新能源汽车高压系统的安全与防护

2021年11月17日
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不同于传统汽车的低压系统,新能源汽车存在高压系统,存在用电安全。本文线束工程师主要介绍下新能源汽车高压系统的安全与防护。

1.新能源汽车高压电的类型

新能源汽车高压系统的安全与防护

依据国家标准 GB/T 18384.3—2015《电动汽车 安全要求第 3 部分:人员触电防护》要求,考虑到空气的湿度和人体在不同工作环境下的电阻,根据不同电压等级可能对人体产生的伤害和危险程度不同,在新能源汽车中将车辆电压按照类型和数值分为两个安全级别。

A 级是较为安全的电压等级,在直流中,最大工作电压应小于或等于 60V ;在交流中,最大工作电压应低于 30V,该电压下的维护人员不需要采取特殊的防电保护。

B 级对人体会产生伤害,被认为是高压。在该电压下必须采取必要的防护设备对维护人员进行保护。

2.新能源汽车高压类型

新能源汽车高压系统的安全与防护

直流高压主要分布在动力电池到各个驱动部件的位置,如动力电池到驱动逆变器之间连接

的是直流高电压;动力电池到高压压缩机之间连接的是直流高电压。

交流高压主要分布在逆变器与驱动电机之间,以及充电接口与车载充电器之间。不同的是

逆变器与驱动电机之间的交流高电压通常都在 300V 左右,而充电接口与车载充电器之间的交流高电压即为外部电网的 220V 的电压。

新能源汽车高压电标识

新能源汽车高压系统的安全与防护

高压警示标识

新能源汽车高压系统的安全与防护

高压警示颜色

新能源汽车高压安全设计

新能源汽车高压系统的安全与防护

新能源汽车高压存在时间

持续存在 新能源汽车的动力电池持续存在高电压,即使当车辆停止运行期间,由于动力电池始终存储有电能,因此当满足动力电池的放电条件后,该部件将继续对外放电。

运行期间存在 运行期间存在高压的部件,是指当点火开关处于 ON、RUN 或其他运

行状态时,部件存在高电压。逆变器、高压压缩机、PTC 加热器及 DC - DC 变换器部件只有在系统运行时,来自动力电池的高电压才会加载到这些部件上。

新能源汽车的安全隐患

高压触电安全

新能源汽车高压系统的安全与防护

人体能承受的安全电压的高低取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。人体电阻主要由

体内电阻、体表电阻、体表电容组成。人体电阻随着条件的不同在很大范围内变化,但是一般不低于 1kΩ。我国民用电网中的安全电压多采用 36V,大体相当于人体允许电流 30mA(以人体电阻为 1200Ω)的情况,这就要求人体可接触的新能源汽车任意两个带电部位的电压要小于36V。

无论是纯电动汽车,还是高电压的混合动力汽车,其电压和电流等级都比较高。动力电池

的电压一般为 300~600V。正常工作时,电流可达几百安培。这已经远远超过人体能承受的极限。

动力电池安全

新能源汽车高压系统的安全与防护

锂离子电池在正常使用过程中不会出现安全问题,但电池的滥用会导致电池的热效应加

剧,这是锂离子电池出现安全问题的导火索,最终表现为电池的“热失控”,从而引起安全事故。导致热失控有以下几种情况。

(1)过充电与过放电;

(2)过电流;

(3)电池过温。

危险运行工况下的安全

新能源汽车高压系统的安全与防护

新能源汽车由于存在高电压,因此在行驶中发生事故时,如果没有很好的安全设计,很容易发生安全隐患。这些安全隐患包括有:

(1)高压系统短路;

(2)发生碰撞或翻车;

(3)涉水或遭遇暴雨;

(4)充电时车辆的意外移动 。

新能源汽车的安全设计

(1)维修安全 维修安全主要包含两方面:传统内燃机汽车的维修安全和针对新能源汽车的特殊维修安全。新能源汽车的维修安全主要是防止高压触电。

(2)碰撞安全 当车辆发生碰撞时,车辆的安全系统应当满足以下要求:碰撞过程中以及碰撞后都要保证相关人员的人身安全。

(3)电气安全 新能源汽车的电气安全主要包括以下几个方面:防止人员接触到高压电、电池能量的合理分配、充电时的高压安全、行驶过程中的高压安全、碰撞时的电气安全、维修时的电气安全。

(4)功能安全 电动类型的新能源汽车,需要从以下两个功能方面采取安全设计,避免安全隐患的发生。

1)转矩安全管理。为防止车辆出现不期望的运动,需要在整车控制器中加入转矩安全控制策略。具体转矩安全策略如下:

① 整车控制器负责计算整车的转矩需求,计算的转矩需求的差值大于某个标定值,则认为转矩输出存在安全风险,此时整车控制器会将车速限制在安全范围内。

② 若整车控制器的需求转矩与电机的实际转矩的差值大于某个标定值,则认为电机的转矩控制存在风险,此时整车控制器将会限制电机的转矩输出。若两者差值一直过大,则切断动力电池的动力输出。

2)充电安全。在充电时需要防止车辆移动,以及避免快充、慢充、行驶模式之间的冲突,为此进行以下设计:

① 只有档位放在 P 位时才允许充电。

② 在充电过程中,转矩需求及实际转矩输出都应当为 0。

③ 当充电枪插上时,不允许闭合控制高压电输出的接触器。

④ 当充电回路绝缘电阻小于标准要求的阻值时,应当停止充电并断开高压接触器。

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