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中汽研 | 電動汽車碰撞后電安全分析與研究

2022-01-28 21:07:33·  來源：電動學(xué)堂  作者：蘭昊等  
　
文章來源：1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司0引言2020年我國汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到2522.5萬輛和2531.1萬輛，連續(xù)12年蟬聯(lián)全球第
文章來源：1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司
0引言
2020年我國汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到2522.5萬輛和2531.1萬輛，連續(xù)12年蟬聯(lián)全球第一。2020年電動汽車產(chǎn)銷量分別完成136.6萬輛和136.7萬輛，同比分別增長7.5%和10.9%。隨著汽車保有量的增加，道路交通事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國汽車交通事故247646起，62763人死亡，256101人受傷，直接財產(chǎn)損失134617.9萬元。為此我國發(fā)布實施了一系列汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)以提高汽車碰撞安全性。傳統(tǒng)汽車碰撞安全主要關(guān)注碰撞發(fā)生后由于物理擠壓和慣性沖擊導(dǎo)致的乘員傷害，電動汽車由于動力電池和高壓電氣系統(tǒng)的存在，除需關(guān)注物理擠壓和慣性沖擊導(dǎo)致的乘員傷害外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注碰撞后電路短路、人員觸電、電解液泄漏甚至起火、爆炸等風(fēng)險。王凱等進(jìn)行了傳統(tǒng)燃油車以及電動汽車汽車的碰撞對比試驗，進(jìn)而提出了電動汽車在碰撞中電氣安全方面的注意事項；RainerJusten介紹了戴姆勒在混合動力汽車以及純電動碰撞方面的安全設(shè)計理念；戴海峰等提出了基于設(shè)備、系統(tǒng)、使用場所等電安全的防護(hù)措施，對于碰撞后安全設(shè)計具有指導(dǎo)意義；Lian等提出了后面碰撞對于電動汽車的潛在危險，并初步提出了防范設(shè)計；張亞軍等提出利用電動汽車絕緣電阻實時監(jiān)測和由繼電器執(zhí)行斷電功能的雙重保護(hù)，優(yōu)化了電安全防護(hù)方案；ApplusIDIADA的AmorOriol等提出試驗室進(jìn)行電動汽車碰撞試驗的安全注意事項；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO針對電動汽車碰撞后安全發(fā)布了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6469-4，F(xiàn)MVSS305、UNECER94/95/153、Attatchment111分別是美國、歐盟、日本電動汽車的碰撞法規(guī)，中國也發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31498—2015，但是缺少對電動汽車后部碰撞的要求。
