纯电动汽车安全系统设计
沈 延 张剑锋 冷宏祥 (上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)
【摘要】 详细分析纯电动汽车可能存在的安全隐患,设计的纯电动汽车的安全系统包含4大部分:维修
安全、碰撞安全、电气安全和功能安全,同时还对每一部分进行详细分析和设计。通过这套安全系统可保证纯电
动车在多种异常工况以及充电情况下车辆和相关人员的安全。
【Abstract】Thepotentialsafetyfailuremodesofelectricvehiclefileanalyzed.Thesafetysys—
temconsistsoffourparts:maintenancesafety,crashsafety,electricalsafetyandfunctionsafety.
Meanwhile,eachpartofsafetysystemisclearlyanalyzedandelaborated.Withthehelpofthissafety
system,thesafetyofhumanandvehiclecanbeensuredunderfailuredangerousscenariosandcharging
conditions.
【关键词】纯电动汽车安全系统碰撞
doi:10.3969/j.issn.1007-4554.2012.06.02
0引言
随着国民生活水平的不断提高,汽车已经El
渐成为人们的生活必需品;随着传统内燃机汽车
带来的环境污染及能源短缺问题越来越突出。电
动汽车以其良好的环保特性和能源替代特性而备
受关注。如何开发出安全、经济且满足用户需求
的电动汽车已成为各国政府和汽车行业研究的新
课题。
汽车安全作为现代汽车技术研究的3个重点
方向之一,在全世界范围内受到广泛关注。相比
于传统内燃机汽车,由于动力系统的特殊性,电动
汽车的安全系统设计更为复杂;如果车辆在充电
及行驶过程中出现碰撞、翻车等事故,可能造成动
力系统的短路、漏电、燃烧、爆炸等,由此对乘员造
成电伤害、化学伤害、燃烧伤害等。因此在电动汽
车的研究开发过程中,对电动汽车的安全设计进
收稿日期:2012—04一13
上海汽车2012.06
行系统的研究具有重要意义。
目前世界各地的汽车企业和研究组织对电动
汽车安全的研究主要集中在电池等零部件领域,
关于纯电动汽车安全系统设计的研究还处于起步
阶段。本文将从系统设计角度出发,针对纯电动
汽车动力系统的技术特点,设计出一套适用于使
用锂电池的电动汽车特有的安全系统,保证车辆
在充电和行驶过程中人员的安全。
1 电动汽车的危险工况及潜在安全
隐患
相比于传统内燃机汽车,在危险工况下或车
辆发生故障时,电动汽车发生危险的不同点在于
可能存在的高压电安全隐患,因此本文主要讨论
的是高压电系统的安全设计。
1.1动力系统高压短路
当电动汽车动力系统的高压线短路时,将会
·7·
万方数据
导致动力电池瞬间大电流放电,此时动力电池和
高压线束的温度迅速升高,将会导致动力电池和
高压线束的燃烧.严重时还可能会引起电池爆炸。
若动力电池的高压母线与车身短路,乘员可
能会触碰到动力电池的高压电,从而产生触电伤
害。
1.2发生碰撞或翻车
当电动汽车发生碰撞或翻车时,可能导致动
力系统高压短路,此时动力系统瞬间产生大量热
量,存在发生燃烧甚至爆炸的风险;此外还可能造
成高压零部件脱落。对乘员造成触电伤害。如果
动力电池受到碰撞或因为燃烧导致温度过高,有
可能造成电池电解液的泄露,对乘员造成伤害;发
生碰撞或翻车还会对乘员造成机械伤害,这类伤
害可参照传统内燃机汽车的机械伤害来研究。
1.3涉水或遭遇暴雨
当电动汽车遇到涉水、暴雨等工况时,由于水
汽侵蚀,高压的正极与负极之间可能出现绝缘电
