中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0021-0：

AnalysisofKey TechnicalPointsforFunctional Safetyofthe Three-electricity SystemsinNewEnergyVehicles

Zhang Zhiguo

（NIO Automotive Technology（Anhui）Co.，Ltd.，Hefei 230031，China）

【Abstract】With the development of new energy vehiclesand the implementation of thenational standard GB/T 34590—2024，this article focuses on the functional safetyof the three-electricity systemand uses HAZOP and FMEA to clarifythefailuremodesandASILsafetyobjectives.Intermsofhardware，thebatteryadoptshigh-precisionsensorsand multi-layer protection.The motorand electroniccontrol implementredundancyof keycomponentsandadopta \"dual power supply + dual communication+dual controller\"architecture.At the software level，security is guaranteed by state machines，fusionalgorithmsand multi-level circuit breakers.Taking a certain pure electriccommercial vehicleasan example，practical verification shows thatthe sensor redundancy design can significantlyreduce the failurerate from1.2× 10^-4/h to 3.5×10^-7/h ，meeting the ASIL-B safety level standard.

【Key words】new energy vehicles；three-electricity system；battery protection；hardware security；sensor redundancy

0 引言

2024年在政策、技術(shù)與環(huán)保意識驅(qū)動下，全球新能源汽車市場蓬勃發(fā)展。為應(yīng)對安全挑戰(zhàn)，GB/T34590—2024國標(biāo)全面實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)契合新能源汽車三電系統(tǒng)特性，對其全生命周期提出嚴(yán)苛要求。三電系統(tǒng)功能安全關(guān)乎車輛運(yùn)行與乘員安全，剖析其技術(shù)要點(diǎn)，順應(yīng)產(chǎn)業(yè)規(guī)范趨勢，也為解決工程問題提供理論支撐。

1電池系統(tǒng)功能安全分析

1.1功能安全需求與危害分析

電池系統(tǒng)功能安全致力于防控過充、過放、過熱及短路等極端工況風(fēng)險。運(yùn)用危險與可操作性分析（Hazardand OperabilityStudy，HAZOP），系統(tǒng)性剖析電池管理系統(tǒng)BMS在信號采集、邏輯控制與能量調(diào)度中的潛在偏差，精準(zhǔn)識別電壓/電流超限、溫度異常、絕緣失效等危害事件；借助失效模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，F(xiàn)MEA），量化評估電池單體、模組及傳感器等部件的失效模式，如單體過充引發(fā)析鋰短路、傳感器失效導(dǎo)致保護(hù)延遲，通過ASIL-B/C/D風(fēng)險等級劃分明確安全目標(biāo)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

電池管理系統(tǒng)BMS硬件架構(gòu)構(gòu)建多層防護(hù)體系。高精度傳感器確保電壓采集誤差 ?±5mV 、溫度分辨率 ?±0.5^°C ，搭配24位ADC實(shí)現(xiàn)電芯狀態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測；磁耦合或光耦隔離技術(shù)將信號傳輸共模抑制比提升至100dB以上，隔絕電磁干擾；冗余DC-DC轉(zhuǎn)換器與超級電容備份電源，保障主電源失效時30s安全停機(jī)。

1.3軟件策略與安全機(jī)制

電池系統(tǒng)軟件通過狀態(tài)機(jī)管理，劃分為正常運(yùn)行、預(yù)警、故障、安全停機(jī)4級狀態(tài)。基于安時積分與卡爾曼濾波融合算法，實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)SOC與健康狀態(tài)SOH的精準(zhǔn)估算。充放電控制策略嵌入動態(tài)功率限制模塊，可根據(jù)電芯溫度、充放電循環(huán)次數(shù)實(shí)時調(diào)整電流閾值，如在高溫環(huán)境下充電電流自動降額 30% 。安全閾值判斷邏輯采用三級熔斷機(jī)制：一級軟件閾值觸發(fā)預(yù)警提示；二級硬件比較器啟動被動均衡；三級繼電器控制實(shí)現(xiàn)高壓互鎖斷開，全方位保障電池系統(tǒng)安全。