目前針對電動汽車碰撞后電安全已經(jīng)初步有了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)以及對應(yīng)的設(shè)計方案，但是缺乏相關(guān)的原理闡述，同時隨著試驗驗證技術(shù)以及電動汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，原有的電動汽車碰撞后電安全防護(hù)方案需要進(jìn)一步修正，本文將系統(tǒng)梳理電動汽車正碰、側(cè)碰、后碰的電安全要求，提出電動汽車后部碰撞增加的必要性，同時提出防觸電保護(hù)的改進(jìn)方案，對于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計以及完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的要求與測試具有參考價值。
1分析與討論
1.1適用范圍
首先需要明確對于電動汽車而言，不同類型的車輛需要采用的電安全措施并不一樣，例如對于M3類車輛而言，由于其寬松的設(shè)計空間，即使發(fā)生碰撞也極少會傷害到高壓部件，也不需要采用與M1類同樣等級的電安全設(shè)計。因此需要首先明確正面碰撞、側(cè)面碰撞及后面碰撞電安全要求的適用范圍。傳統(tǒng)碰撞針對的是乘員的碰撞傷害，而電動汽車碰撞要求除了考慮乘員傷害外，也要防止高壓部件帶來的潛在危險，因此電動汽車的碰撞安全的適用范圍區(qū)別于傳統(tǒng)車的碰撞。
1.1.1正面碰撞
正面碰撞適用于M1類及最大設(shè)計總質(zhì)量不大于2500kg的N1類汽車以及多用途貨車中帶有B級電壓電路的純電動汽車、混合動力汽車。
1.1.2側(cè)面碰撞
傳統(tǒng)碰撞測試中不針對座椅R點(diǎn)距地面超過700mm的M1、N1類的傳統(tǒng)汽車進(jìn)行碰撞，主要原因是座椅R點(diǎn)高度超過700mm時，側(cè)碰試驗壁障一般不會對乘員造成傷害，但是電安全并不受R點(diǎn)高度的影響，因此對于座椅R點(diǎn)距地面超過700mm的車輛不做乘員安全考察，但需考察電安全。因此側(cè)面碰撞的要求適用于M1、N1類汽車中帶有B級電壓電路的純電動汽車、混合動力汽車。
1.1.3后面碰撞
在早期的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中，普遍缺乏電動汽車后碰撞的測試，例如聯(lián)合國法規(guī)UNR153直到2021年才增加了電動汽車后碰撞的安全要求[8]，主要原因在于傳統(tǒng)汽車的后碰撞是對燃油箱保護(hù)性能的考察，而不是對乘員傷害的考察，這就導(dǎo)致原有的后碰撞測試方法無法直接被引用，經(jīng)過多年研究，目前美國、日本、歐盟等都引入了電動汽車后面碰撞測試要求，而GB/T31498—2015中仍缺少對于電動汽車后碰撞的安全要求。
為此我們進(jìn)行了實車碰撞試驗，圖1為動力電池安裝在后備箱的某一車型的碰撞加速度曲線，100%正面碰撞中電池包X軸的最大加速度在30g左右，而后碰撞過程中電池包的X軸最大加速度可以達(dá)26g左右，同時Y軸和Z軸也存在較大的加速度，其中Z軸加速度接近30g，見圖2。對于動力電池布置在車輛后部的情況，發(fā)生后面碰撞時動力電池及高壓系統(tǒng)將承受巨大的沖擊載荷，產(chǎn)生較大變形量和位移量，從而導(dǎo)致化學(xué)穩(wěn)定性改變、漏電、甚至起火爆炸，或侵入乘員艙，危害乘員安全。即使動力電池安裝于車輛中部，若尾部吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，后面碰撞可能導(dǎo)致車輛后軸瞬間前移撞擊到動力電池包殼體，同樣會對動力電池造成破壞。因此有必要針對電動汽車增加后面碰撞的要求。
1.2防觸電防護(hù)要求
1.2.1整體要求
電動汽車碰撞后應(yīng)該同時滿足防觸電保護(hù)要求、電解液泄漏要求以及REESS相關(guān)要求，其中防觸電保護(hù)要求包括低電壓要求、低電能要求、物理防護(hù)、絕緣電阻要求，滿足其中一項即可，見圖3。
