电动汽车安全性问题

Plat 专家讲堂。一 电动汽车技术(4) 鹰 霸 摹 豢 耋 键 掏 越 ● 湖南大学 陈宗璋 汽车车身先进设计制造国家重点实验室 吴振军 相对于传统内燃机汽车而言。由于采用高电压驱动电机 ． 电动汽车其安全性问题更为突出。这是因为 电动汽车为了达 到较好的能量利用，动力电压不断提高，由以往的几十伏已经 提高至目前的 100—600伏，甚至更高，远远超过安全电压。一 旦发生触电事故 ，对人体的伤害将十分严重。因此在传统汽车 结构安全的基础上 ，其动力系统的安全性问题更不容忽视。此 外 ，由于动力蓄 电池充放特性 ，容易造成燃烧 、爆炸 、可燃气体 聚集等问题。因此，进行 电动汽车安全性研究具有极为重大的 意义 (2)在正常运行状态下 ，由于电解液 的泄漏 ．电池组的联 接端子(包括与它们相联的任何可导电的固定装置)与任何可 导电部分间可能造成漏电电流危害，因此要求 2个联接端子 间的爬电距离 ：d≥O．25U+5 (d单位为 mm，U为 2个端子间的 标称电压 )；带电部分与电底盘间的爬 电距离 ：d≥O．125U+5(d 单位为 mm，U为 2个端子间的标称电压 )。 (3)电池在车辆制造厂规 定的过 电流 以及 电路出现短路 等情况下 ，过电流断开装置应能及时断开与电池端子的联接 电路，达到避免对人、车及环境产生危害。 1 电动汽车高电压伤害问题及其防护 2 电动汽车蓄电池燃烧爆炸问题及其防护 对于电动汽车 电伤害的研究要人体安全 电压 、电流 ． 避免乘员在动力系统发生短路、漏电等情况下受到电伤害。 人体能够承受的安全电压是指一定强度的电流通过人体 而没有 引起任何伤害事故 的电压 ，因此安全电压 的大小取决 于人体允许通过的电流和人体电阻。根据国家有关安全． 人体允许电流不能超过 30mA，在某些特殊场合下将更小。人 体电阻主要是由体内电阻 、皮肤 电阻和皮肤 电容组成。人体 电 阻随着条件的不同在很大范围内变化．但是，人体电阻一般不 低于 100On。我国安全电压多采用36V，即大体相当于危险环 境下的安全电压。有的国家规定 2．5V为一级的安全电压值， 即相当于人体大部分浸入水 中，且如果不能摆脱带电体或强 烈痉挛即可导致致命的二次事故的情况。同时。根据国际电工 标准(IEC 60529)——为蓄 电池驱动 的道路车辆提供 能量的 电气装置 ：对正常工作中的触电防护要求为在任意可接触 的 触点间的峰值电压应低于 42．3V。 电动汽车动力系统在危险工况下 ．避免人体 电伤害的安 全 电流应小于 30mA。由于动力蓄电池在危险工况下可能会 出 现短路，短路的巨大电流会使短路处甚至使整个电路过热，从 而导线 的绝缘层燃烧起来 ，并引燃周围的可燃物。乘员也 可能 因接触带电体而发生电伤害。因此。电动汽车的研究与开发要 严格控制绝缘电阻值．使之达到人体安全电流的范围。为了避 免电伤害的发生 ，目前在 电动汽车设计开发时应该满足 以下 条件： (1)在电池的整个寿命期 内，按照标准计算方法计算得到 的绝缘电阻值，除以电池的标称电压U，所得值应大于 100D．／V。 电池充电期间或车辆行驶过程中．种种原因都有可能引 发燃烧、爆炸等事故。 当电动汽车采用锂离子电池时 ，若不同容量的锂离子电 池混合使用 ，过放 电时将会使 电池组 中容量较小的电池 出现 反极(电池的正极变负极，负极变正极)，从而使正极的金属锂 形成易燃易爆物质。同时。由于锂离子电池在充放电过程中碳 负极与正极脱出的氧反应会生成易燃气体 CO；另外．由于隔 膜被腐蚀使正负极短路，使有机溶剂电解液发生反应也会生 成易燃气体等。以上因素均可能造成电动汽车燃烧或爆炸。因 此。在电动汽车的开发与设计过程中要严格禁止新旧电池、不 同容量电池的混合使用。以避免事故的发生 。 铅酸电池 、氢一镍电池 、镉一镍 电池等可能由于过充放电因 素产生氢气而引起燃烧、爆炸伤害。氢气在空气中的爆炸极 限：爆炸下限(体积 )4％，爆炸上限(体积)76％。氢气的爆炸(燃 烧)条件为：必须由其它点火源给予点火能。氢气在空气中的 浓度范围必须在其爆炸极限之 内。在电动汽车充电、行驶过程 中．为了防止燃烧、爆炸事故的发生应满足以下防护要求： (1)车辆的任何地方不得有潜在危险气体的聚集。 (2)不允许乘客舱及封闭的货舱内的氢气浓度超过气体 体积的 2％。 (3)允许气体的最大聚集量应符合国家相关标准。 (4)当给蓄电池充电时 ，应测量制造厂规定 区域内的排气 中氢气的浓度 ：常规充电操作时 ，氢气浓度应低于气体体积的 1％；充电期 间发生(车内)通风装置失效 、充电器损坏 、动力蓄 电池连接端子松动、通风管脱落等故障时，氢气浓度应低于气 ~20O8／4宙 维普资讯 http://www.cqvip.com 黔 专 家谫 堂 体体积的 2％。 (5)在规定的排气区域内不得有电接触火花源 、保险丝火 花源 、制动衬片火花源、接触电刷火花源 、静电放 电火花源 以 及香烟、开发火焰 、光源等火花源。 