2電機(jī)系統(tǒng)功能安全分析

2.1失效模式與安全目標(biāo)

2.1.1 失效模式

電機(jī)系統(tǒng)存在多種失效風(fēng)險。在堵轉(zhuǎn)工況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速驟降為0，定子電流激增3＼～5倍，極易引發(fā)繞組過熱燒毀。過載時，電磁轉(zhuǎn)矩超過設(shè)計(jì)閾值，持續(xù)10s以上將導(dǎo)致永磁體退磁。缺相故障多因功率模塊IGBT開路或驅(qū)動電路失效，造成三相電流不平衡度超 40% ，轉(zhuǎn)矩脈動加劇引發(fā)機(jī)械振動。軸承故障表現(xiàn)為潤滑失效或滾珠磨損，產(chǎn)生 ?80dB 異常噪聲并伴隨轉(zhuǎn)子偏心，嚴(yán)重時導(dǎo)致電機(jī)掃膛。

2.1.2 安全目標(biāo)設(shè)置

針對上述風(fēng)險，電機(jī)系統(tǒng)的安全目標(biāo)需滿足ASIL-B等級要求。通過扭矩限制（堵轉(zhuǎn)時 10ms 內(nèi)切斷功率輸出）、溫度監(jiān)控（繞組溫度超 180^°C 時觸發(fā)安全停機(jī)）及振動閾值檢測（加速度 gt;15g 時啟動降功率保護(hù)），確保失效時電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)下降至0，避免失控引發(fā)的車輛急加速/急減速風(fēng)險。同時，通過絕緣監(jiān)測（阻值 lt;20kΩ 時報(bào)警）與漏電保護(hù)（漏電流 gt;30mA 時斷開高壓回路），保障人員接觸安全。

2.2 硬件容錯設(shè)計(jì)

硬件容錯采用“關(guān)鍵部件冗余 + 故障診斷”雙重架構(gòu)。在功率器件層面，并聯(lián)IGBT模塊配置獨(dú)立驅(qū)動電路，單點(diǎn)失效時通過均流電阻（誤差 ?5% ）實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，持續(xù)維持 70% 額定功率輸出。傳感器冗余設(shè)計(jì)包含雙旋轉(zhuǎn)變壓器（角度測量偏差 lt;0.1^° ）與三霍爾傳感器（轉(zhuǎn)速測量誤差 lt;0.5% ），通過信號表決算法（三中取二），顯著提升轉(zhuǎn)子位置檢測的可靠性。

2.3軟件控制策略優(yōu)化

利用矢量控制算法引入滑模觀測器（抖振抑制率 gt;90% ），有效解決傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器在高速弱磁區(qū)的參數(shù)漂移問題，將轉(zhuǎn)矩控制精度從 ±5% 提升至 ±3% 。軟件安全機(jī)制設(shè)置雙重看門狗，硬件看門狗復(fù)位周期 50ms ，軟件看門狗進(jìn)行任務(wù)監(jiān)控，確?？刂瞥绦蚺茱w時 20ms 內(nèi)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。配合扭矩斜坡控制（上升/下降速率 ?50N?m/s， ，避免失效時的動力突變，提升整車運(yùn)行的平順性與安全性。

3電控系統(tǒng)功能安全分析

3.1整車控制失效分析

整車控制失效主要表現(xiàn)為信號傳輸失效，如CAN/

LIN總線誤碼率 gt;0.1% 、信號延遲超 50ms ，以及控制邏輯異常（狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)錯誤、優(yōu)先級調(diào)度混亂）和硬件故障（MCU寄存器翻轉(zhuǎn)、時鐘晶振失效）等。信號傳輸錯誤可能導(dǎo)致加速/制動指令誤判，例如油門踏板信號漂移引發(fā)非預(yù)期加速，其風(fēng)險概率達(dá) 10^-6/h 。

