电动汽车的高压安全测试

62·April-CHINA栏目编辑：高中伟 [e-mail] Energy Automobile新能源汽车电动汽车的高压安全测试随着能源以及环境问题的日益严峻，世界上各个汽车生产大国都将把越来越多的电动汽车投入市场。电动汽车的一个重要特点就是带有高压动力回路，其工作回路中的电压甚至可以达到600V以上。因此在考虑电动汽车给我们带来环保效益的同时，高压安全问题同样不容忽视。因此，如何保护相关人员的安全已成为我们关注的重点。一、电动汽车高压的危害人体电阻主要是皮肤电阻，人体表皮角质层的电阻很大，在干燥情况下可达到6～10kΩ，甚至更高，潮湿情况下可降到1kΩ。在理论研究中，我们可以把人体本身看作是一个大电阻(1kΩ)，当对人体施加一个电压时，便会产生对应的电流，电流的强度和作用时间的长短会对人体造成不同的伤害。从图1中可以看出，当电流强度大于50mA，作用时间超过10ms时，会造成人体心室颤动、呼吸困难，危及触电人员安全。若以800～1200Ω作为人体电阻值，根据欧姆定律：U=IR，40～60V的电压就可能造成这类危害。图1电流对人体的伤害图2电动汽车结构简图如之前提到的，电动汽车的电压可高达600V以上，因此，在电动汽车推广的同时，如何保证驾驶人员、乘车人员以及汽车保养与维修人员的安全，是值得我们关注的话题。在电动汽车安全要求标准GB/T18384.3-2001中，也对电动汽车的电压作了规范定义，标准里将电动汽车的工作电压分为A、B两级，如表1所示。表1电动汽车的工作电压等级划分工作电压/V直流交流(15～150Hz)A级0＜U≤600＜U≤25B级60＜U≤100025＜U≤660对于A级电压，不需要进行触电防护，对于任何B级电压电路的中的带电部件，都应为接触人员提供防护。二、电动汽车安全要求标准解读GB/T18384是电动汽车安全要求标准，其分为三部分：车载储能部分、功能安全和故障防护、人员触电防护。标准针对电动汽车的电气安全提出了一系列的要求，以保证电动汽车在正常使用情况下的一些可能失效不会对使用者和周围环境造成危害。电动汽车动力系统一般由高压电池、驱动电机、DC-DC、DC-AC等高压部件组成。其结构如图2所示，为了保证高压动力系统的安全性，我们需从多个方面去进行验证。图3动力电池绝缘电阻测量流程1.动力电池的绝缘电阻对电压60＜U≤1000的动力蓄电池，要求根据GB/T18384中的标准方法进行绝缘电阻的计算，得到的绝缘电阻值除以电池的标称电压所得到的值不应小于100Ω/V。与之相比，美国工程师协会标准SAEJ1766与欧盟的ECER100都要求绝缘电阻不小于500Ω/V。动力电池的绝缘测试过程，如图3所示。通过图中方式测量无感觉或轻微感觉麻酥、针刺感、肌肉收缩心室颤动、呼吸困难电流/mAR=1kΩ时间/ms0150100100101000500R=U/I12V蓄电池驱动电机高压电器元件高压电池高压电缆动力电池动力电池电底盘电底盘动力电池V'1V'2V1V2R0R0632015/04·汽车维修与保养栏目编辑：高中伟 [e-mail] Energy Automobile新能源汽车动力电池正极与负极对底盘(分不带负载和带负载R0)的电压，其中，R0为一个已知的100～500Ω/V的标准电阻。由此，我们可以计算动力电池绝缘电阻Ri，Ri=(V1-V2)/V2·R0(V1V'1)或Ri=(V'1-V'2)/V'2·R0(V'1V1)。但从上面我们也可以看出，如果使用一般的电压表来测量动力电池的电压，要经历较为繁琐的过程，同时，结果需人为计算。2.动力系统的绝缘电阻对于动力系统绝缘电阻测量，GB/T18384.3-2001要求须使用一个至少是动力系统标称电压1.5倍或者500V电压(两者取其高者)的设备来进行测量，对绝缘电阻的要求如表2所述。表2动力系统绝缘电阻的要求设备测量阶段最小瞬间绝缘电阻/(0.1kΩ/V)测量阶段计算的最小绝缘电阻/(0.1kΩ/V)Ⅰ类0.11Ⅱ类0.55注：绝缘电阻按照设备的标称电压计算3.绝缘电阻监控对于电动汽车，因考虑到其高压电的危害性，在车上需要提供绝缘电阻监控系统，依据标准GB/T18384.3-2001中要求，在监测到绝缘电阻小于100Ω/V时，电路自动断开。4.等电势为了防止因存在电势差造成的触电危险，在高压组件的外壳或者可导电的外盖等部件之间应该采用导线与车身支架相连的方式，以达到等电势的效果，见图4。在欧盟，ECER100中针对等电势也做出了规定，要求高压组件外壳至车身任一点之间的电阻不大于0.1Ω。图4等电势线三、高压电安全测量实例若要进行实际的电动汽车高压测量，还需选用一款合适的图5高压安全测量仪AVLHVSafety2000测量工具，通过它去完成一项或者多项的测试项目。本文以一款专为测量电动汽车高压而设计的专业工具AVLHVSafety2000为例(图5)来完成上述测量项目。1.