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新能源汽车高压系统安全防护技术研究

 

与传统汽车低电压系统不同,新能源汽车具有高压系统,存在用电安全问题。

 

 

一、高压电类型

根据GB/T18384.3—2015《电动汽车安全要求第三部分:人员触电防护》中规定:考虑到空气湿度及人体在不同工作环境中的电阻,基于不同电压等级对人体可能造成的损伤和危害程度的不同,新能源汽车按车型和数值将其电压分为两种安全级别。

A级:较安全的电压等级,在直流系统中,最大工作电压应小于等于60V,在交流时,最大工作电压应低于30V,在此电压下,维修人员无需进行特殊的防电保护。

B级:会对人造成伤害,被认为高压。为了保护维修人员,必须在电压下安装必要的保护装置。

 

二、高压类型

DC高压主要分布于电池与各驱动元件之间,例如电池与驱动逆变器之间联接的,和电池到高压压缩机之间联接的均是DC高电压。

AC高压主要在逆变器和驱动电机之间,以及充电接口和车载充电器之间。不同点在于逆变器是驱动电机之间的AC高电压一般都是300V左右,而充电接口和车载充电器之间的AC高电压是外部电网的220V电压。

 

三、高压安全设计

新能源汽车高电压存在时间

持续存在:长期使用新能源汽车的动力电池会保持高压状态,即使在车辆停运时,由于动力电池总是储存电力,所以在满足动力电池放电条件后,电池仍会向外放电。

运行期间存在:在运转过程中有高压元件,是指点火开关在ON/RUN或其它运行的状态下,组件会存在高压。逆变器、高压压缩机、PTC加热器和DC-DC转换器组件只有在系统工作时,电池产生的高电压才能装载到这些元件上。

 

四、安全隐患

1.高电压触电安全

人可承受的安全电压取决于身体允许通过的电流和身体的电阻。身体的阻力主要包括的是体内电阻、体表面电阻、体表面电容。人的电阻会随环境而变化,但通常不会低于1kΩ。在国内电网中,一般安全电压都是使用36V,大致等于人体允许电流30mA(以1200Ω)(人体电阻是1200Ω),这就要求新能源汽车任何两个带电部位的电压都小于36V。

不管是纯电动车,还是高压混合动力车,电压、电流等级均较高。正常情况下,动力电池电压在300-600V之间。通常电流可以达到数百安,这远超出了人体所能承受的极限。

2.动力电池的安全

锂电池组在正常使用过程中不存在安全问题,但滥用时会引起电池热效应剧烈,这是锂离子电池安全问题的导火线,最终表现为电池的“热失控”,进而引发安全事故。有下列几种情况会引起热失控:

①过充电和过放电

②过流

③电池温度过高

3.危险操作条件下的安全

由于新能源汽车电压过高,在行驶过程中发生事故时,若不进行良好的安全设计,极易产生安全隐患。这类安全隐患包括:

①高压系统短路

②发生碰撞或翻车

③涉水或遭遇暴雨

④在充电过程中车辆意外移动

 

五、安全设计

①维修安全:传统内燃机车辆的维修安全;对新能源汽车的特殊安全维护。新能源汽车的安全维护主要是防止高压电击。

②碰撞安全:车辆在碰撞期间以及碰撞后有关人员的人身安全。

③电气安全:防止人员与高压电接触;合理分配电池能量;充电时高压安全;行驶过程中高压安全;碰撞时电气安全;维修时的电气安全。

④功能安全:

1)转矩安全管理。为了避免汽车发生意外运动,必须在整车控制器中增加转矩安全控制。转矩安全策略具体如下:

1.整车控制器负责对整车进行计算,计算出所需转矩差大于某一标定值,考虑转矩输出存在安全风险,此时整车控制器可将其控制在安全范围之内。

2.当整车控制器要求转矩与电动机实际转矩之差大于某一标定值时,则认为电机转矩控制存在风险,这时整车控制器就会限制电机的转矩输出。如果二者相差太大,切断电源电池的功率输出。

2)安全充电。要防止充电时发生车辆移动,以及避免快充、慢充、行驶模式冲突等问题。

1.只允许将档位置于P位的充电。

2.充电时,所需的转矩和实际输出的转矩应为0。

3.插入充电枪后,不得关闭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规定的阻值时,应停止充电,并切断高压接触器。

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