圖4所示防觸電保護(hù)涵蓋的區(qū)域包括REESS、充電區(qū)域、動力系統(tǒng)、空調(diào)等。
需要注意的是，在不同的初始設(shè)置下，防觸電保護(hù)要求的選擇范圍會有所不同。第一種情況是在開始試驗前，REESS與電力系統(tǒng)負(fù)載之間的開關(guān)是閉合狀態(tài)，碰撞之后，該開關(guān)自動斷開。這種情況下，對于REESS、充電系統(tǒng)、電子系統(tǒng)負(fù)載這三個高壓系統(tǒng)，防觸電保護(hù)要求的四個選項可以任意選擇，見圖5。
第二種情況是碰撞之后開關(guān)未自動斷開，如圖所示，REESS、充電系統(tǒng)、電子系統(tǒng)負(fù)載這三個高壓系統(tǒng)可以采用防觸電保護(hù)要求的四個選項之一，需要注意的是，區(qū)別于第一種情況，此時電力系統(tǒng)負(fù)載是指逆變器之后的組件（黃色標(biāo)注），見圖6。
第三種情況是，試驗開始前，人為斷開車輛的REESS與電力系統(tǒng)負(fù)載之間的開關(guān)，這種情況下，REESS、充電系統(tǒng)可以從防觸電保護(hù)要求的四個選項中任意選擇，而電力系統(tǒng)負(fù)載只能從物理防護(hù)、絕緣電阻兩個選項中選擇，見圖7。
1.2.2電壓要求
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全電壓是交流≤30V或直流≤60V。美國、日本、歐盟、中國的法規(guī)中對于電壓的測量是在碰撞后之后5s至60s之間進(jìn)行，取最小電壓值。而ISO6469-4:2015對于碰撞后的電壓提出了更高的要求，如果碰撞之后車輛在5s之內(nèi)停止，則指碰撞開始后的10s內(nèi)，如果碰撞之后車輛沒有在5s內(nèi)停止，則指車輛停止后5s內(nèi)。
實際碰撞試驗中，在10s內(nèi)電壓降到安全電壓，必須依靠主動放電，主動放電需要整個動力系統(tǒng)控制回路才能正常工作（整車控制器、電機(jī)控制器、DCDC、BMS），零部件故障、控制器故障、低壓電源斷開、CAN通訊斷開等故障均會導(dǎo)致主動放電失效，而現(xiàn)在的主動放電是針對正極對負(fù)極之間的放電，即Vb；而正極對地V1和負(fù)極對地V2沒有主動放電功能。
如圖8所示，紅色曲線是主動放電失效后，被動放電的電壓變化，黑色曲線是主動放電的電壓變化?？梢姡鲃臃烹娛Ш?，被動放電，難以在10s內(nèi)降到60V以下。ISO6469-4:2015標(biāo)準(zhǔn)中從0s開始測量電壓最低值，在某些情況下會出現(xiàn)瞬時短路，如圖8所示，此時測量的電壓最低值不具有參考性，因此5s~60s測量電壓最低值具有更好的科學(xué)性。
電壓的測試應(yīng)該同時包括REESS端和負(fù)載端，負(fù)載端分為DC部分和AC部分，見圖9。DC部分可以采用電壓表進(jìn)行測量，AC部分檢查低電壓的方式包括電壓測量以及通過觀察電機(jī)是否轉(zhuǎn)動的目視方法判斷。
同時在測量過程中應(yīng)注意，車輛會針對絕緣電阻進(jìn)行巡檢，以確保絕緣電阻可以有效工作，這就造成了正極對地和負(fù)極對地的電壓呈現(xiàn)周期性變化，如圖10所示。
1.2.3電阻要求

在整車電安全的設(shè)計中，絕緣電阻要求被認(rèn)為是重要的的保障措施，在單點(diǎn)失效的情況下，絕緣電阻可以有效降低來自REESS的電流，從而保護(hù)人體不受傷害，如圖11左圖所示，如果是正負(fù)極保護(hù)同時失效，此時絕緣電阻防護(hù)失效，如圖11右圖所示。

如果交流高壓母線和直流高壓母線是互相傳導(dǎo)連接的，高壓母線與電平臺之間的絕緣電阻的最小值應(yīng)為500Ω/V。如果在碰撞之后，所有交流高壓母線滿足物理防護(hù)要求，或交流電壓等于或小于30V，則絕緣電阻的最小值應(yīng)為100Ω/V，見圖12。
