电动汽车高压安全，你没那么容易触电

电动汽车动辄几百伏的电压，使得人们对其电气高压安全性产生一定的顾虑，担心处处是高压，万一触电怎么办。安全性，同样是工程师设计产品的第一关注。本文将表述关于电动汽车高压安全措施和监测系统。

1 高压绝缘性能要求

高压安全标准

对于人类触电，早已有相关研究，获得了详细数据，并形成了标准。我国国家标准《GBT 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应》等同采用《IEC 60479-1∶2005电流对人类和家畜的影响》标准。标准里，对人员触电相关阈值做出了明确的表述。其中，人类有感觉的直流电流值约为2mA，能够造成人的心室纤维性颤动的电流值为200mA（标准中把心室纤维颤动作为对人的生命造成伤害的标志性事件），电流达到几个安培时，会造成严重烧伤甚至死亡。这几个参数先放在这里，可以与后面将会出现的高压系统设计参数做对比，有一个量化的感受。

电动汽车，将高压系统运用在高速运行的复杂系统上，确实容易让人紧张。制造业有个普遍现象，产品已经在大量的买卖了，可是标准还没有，大家各自为战。但电动汽车行业却不同，在行业没有成长起来之前，标准已经被制定出来。《GB-T 18384电动汽车安全要求》等一系列标准，第一版是2001年，相信当时关心电动汽车的人也还不多。标准出现后的很长一段时间里，电动汽车并没有受到太多的重视，实验数据并不丰富。行业内部的人都知道，标准跟实际的应用技术，有的地方对不上。到了2015年，电动汽车的趋势已经形成，它的第二版终于重新颁布。可以说，安全一直是电动汽车的重中之重。

具体设计要求

基于标准提供的数据和具体要求，结合工程实际，张俊在他的论文《纯电动汽车高压回路安全监测系统设计》中提出了高压设计的基本要求：

（1）流过人体的漏电流不能超过5mA（人体的安全电流是10mA），接触电压不能超过人体安全电压（36 V）；

（2）绝缘电阻阻值除以标称电压值，直流大于100 Ω/V，交流大于500 Ω/V；

（3）接通时需有预充电过程，以避免接通时的瞬态高压电冲击；

（4）无论在什么情况下，高压继电器的断开时间应小于20 ms；

（5）电源断开1 s后，任何可触及的导电部分和地之间的交流峰值电压应低于30 V，直流电压应低于60 V，并且存储的能量应少于0.2J。

（6）电路中耦合电容最大能量不得超过0.2J，如果为人体可接触部件，流过人体的电流不得超过5mA。

2 高压安全措施

2.1 安全理念上的管理

国际标准《ISO 26262-2011道路车辆功能安全标准》，已经越来越多的被电动汽车企业和相关配套供应商重视，应用于系统管理和产品开发管理之中。标准给使用者提供了一整套看待、处理产品整个生命周期中，关于安全事项的观念和方法。这套标准的直接对象是3.5吨以下道路车辆的电子电气系统，但同时对车辆的各个组成系统的开发生产都具备指导意义。

2.2 高压系统设计

自身绝缘设计

高压安全的一个重要方面就是系统的绝缘水平。电动汽车的高压系统，包括电池包，电机及电机控制器，一系列车载用电器。根据需要，高压部件遍布整个汽车底盘，高压电气回路带电部件与自身壳体之间，高压回路与车辆底盘之间，不同高压部件之间高压系统与低压系统之间，都有绝缘要求。

如前面第1部分中设计要求所述，整车对绝缘有最低要求。电气部件供应商提供的产品，在设计过程中，绝缘指标必须预留安全余量，以确保在部件的生命周期内，绝缘措施不会因为老化而自然失效，保持不能拖整车的后腿。

碰撞断电设计

有些人担心的，不是正常状态下，车辆突然就发威，对着人放电。而是担心，在遇到交通事故时，系统能否全程保证绝缘性能。如果发生事故的一瞬间，车辆的整个高压系统自动断电了，是否会感觉安全很多呢？高压系统一般都设计有碰撞断电功能，具体的实现方式有如下几种。

第一种碰撞断电策略，安全气囊与整车控制器联合实现的碰撞断电。车身上安装碰撞传感器，事故发生后，传感器立即通过硬线，将信息传递给安全气囊；安全气囊判断碰撞是否为真，如果为真，就发送硬线信号给整车控制器；整车控制器检测到碰撞信号后，连续发送碰撞断电指令给电池包；电池包连续数次收到相同碰撞断电指令后，切断电源主回路继电器。这时，除了电池包内部，其余部位均没有高压电。为了提高碰撞判断的准确性，安全气囊判断碰撞为真以后，也通过CAN先发送碰撞报文，连续三次收到碰撞报文，也是电池包判断碰撞确实发生的依据。使用这个方法，可以提高碰撞判断的准确性。