3 曩谚 蔷 沱幢爹伤害 问题及其 护 电动汽车中有毒气体 主要生成于蓄电池 电化学反应 中， 如二氧化硫 、硫化氢等。达到一定浓度后 ，它们会对乘员造成 危害。这种危害不仅包括立即的伤害，如身体不适、发病、死亡 等 ，而且包括对于人体长期的危害 ，如致残 、癌变等。对于这些 有毒有害气体 的是要充分重视的问题。附表是一些常见 的有毒有害气体的 TWA (8小时统计权重平均值)、STEL(15 分钟短期暴露水平)、IDLH(立即致死量 )ppm和 MAC(车间最 大允许浓度)mg／m3。 附表 常见有毒气体对 人体伤害常数 同时要注意，由于蓄电池 的电化学反应中大多有氧气生 成 ，一般氧气含量超过 23．5％时称为氧气过量f富氧1，此时很 容易发生爆炸 ；而氧气含量低于 19．5％为氧气不足(缺氧)，此 时很容易发生窒息、昏迷以至死亡。正常的氧气含量应当在 20．9％左右 蓄电池在危险工况下 ，例如碰撞 、挤压等原因 ，通 常造成 电解液泄漏。造成泄漏的原因主要有 2个方面： (1)由于加_T的原因，产品存在形状及尺寸偏差等各种缺 陷，使零件联接处产生问隙，由于密封两侧存在压力差，_T作 介质就会通过间隙而泄漏。 (2)因为外界作用导致蓄 电池壳体破坏．从而造成电解液 泄漏。电解液的泄漏可能对乘员产生气体 、腐蚀等化学伤害 ． 并可能会烧伤乘客和救援人员。因此，对电解液泄漏的研究有 利于改进电动汽车设计的整车安全性。目前有以下要求：①危 险lT况下，控制乘客厢外的电解液泄漏量不超过 5．OL；②总的 电解液泄漏量 是从碰撞试验后 ．车辆运动停止 ．车辆停 止 30min期间和整车翻转试验期间测量所得；③危险1二况下，蓄 电池电解液不得窜人乘客舱内；④危险工况下，蓄电池电解液 不能从车上甩出。 _ 0 j r ，h 皂_ 叠 誊 理 j、 0 ≯南 决 ～ 一 ， f· 电动汽车动力电池技术是电动车发展的关键 ，目前在电 和燃料电池等。建立一套较完善的电池综合性能评价方法体 系势必加快整个电动汽车用动力电池技术的发展和电动汽车 ⋯ 蚴 4 实用步伐。目前 ，国内对动力电池性能的研究和评价只是停留 在对电池单独进行试验的层面上 ，即在对电池进行恒流放电 的情况下对其性能进行研究和评价。有研究表明，这种评价和 研究方法所得到的电池性能参数 曲线和车辆在运行工况下电 池实际工作性能曲线的相关性较差。比如，在实车实验中，铅 酸电池 因负极硫酸盐化程度来决定其寿命 。但在一般恒流放 电实验中，影响电池寿命的原因是正极板栅腐蚀变形，负极活 性物质(海绵铅)收缩。所以，按目前采用的恒流放电方式对电 池性能进行评价可能会影响对动力电池性能研究工作的针对 性 。从而导致研究工作失去意义或意义不大 。 纯 电动汽车用动力电池性能评价方法提出 了一种新 的 评价 ．按 ECE循环运行工况对电动汽车用动力 电池放 电 特性进行仿真分析 和实验研究 ，以其取代 目前普遍采用 的恒 流放电评价方式的有效方法 。电动汽车用动力电池所涉及 的 性能参数很多 。模拟车辆实际运行_【况 ，对 电池性能的评价 不可能做到面面俱到 ，也没有必要做到面面俱到。选择适 当 的性能参数来对动力电池进行评价不仅可以节约评价时间， 降低评价费用，而且可以做到抓大放小，提高评价的准确性。 依据以上论述的电动汽车对 电池性能在容量 、循环寿命 、放 电性能和安全性等方面的特殊要求 ，对 电池性能的评价主要 包括 ： (1)对电池的 内压进行检测 和评价 ，从而得 到电池 的比 功率。 (2)对电池的储存容量进行检测和评价 ．以获得 电池组能 够提供的持续行驶里程 。 (3)对电池放电性能的检测和评价 ．采用行驶工况模式放 电实验 ，以得到 电池在车辆行驶过程中能够提供最大动力性 能以及持续运行时间。 (4)对电池使用循环寿命的评价，按照行驶T况电流模式 进行充放电实验 ，以评价电池的使用寿命。 (5)对 电池 内部工作温度的检测 (6)对动力电池组不一致性能的评价 ，通过在充放电循环 寿命实验中监测各个电池组的电压 、电流和容量的变化 。监测 电池组的不一致性能 。 5 结 论 对于 电动汽车安全性 问题 ． 目前除碰撞所 产生的机械 伤害在 国内外已有法规可 以参照外 ．其他几种伤害形式 尚 无具 体标 准可依 ，而且国 内外也没有可以直接进行此类伤 害检测的试验检测方法和设施。电动汽车安全性 问题研究 是电动汽车开发与广泛应用的重要组成部分 。我 国已将汽 车工业作 为推 动国 民经 济发 展和 技术 水平进 步 的支柱 产 业 ，通过对 电动汽车安全性问题的研究 ，建立电动汽车安全 性评价方法和评价体系 ．可以为电动汽车的安 全性改进提 供依据 。因此 ．对 电动汽车安全性问题的研究 ．将 为我 国电 动汽 车的开发研究提供科学依据 ，并将 大大减 少交通 事故 中的人员伤亡。 维普资讯 http://www.cqvip.com