然而絕緣電阻的要求并不能完全保證安全，在某些情況下仍舊可能發(fā)生觸電傷害，為了保證整車的EMC水平在限值以內(nèi)，在車輛設(shè)計中，通常會增加Y電容，而Y電容中儲存的能量并不經(jīng)過絕緣電阻，即仍能夠直接與人體構(gòu)成回路，如圖13中紅色虛線所示，從而產(chǎn)生電擊風(fēng)險，因此在在進(jìn)行絕緣電阻的設(shè)計時，應(yīng)同時疊加考慮電容器的電能限值，
1.2.5章節(jié)會具體分析。
在1.2.1整體要求中，討論了試驗過程中的三種不同情況，其中接觸器自動斷開或者手動斷開的情況可以分別對REESS端和負(fù)載端測量絕緣電阻，對于接觸器未自動斷開的情況，可以采用兩種測量方案，一種是測試整個電路的絕緣電阻，另一種是分別測試DC部分和AC部分的絕緣電阻，見圖14。

第一種方案是直接測量整個回路的絕緣電阻，見圖15。絕緣電阻測量區(qū)域為DC部分，因此適用于100Ω/V，由于電機(jī)部分與動力電池聯(lián)通，因此即使絕緣電阻測量部分滿足要求，電機(jī)部分仍可能存在安全風(fēng)險，電機(jī)部分需要采用低電壓或者物理防護(hù)的選項，其中低電壓的確認(rèn)方式包括：電壓測量或者采用目視檢測電機(jī)是否轉(zhuǎn)動的方式。

第二種方案是強(qiáng)制打開接觸器，見圖16。分別測量REESS端和負(fù)載端的絕緣電阻，由于接觸器已經(jīng)人為斷開，因此此時電機(jī)部分必然滿足低電壓要求，但是因為交流回路和直流回路為人為分開，此處應(yīng)按照更高的標(biāo)準(zhǔn)，即滿足500Ω/V。
同時，目前對于絕緣電阻的測量方法存在一定的缺陷，GuoYan等人對比了兩種主流的絕緣電阻的測量方案，兩種方案的實際測試結(jié)果并不相同。
之所以出現(xiàn)這種情況，是因為目前電動汽車的絕緣電阻阻值越來越大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電壓表的內(nèi)部阻值10MΩ，這種情況下，電壓表可以分到的電壓趨近于0，因此需要改進(jìn)測量方法，為此于洋等人提出了一種雙表筆測量方法。
雙表筆法的原理是在B級電壓電路的絕緣電阻R1、R2兩邊并聯(lián)上測試設(shè)備的內(nèi)阻Rp、Rn。即用電壓測試設(shè)備的內(nèi)阻拉低B級回路的絕緣電阻，從而使得電壓表可以正常工作，其中R0是第二次測量并入的已知電阻，見圖17。
1.2.4物理防護(hù)
物理防護(hù)測試中應(yīng)該采用IPXXB的試指，采用鏡子或低壓信號檢測是否接觸高壓帶電部分，實際操作過程中，部分情況很難確定是否接觸到高壓部件，因此物理防護(hù)的方法具有一定的局限性，通常不作為第一選項。
圖18是一種探測低電壓部件是否接觸到可導(dǎo)電部分的設(shè)計思路，測試試指、歐姆表和底盤串聯(lián)，如果歐姆表顯示為零或者無窮大，則沒有觸碰到外部可導(dǎo)電部分，其它數(shù)值則說明觸碰到了外部可導(dǎo)電部分，但是這種判斷也存在一定的局限性，碰撞之后，螺栓存在松動的可能，從而導(dǎo)致歐姆表出現(xiàn)非零數(shù)值，該方法仍需進(jìn)一步完善。
對于物理防護(hù)，通常只要求碰撞后車輛應(yīng)該有IPXXB的防護(hù)以及用大于0.2A的電流進(jìn)行測量，所有外露的可導(dǎo)電部件與電平臺之間的電阻應(yīng)低于0.1Ω，實際上該要求可等效為任意可導(dǎo)電部分之間的電壓應(yīng)該不大于交流30V、直流60V，同時對于選擇外露可導(dǎo)電部件與電底盤之間的電阻低于0.1Ω時，還需要考慮此時可能發(fā)生了內(nèi)部短路情況，因此需要疊加具備斷開短路電路的功能或者電阻應(yīng)大于0.01Ω/VDC或0.05Ω/VDC，如圖19所示。