硬线，是类似网线、有线电视线的一种实体线缆，自身具有一定的本安防爆功能，是可靠性较高的导线。硬线信号，是相对于通讯信号而言的信号类型。

第二种碰撞断电策略，安全气囊独立实现的碰撞断电。初始信号依然来自碰撞传感器，碰撞信号通过硬线传递给安全气囊后，安全气囊判断碰撞的真实性和碰撞程度，超过一定阈值后，判断碰撞为真；于是发送PWM波给电池管理系统；同时，通过CAN总线发送报文给电池管理系统；电池管理系统只要收到其中一种信息是有效的形式，就可以触发下电动作。此种方式与第一种方式相比，PWM波的误报概率要小很多。

高压互锁设计

高压互锁设计，是保障高压回路安全的另外一个技术手段，并且是国标强制要求的，电动汽车高压系统的必备功能。

高压互锁是指高压器件上，设计一个与高压连接状态具有联动关系的低压部分，低压信号直接传递给整车控制器。高压连接正常，则低压部分持续发送正常信号；高压连接断开，则发送异常信号。高压回路上任意一点出现连接异常，都会出现故障报警。

高压互锁系统的设计准则：高压互锁必须能够连续、有效、实时监测高压系统连接情况；尽量做到所有高压连接器都具备互锁功能；无论车辆处于什么状态，高压互锁故障必须报警并得到处理。

电磁兼容设计

由于电机控制器以及高压系统中多个用电器均需要变频器作为输入电源，使得电动汽车的电磁兼容环境非常复杂，必须采用具有针对性的电磁兼容设计才能避免电磁干扰对安全性的威胁。对于高压系统，主要存在着发射干扰的问题，这里暂时不展开。

2.3 安全监测系统

除了在设计过程中，采用必要的安全防护手段，对系统的故障监控，对于系统安全性也非常重要。对重要的数据以及关键部件的状态实时进行检测，并收集处理数据，及时获得高压系统的状态反馈，是安全监控系统的主要职责。安全监控系统可以划分成两个部分来表述，硬件系统和软件系统。

硬件系统

硬件系统的设计目标是充分的实现如下功能：绝缘电阻检测；上电瞬间冲击防护；过流检测；高低压互锁状态检测；CAN总线通讯状态检测。以上这些功能，在一个高压安全监测芯片的管理控制下工作。每个功能，自成一个小的功能模块，每个模块，通过实体电缆采集状态信息。大体情形如下图所示。

软件系统

安全监测功能的软件部分，几乎覆盖了电动汽车运行的全部过程。上电程序、车辆运行程序和下电程序，每个部分都复合穿插了故障检测的反馈结果和控制器对结果的判断，判断正常，可以继续下一个动作，则流程才可以进一步向下运行。可以说，安全监测的软件部分，是把安全思想融入整个整车控制器的每一个逻辑过程之中的。

对于高压安全，软件影响最大的，是发现故障以后，如何处理。如果处理的逻辑顺序安排得当，应该能够做到，既保护了乘客的人身安全，还保证了车辆的损害最小。

比如，如果把故障设置为最高级，系统立即下电，电池管理系统将不论回路中是否还存在电流，就直接执行下电指令，主回路继电器经历一次带载分断。如果恰好此时正在满功率运行，则继电器损耗了一次生命值。而实际上，可能只是高压互锁回路的低压节点松脱了；如果给这个故障设置一个比较低的级别，驾驶员任由它报警，搁置，暂时不处理。而实际的故障是高压连接器受损，高压节点虚接，很可能在某个瞬间，整个高压系统就突然自己断电了（当然这种事情极少发生）。

因此说，软件中的故障处理策略，并不是把每个故障都设置的级别越高越好，越快处理越好，而贵在判断准确和处置恰当。

软件系统，在安全监测系统中的作用，很长时间以来都没有得到足够的重视，发展远远滞后于国外，是我们提高水平的重要阵地。特斯拉公开的专利中，绝大部分都在控制系统，他的核心竞争力之一就是他的算法。

电动汽车，电压高并不可怕，电压高，是它能力强的一个标志。随着技术的发展，电压平台有日趋提高的趋势。只要能够管理好系统安全性，驾驭一只猛虎总比牵着一只猫更让人羡慕。来源：动力电池技术