(duì)象是高壓系統(tǒng)中能量大于0.2 J的X電容的高壓部件。其中主動(dòng)放電需要由控制器控制執(zhí)行，被動(dòng)放電要求是主動(dòng)放電失效時(shí)的補(bǔ)充措施，不依靠控制策略，始終有效[2]。由于高壓系統(tǒng)中具備X電容且其能量最高的部件是逆變器，主動(dòng)放電一般由逆變器執(zhí)行，所有滿足條件的高壓部件應(yīng)自行設(shè)計(jì)有被動(dòng)放電電路[20]。

主動(dòng)放電的要求在整車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中是隱含著被提出的，在GB/T 31498—2021中，對(duì)碰撞故障后的低電能低電壓提出了具體要求，但對(duì)主動(dòng)放電的時(shí)間要求沒(méi)有明確[21]。在電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)國(guó)標(biāo)GB/T 18488.1—2015中，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)本身的主動(dòng)放電時(shí)間進(jìn)行了要求，要求其放電時(shí)間不應(yīng)大于3 s[22]。目前行業(yè)中通用的整車級(jí)別主動(dòng)放電時(shí)間為5 s，但有縮短的趨勢(shì)。

目前，常用的主動(dòng)放電方法有2種，具體的對(duì)比如表4所示。通過(guò)逆變器驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行放電，該方法放電速度非?？欤话阈∮? s；另外一種通過(guò)外加放電回路，利用電阻放電，如圖10所示。該方案風(fēng)險(xiǎn)小，但是需要另外增加電路，相對(duì)第一種方案增加了成本，目前該方案應(yīng)用較多。

表4 2種主動(dòng)放電方式對(duì)比

圖10 主動(dòng)放電方式—放電電阻

目前市面上有許多雙電機(jī)車型，對(duì)于具備多個(gè)電機(jī)的情況，一般應(yīng)設(shè)計(jì)2個(gè)或多個(gè)具有主動(dòng)放電能力的總成，以避免單個(gè)總成主動(dòng)放電功能失效造成整車級(jí)主動(dòng)放電失效，從而增加觸電風(fēng)險(xiǎn)。

被動(dòng)放電由高壓部件內(nèi)的放電電阻實(shí)現(xiàn)，被動(dòng)放電電阻與X電容并聯(lián)在一起（圖11），放電電阻可以是一個(gè)電阻也可以是一組電阻。一般行業(yè)上要求被動(dòng)放電的時(shí)間，即為部件與動(dòng)力電池?cái)嚅_后將部件中的電能下降到60 V的時(shí)間不超過(guò)2 min。被動(dòng)放電電阻的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考量部件的效率問(wèn)題，不宜設(shè)計(jì)過(guò)小[2]。

圖11 被動(dòng)放電方式

3.1 0碰撞安全設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車碰撞后應(yīng)該同時(shí)滿足防觸電保護(hù)要求、電解液泄漏要求以及可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REchargeable Energy Storage System,REESS）相關(guān)要求，其中防觸電保護(hù)要求包括低電壓要求、低電能要求、物理防護(hù)、絕緣電阻要求，滿足其中一項(xiàng)就可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求[21,23-25]。碰撞后與高壓安全緊密相關(guān)的故障為高壓帶電部分裸露（IPXXB失效）、絕緣失效和電位均衡裝置失效。為了防止碰撞后的觸電事故，高壓安全對(duì)這幾種故障的發(fā)生和發(fā)生后的處理策略進(jìn)行了充分設(shè)計(jì)防護(hù)，主要在結(jié)構(gòu)布置防護(hù)和碰撞后斷電2方面展開防護(hù)設(shè)計(jì)。

在結(jié)構(gòu)布置防護(hù)方面，高壓部件應(yīng)盡量布置在碰撞吸能區(qū)域之外，整車結(jié)構(gòu)在碰撞時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓部件的有效防護(hù)。對(duì)于具備金屬外殼的高壓部件，其本身的外殼和支架也應(yīng)當(dāng)具備足夠的剛強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^(guò)仿真進(jìn)行連接失效分析、侵入分析和沖擊分析來(lái)模擬總成在碰撞后的失效風(fēng)險(xiǎn)[26]。此外，總成自身也要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，滿足沖擊、跌落、針刺、擠壓等性能要求并經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證[27]。對(duì)于高壓線束來(lái)說(shuō)，在碰撞過(guò)程中可能發(fā)生拉伸和擠壓變形[28]，其布置應(yīng)當(dāng)盡量從車輛中部通過(guò)，避開車身可能發(fā)生大變形位置,對(duì)于在非安全區(qū)域的高壓線束,應(yīng)通過(guò)CAE仿真分析，確認(rèn)當(dāng)前布置方案的高壓線束的變形模式、模擬最大變形量與最大應(yīng)力分布，從而評(píng)估線束在碰撞后發(fā)生高壓帶電部分裸露（IPXXB失效）及絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)[29]。

碰撞后斷電設(shè)計(jì)方面，分為控制策略與硬件的設(shè)計(jì)。車輛要具備碰撞后傳感器，最好是同時(shí)具備前碰與后碰傳感器，從而更為準(zhǔn)確地判斷碰撞的發(fā)生，由VCU/BMS接收碰撞傳感器發(fā)出的碰撞信號(hào)，然后通過(guò)斷開高壓繼電器切斷高壓回路，實(shí)現(xiàn)碰撞后的斷電。現(xiàn)在也有一部分主機(jī)廠采用了智能熔斷器，可以直接響應(yīng)碰撞信號(hào)，從而更加迅速地切斷高壓回路。在高壓回路被斷開后，繼續(xù)執(zhí)行主動(dòng)放電，保障高壓回路迅速處于低電壓低電能的狀態(tài)[30]。

4 高壓安全技術(shù)趨勢(shì)

目前，高壓安全的技術(shù)領(lǐng)域整體已趨于成熟，未來(lái)可能在以下5個(gè)方面有所突破：

（1）高壓安全技術(shù)中的個(gè)別技術(shù)措施，如Y電容的檢測(cè)和防護(hù)技術(shù)，會(huì)隨著Y電容相關(guān)研究的深入被挖掘出對(duì)整車安全尤其是充電安全的顯著影響，在未來(lái)會(huì)被重視并應(yīng)用于整車上。

（2）對(duì)于部分非法規(guī)項(xiàng)通用性技術(shù)措施，可能隨著越來(lái)越多的市場(chǎng)反饋，被發(fā)現(xiàn)起到防護(hù)作用概率過(guò)低，主機(jī)廠會(huì)逐漸簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)甚至取消設(shè)計(jì)。

（3）隨著電動(dòng)車技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)逐漸形成一些可共同實(shí)現(xiàn)出多個(gè)高壓安全要求的總體技術(shù)方案，從而優(yōu)化整車成本。

（4）高壓安全測(cè)試技術(shù)會(huì)不斷發(fā)展，提高測(cè)試精度，簡(jiǎn)化測(cè)試方法，可以更好地保證標(biāo)準(zhǔn)要求的落實(shí)。

（5）未來(lái)高壓安全也將與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)快速云端診斷、精確維修方面的突破。