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上汽大眾 | 新能源汽車車載充電系統(tǒng)電擊危險性分析
2022-01-16 16:00:43· 來源：電動學(xué)堂 作者：陳成等
文章來源：1.上汽大眾汽車有限公司儀征分公司2.西門子電機（中國）有限公司1前言面對日益嚴(yán)峻的全球生態(tài)環(huán)境及能源問題，許多國家已經(jīng)將新能源的開發(fā)和利用上升
文章來源：1.上汽大眾汽車有限公司儀征分公司2.西門子電機（中國）有限公司
1前言
面對日益嚴(yán)峻的全球生態(tài)環(huán)境及能源問題，許多國家已經(jīng)將新能源的開發(fā)和利用上升到了國家戰(zhàn)略地位。對于我國而言，發(fā)展新能源汽車不僅能夠緩解環(huán)境污染及傳統(tǒng)石油能源消耗的問題，也能夠促進汽車行業(yè)由傳統(tǒng)汽車邁向科技型汽車。為此國家出臺了一系列的政策，包括面向消費者的補貼、上牌政策以及面向企業(yè)的雙積分政策。而企業(yè)也提出了“新四化”戰(zhàn)略，即電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化。由傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車發(fā)展，也對傳統(tǒng)汽車行業(yè)員工提出了新的知識及資質(zhì)要求?！靶履茉措姽ぃ‥FffT）”是大眾集團新能源汽車高壓安全認(rèn)證資質(zhì)之一，其主要職責(zé)包括：切斷高壓系統(tǒng)的電源并認(rèn)證，且對此檢測和實施安全保障；在斷電狀態(tài)下實施所有的工作（不包括拆解電池包）；驗收在處于斷電狀態(tài)的高壓系統(tǒng)上進行的工作；按照操作指導(dǎo)書啟動運行高壓系統(tǒng)。其中車載充電系統(tǒng)的電擊危險性分析是“新能源電工（EFffT）”資質(zhì)培訓(xùn)的重要內(nèi)容。
2車載充電系統(tǒng)電擊危險性分析
新能源汽車的高壓安全不僅是消費者的重點關(guān)注問題，也是從業(yè)者在生產(chǎn)制造過程中必須要關(guān)注的問題。以上汽大眾培訓(xùn)用的輝昂（Phideon）混動車型為例，其高壓電池包的電壓約為直流384V，而國標(biāo)中定義的人體直流安全電壓極限為60V，一旦車輛發(fā)生絕緣故障或其他漏電風(fēng)險時，將對人身安全造成巨大威脅，因此對車輛高壓系統(tǒng)的安全分析十分有必要。而車載充電系統(tǒng)作為高壓系統(tǒng)中涵蓋高壓部件最多的系統(tǒng)，對其進行電擊危險性分析意義重大。
2.1等電位保護
在一般的家用充電場景中，主要以壁掛式充電盒或普通家用插座為主要充電設(shè)施，其皆為交流充電（AC），因此本文的分析建立在交流充電的基礎(chǔ)上。新能源汽車交流充電機布置在車上，通過充電線，交流電源將電能傳輸?shù)诫妱悠囓囕d儲能裝置中。在充電時，如果充電機與動力電池組發(fā)生漏電，而操作者雙手分別觸碰到充電機和電池包外露可導(dǎo)電部分，此時有觸電危險。針對此種故障現(xiàn)象，車載充電系統(tǒng)設(shè)計了等電位保護，將所有的高壓部件金屬外殼用等電位線連接起來，在發(fā)生上述絕緣故障時，可以對人體起到短接保護的作用。根據(jù)大眾集團標(biāo)準(zhǔn)-VW80303，高壓零部件和車身地之間的等電位線電阻必須小于40mΩ，而高壓零部件和附加導(dǎo)電部件之間的等電位線電阻推薦小于10mΩ。
2.2保護接零
如果在充電過程中，充電機發(fā)生漏電，操作人員站在地上，觸碰到車身外露可導(dǎo)電部分，此時也會發(fā)生觸電危險。針對此種風(fēng)險，根據(jù)GB20234[3],無論交流充電插頭還是直流充電插頭都必須配有地線，當(dāng)充電插頭配有地線（PE）時，即便在充電時充電機發(fā)生絕緣故障，PE線也能很好地起到保護作用，避免觸電事故。接地線的橫截面積至少應(yīng)等于相線的橫截面積。