但是該建議在實際測試時不具有可行性，例如無法全部測量任意兩外露可導(dǎo)電部分的電壓、斷開短路電路等，但是可以作為車輛設(shè)計開發(fā)過程中保證安全的思路。
1.2.5電能要求
在雙點(diǎn)失效的情況下，絕緣電阻將會失去防護(hù)能力，此次車內(nèi)電容器會與人體構(gòu)成回路，從而造成安全風(fēng)險，見圖20，相關(guān)研究已經(jīng)表明只要電能量足夠低，即使是高壓電，也不一定對人體產(chǎn)生傷害。但是目前世界各國對于此限值有著不同的要求和測算方法。IEC60950-1提出了20J的限值，UNR100中提出了2J的限值，SAEJ1766當(dāng)中提出了0.2J的限值。因此EVS-GTR針對該問題進(jìn)行了研究，得出了0.4J的安全限值，同時考慮到2倍的安全系數(shù)，最終將限值規(guī)定為0.2J。
另一方面，目前關(guān)于低電能的計算公式也存在不同的計算方法，目前通常采用的計算公式如下所示：
該計算公式中，電容器參數(shù)C是由廠商提供，不是確切數(shù)，減去60V安全電壓的能量值的計算方式并不完全準(zhǔn)確，同時當(dāng)電壓低于60V時會出現(xiàn)負(fù)值，因此新標(biāo)準(zhǔn)中按照公式（2）修正電能的計算公式。
1.3電解液要求
目前法規(guī)中規(guī)定從碰撞結(jié)束起至30min時間內(nèi)，不應(yīng)有電解液從REESS中溢出到乘員艙，不應(yīng)有超過5.0L的電解液從REESS中溢出。但是由于實際碰撞試驗中，除電解液外，也可能發(fā)生其他液體泄漏例如冷卻液等，如果無法區(qū)分電解液和其它液體，則應(yīng)將所有液體都應(yīng)計入。
1.4REESS相關(guān)要求
位于乘員艙外面的任何REESS部分不應(yīng)進(jìn)入乘員艙，對于乘員艙的范圍應(yīng)該注意如果后備箱空間與前部乘員艙連通，也應(yīng)該視為乘員艙空間，如圖21所示，對于REESS位于乘員艙的情況，不允許乘員艙內(nèi)REESS移位，且REESS部件要保持在其外殼內(nèi)。
2結(jié)束語
本文基于對目前國內(nèi)外電動汽車碰撞后安全要求的研究與分析，提出增加電動汽車后碰撞要求的必要性，并進(jìn)一步提出碰撞后電安全要求的優(yōu)化方案，相關(guān)結(jié)論如下。
1）試驗結(jié)果表明，電動汽車在側(cè)面碰撞以及后部碰撞中，動力電池等高壓部件承受的加速度超過20g，因此需要將電動汽車側(cè)面碰撞范圍擴(kuò)展到R點(diǎn)大于700mm以及增加后部碰撞。
2）系統(tǒng)的分析了防觸電高壓防護(hù)（電壓、電能、電阻以及物理防護(hù)）四種方案的改進(jìn)后的要求、原理以及測試方法，重點(diǎn)闡述了關(guān)于電壓測量中起始時間、電能要求的限值、絕緣電阻防護(hù)要求的缺陷以及物理防護(hù)測試的困難等研究，對于指導(dǎo)電動汽車產(chǎn)品設(shè)計以及完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)具有參考價值。
3）試驗結(jié)果證實了電壓測量從5s~60s的合理性，碰撞之后5s之內(nèi)由于短路，電壓會出現(xiàn)瞬間陡降的情況，同時ISO6469中10s的截止要求過嚴(yán)。
4）車碰撞后絕緣電阻選項并不足以保證安全，需要和低電能要求結(jié)合起來，REESS端的絕緣電阻測量需要采用雙表筆法，同時進(jìn)一步闡述了在接觸器三種不同情況設(shè)置下絕緣電阻的測量方法，尤其針對接觸器未自動斷開的情況，提供了兩種測量方案。
5）物理防護(hù)的要求在測量的可靠性方面仍需要完善，本文提出了一種測試的思路，同時分析了電能限制要求的原理以及限值來源。
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