动力电池绝缘电阻测试图6动力电池绝缘电阻简图如图6所示，实际上动力电池两端到车身底盘的绝缘电阻是不相等的，为了保证安全性，我们一般取较小的动力电池绝缘电阻，其测量方法可参见图3。测量过程：在动力电池绝缘电阻测试前，电动汽车断开高压电，并断开动力电池与驱动电路的连接。如果手动地去完成图3所示的整个测试过程，显然较为耗时，且需要反复地记录数据以及计算。AVLHVSafety2000内置有SAEJ1766动力电池绝缘电阻测试标图7测量仪界面图准流程(同GB/T18384)。选择SAEJ1766模式，完成自检后，根据仪器提示测量动力电池电压、动力电池正极对电气地、动力电池负极对电气地。如图7所示，最终结果仪器将自动计算并显示于屏幕。2.动力系统回路绝缘电阻测试动力回路的绝缘电阻需要采用系统标称电压的1.5倍或500V(两者取大者)来完成测量，一般情况下选用绝缘电阻测量仪来进行测量。其实原理是在实测物体上加上一定的高压，然后测试流过它的漏电流，再换算成绝缘电阻值，由测量工具显示出结果。绝缘电阻测试仪一般由直流高压发生器(测试电压)和漏电流测试器(精密电流表)组成，如图8所示。图8绝缘电阻测量仪原理测量过程：断开被测电动汽车电动高压电，并断开动力电池与驱动电路的连接。在高压动力回路上选择合适的测量点(如图9)，测量测试点对车身底盘的绝缘电阻。在这里，我们仍选用AVLHVSafety2000作为测量工具。选择绝缘电阻测量模式，输入标称电压值，测量选定的测量点与车身底盘的绝缘电阻值，结果显示如图10所示。等电势线R1动力电池R2高压逆变电路电压测量被测电阻保护电路电流测量64·April-CHINA栏目编辑：高中伟 [e-mail] Energy Automobile新能源汽车3.等电势如图11所示，当汽车发生碰撞等意外时，可能导致高压回路上的组件漏电，在这种情况下，两个不同的组件表面可能存在不相等的电位。如果没有进行等电位联接(汽车的等电势线如图12所示)，当人同时触碰到两个组件时，会因为电势差UAB的存在，形成电流I，对人体造成伤害。根据标准要求，等电势电阻不得大于0.1Ω。图9绝缘电阻测量选择示意图图10绝缘电阻测量结果测量过程：选用AVLHVSafety2000，选择等电势测量模式，自检完成后，在车身上选择合适测量点(如组件外壳等电势连接点与车身之间)，根据提示进行测量，结果如图13所示。图11等电势故障触电示意图图12电动汽车等电势线在等电势电阻测量中，由于所测量的电阻阻值较小(不得大于0.1Ω)，为了得到较为精确的值，AVLHVSafety2000采用开尔文四线测量技术。如图14所示，在实测电阻的每个测试点引出两条测试线，二者严格分开，各自构成独立回路；在电压回路上，要求要有极高输入阻抗的测试回路上，使流过的电流极小，近似为零。r表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为零，在r3，r4上的压降也为零，而激励电流I在r1，r2上的压降不影响I在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出Rt两端的电压值，从而准确测量出Rt的阻值。测试结果与r无关，有效地减小了测量误差。图13等电势电阻测量结果图14开尔文四线测试方法示，目前，电动汽车上的绝缘监测器报警判定值一般为500Ω/V(ISO6469)。为了检查绝缘监测器的状况，可以模拟绝缘电阻的临界状态，来观察绝缘监测器是否出现报警提示。AVLHVSafety2000功能项中有一项是用于做绝缘监测器检测的。在通电的情况下，将AVLHVSafety2000两探针分别与高压正极(或负极)及底盘相连，激活测试，通过仪器内部的可变负载电阻阻值不断下降，模拟出临界报警值，如在图16所看到的，当仪器内部负载电阻为200kΩ，车载绝缘监测器报警(图17)，此时，高压系统供电切断，AVLHVSafety2000得到的电压值小于1V。图15绝缘监测器的安装示意图四、结束语在我国，汽车排气污染已成为城市大气污染的重要因素，发展新能源汽车，用电代油已成为一项重要的战略措施。保障电动汽车的安全需要严格执行各项安全标准，我们也期待国家在电动汽车安全方面的要求越来越完善。(供稿：厦门海腾发动机测试设备有限公司)图16HV2000检测绝缘监测器图17车型绝缘监测器报警状态4.绝缘电阻监控电动汽车直流高压系统的电缆绝缘介质老化或受潮湿环境等因素影响，都会导致高压电气系统和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正极或负极引线将在绝缘层和底盘之间构成漏电回路，使车辆底盘电位上升，危及驾乘人员的人身安全。绝缘监测器能实时监测电动汽车高压系统对地的绝缘电阻，当高压系统对底盘的绝缘电阻低于设定的报警判定值时，绝缘监测器发出报警信号，并切断汽车高压电源。绝缘监测器的安装位置如图15所测量点底盘绝缘监测器RtUIr1r3r2r4组件AUAB组件B