2.3BMS絕緣檢測
電池管理系統(tǒng)（BMS）是一套保護動力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，為新能源車輛的使用安全提供保障。BMS每30秒進行一次絕緣測量，如圖1所示，當(dāng)主繼電器吸合時，BMS檢測整車的絕緣阻值，當(dāng)主繼電器斷開時，BMS檢測電池包的絕緣電阻。絕緣電阻過低時，車輛會發(fā)出相應(yīng)的報警信息，當(dāng)絕緣阻值低于500Ω/V時，組合儀表顯示黃燈，而當(dāng)絕緣阻值低于100Ω/V時，組合儀表顯示紅燈。
2.4隔離式車載充電機
在充電過程中，操作人員可能會因為直接觸碰車端的有源體而發(fā)生觸電事故，針對該種事故類型，設(shè)計了隔離式車載充電機，圖2是Delta品牌3.6KW車載充電機的原理圖，通過DC/DC電路中的變壓器將供電端與車端進行了電氣隔離。在充電過程中，即便操作人員一只手誤觸車端有源體，但由于新能源車輛高壓系統(tǒng)本身對地絕緣，且供電端與車端電氣隔離，因此沒有觸電危險。
2.5開蓋保護
在充電過程中，打開高壓部件殼體也會面臨直接觸碰車端有源體而觸電的風(fēng)險，因此進行開蓋保護是必要的。開蓋保護主要有三個設(shè)計思路，一是高壓互鎖，當(dāng)高壓互鎖被觸發(fā)后，高壓系統(tǒng)無法從下電狀態(tài)切換到上電狀態(tài)，如圖3，開蓋以后直接切斷高壓互鎖線；二是延遲接近，即至少需要兩步操作才能觸碰到有源體，而第一步必須觸發(fā)高壓切斷，如圖4，通過機械設(shè)計，必須先斷開高壓空調(diào)壓縮機（EKK）插頭，從而觸發(fā)高壓切斷，隨后才能夠打開功率電子的上罩蓋；三是復(fù)雜拆解，需要復(fù)雜的過程或?qū)I(yè)知識才能打開高壓零部件。
2.6RCD（剩余漏電保護器）
在充電槍插入到車之前，如果充電線發(fā)生漏電，人員站在地面上，接觸到充電線，也會發(fā)生觸電事故，針對該種事故類型，無論是在充電樁還是在便攜式充電器內(nèi)，都內(nèi)置了RCD（剩余漏電保護器），其工作原理是，當(dāng)電氣設(shè)備漏電時，漏電保護裝置會檢測到異常電流或電壓信號，經(jīng)過信號處理后，促使執(zhí)行機構(gòu)動作，借助開關(guān)設(shè)備迅速切斷電源，RCD對于直接接觸觸電可以起到良好的保護效果。
2.7機械鎖/電子鎖
為了防止在充電過程中充電接口意外斷開，在充電槍接口處設(shè)計了鎖止功能（機械鎖止或電子鎖止），在鎖止?fàn)顟B(tài)下，即便施加一定的拔出外力，連接也不應(yīng)被斷開，并且鎖止裝置不得被損壞。此外在充電過程中，車輛無法啟動。
2.8IPXXB接口設(shè)計
IP(IngressProtection)防護等級系統(tǒng)是由IEC（國際電工委員會）所起草，將電器依其防塵防濕之特性加以分級。IP后跟隨兩個特征數(shù)字及附加字母和補充字母組成。其中第一個數(shù)字表示防止接近危險部件和防止固體異物進入，第二位數(shù)字表示防水等級，數(shù)字越大，防護等級越高，不要求規(guī)定特征數(shù)字時，用X表示。附加字母表示接近危險部件的防護等級，分別以A、B、C、D表示，其具體含義如表1所示。補充字母可用來表示補充的內(nèi)容，其含義是對所在防護等級進行試驗時要加的補充條件。對于新能源汽車非乘員艙及裝載空間，要求其外殼至少滿足IPXXB的防護等級要求。
3結(jié)論
針對新能源汽車車載充電系統(tǒng)潛在的電擊危險性，在新能源汽車高壓系統(tǒng)的設(shè)計上，有以下八種充電保護措施：等電位保護、保護接零、BMS絕緣檢測、隔離式車載充電機、開蓋保護、RCD（剩余漏電保護器），機械鎖/電子鎖，IPXXB接口設(shè)計。作為“新能源電工（EFffT）”，應(yīng)深刻理解危險源及其防護措施，同時在日常作業(yè)中，還需做好管理上的工作，確保全面安全。
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