3.2 冗余設(shè)計(jì)與架構(gòu)優(yōu)化

電控系統(tǒng)冗余架構(gòu)采用“雙電源 + 雙通信 + 雙控制器”設(shè)計(jì)。電源模塊集成主電源（車載蓄電池）與備份電源（超級電容，容量 ?5F ），主電源失效時可支持 300ms 安全運(yùn)行窗口。通信系統(tǒng)部署雙CAN總線（波特率 500kb/s ），通過信號表決算法（三中取二）將誤碼率從 10^-5 降至 10^-8 ，關(guān)鍵信號（如制動踏板行程）采用冗余編碼傳輸。硬件架構(gòu)優(yōu)化為異構(gòu)雙MCU方案（AURIXT Γ（397+RH850 ），主控制器負(fù)責(zé)實(shí)時控制，監(jiān)控控制器獨(dú)立運(yùn)行診斷程序，檢測到功能安全故障（如軟件棧超時 gt;10ms 時， 100ms 內(nèi)完成主備切換。

3.3失效診斷與恢復(fù)策略

故障代碼管理遵循IS014229標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)分臨時故障（存儲20個駕駛循環(huán)）與永久故障（立即點(diǎn)亮故障燈）。對于關(guān)鍵故障（如制動系統(tǒng)通信中斷），觸發(fā)分級響應(yīng)：一級故障進(jìn)入跛行模式（限速 30km/h ，單電機(jī)驅(qū)動）；二級故障激活安全停車程序（ 300ms 內(nèi)施加 0.3g 制動， 500ms 內(nèi)完成高壓下電）。恢復(fù)策略設(shè)置“預(yù)診斷-降級-停機(jī)”三級安全鏈，通過扭矩凍結(jié)（維持當(dāng)前輸出2s）避免失效瞬間的動力突變，同時記錄故障前后10s的總線數(shù)據(jù)（分辨率1ms ），為失效根因分析提供完整時序信息。

4案例分析

純電動商用車早期路試時，旋轉(zhuǎn)變壓器因振動信號異常，引發(fā)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩中斷故障。為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于IS026262功能安全要求，實(shí)施低成本冗余策略。系統(tǒng)測試方案見表1。硬件上采用“旋轉(zhuǎn)變壓器 + 霍爾傳感器”組合，前者提供 ±0.01^° 高精度位置信號，后者作為精度 ±1^° 的備用單元，借信號融合算法實(shí)時校驗(yàn)主備信號；軟件層面開發(fā)故障切換邏輯，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器信號偏差超 5% ，自動切換至霍爾傳感器信號，以限扭（ ?150N?m， 、限速（ 40km/h 模式保障車輛安全?？俊?/p>

經(jīng)HIL測試，注入故障后系統(tǒng)切換響應(yīng) ?20ms ，轉(zhuǎn)矩波動 lt;10% 。10萬公里實(shí)車耐久試驗(yàn)顯示，傳感器故障發(fā)生率從 1.2×10^-4/h 降至 3.5×10^-7/h ，達(dá)ASIL-B安全等級。高精度主傳感器 + 低成本備用傳感器的異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)，兼顧成本與性能，為商用車安全技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用提供實(shí)踐范例。

5結(jié)束語

本文聚焦新能源汽車三電系統(tǒng)失效風(fēng)險，構(gòu)建功能安全技術(shù)框架。從需求、軟硬件等維度出發(fā)，借硬件冗余、軟件熔斷及全層級測試，化解過充失控、轉(zhuǎn)矩中斷等難題。后續(xù)將著力突破跨系統(tǒng)協(xié)同、數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷及極端場景適配等技術(shù)瓶頸，助力新能源汽車向安全可靠進(jìn)階，推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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（編輯林子衿）