阻变小甚至短路的情况,可能引起电池的燃烧、漏
液甚至爆炸,若电流流经车身,可能使乘员遭受触
电风险。
1.4充电时车辆的无意识移动
当车辆在充电时,如果车辆发生移动,可能会
造成充电电缆断裂,使乘员以及车辆周围人员遭
受触电风险;若充电电缆断裂前正在进行大电流
充电,还可能造成电池的高压接触器粘连,从而进
一步增加人员的触电风险。
1.5车辆的扭矩安全
纯电动汽车的驱动是通过电机旋转实现的,
由于电机既可顺时针旋转也可以逆时针旋转,电
动汽车的前进和倒退一般是通过改变电机的旋转
方向来实现的。因此在设计整车控制策略时应当
防止电机旋转方向的突然改变。由于电机不需要
怠速,在全转速范围内效率都比较高,纯电动汽车
一般没有离合器和变速器。因此在设计整车控制
策略时还应当防止不期望的车辆移动。
2纯电动汽车安全系统架构
本文所讨论的锂电池纯电动汽车的结构如图
·8·
l所示。
驾驶员需求
整车控制器
图1纯电动汽车结构原理图
根据以上分析,电动汽车存在的安全风险包
括:高压系统短路、高压系统绝缘故障、高压系统
脱落、高压充电风险、扭矩输出风险。根据这些风
险本文设计如图2所描述的电动汽车安全系统。
纯电动汽车安全系统
维修安全I l碰撞安全I l电气安全f J功能安全I 其他
嚣Jl嚣嵫Il嚣l匿墚4l毽|lEMC保护Jl保护||保护||保护II的璺求||镱略|J
图2纯电动汽车安全系统架构
本文所设计的纯电动汽车安全系统主要由4
部分组成:维修安全、碰撞安全、电气安全和功能
安全。
3安全系统设计
纯电动汽车高压系统的物理连接设计如图3
所示。
3.1维修安全
维修安全主要包含两方面:传统内燃机汽车
的维修安全和针对纯电动汽车的特殊维修安全。
这里主要讨论针对电动汽车的特殊维修安全:高
压安全。工作人员在对纯电动汽车进行操作之前
应当保证不会有触电风险,为此在系统上应进行
以下设计:动力电池应当装有维修开关(如图3所
示),当断开维修开关时,动力电池的动力输出
需立即中断。在操作上应当遵从以下流程:在断
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万方数据
图3 纯电动汽车高压系统物理连接示意图
开电池的动力输出后,需等待5min才能接触高压
部件。
3.2碰撞安全
当车辆发生碰撞时,车辆的安全系统应当满
足以下
:碰撞过程中以及碰撞后都要保证相
关人员的人身安全。对于纯电动汽车来说,除了
传统汽车的相关保护需求之外,还应当满足以下
要求:碰撞过程中避免乘员和行人遭受触电风险,
在保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不
受损害;碰撞后保证维护和救援人员没有触电风
险。为此设计如图3所示的电路:将惯性开关串
联到高压接触器的供电回路中,当发生碰撞时惯
性开关断开,从而切断高压接触器的供电电源,此
时动力蓄电池的高压输出便会被断开,保证了乘
员、行人、维护和救援人员的高压安全。
3.3电气安全
纯电动汽车的电气安全主要包括以下方面:
防止人员接触到高压电、电池能量的合理分配、充
电时的高压安全、行驶过程中的高压安全、碰撞时
的电气安全,维修时的电气安全等。为保证纯电
动汽车的电气安全,进行如下设计:
(1)高压零部件的接插件应当满足IP67的要
求⋯。该设计既可防止人员直接接触到高压,还
可防水、防尘,减小高压系统绝缘出现问题的风
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险。
(2)动力蓄电池与外部高压回路之间应当有
高压接触器(如图3所示)。以保证在驾驶员无行
驶意图或充电意图时,车辆除电池内部之外的高
压系统是不带高压电的。只有当驾驶员将车辆钥
匙打到“Start”档或对动力蓄电池进行充电时,接
触器才可能会闭合。
(3)高压系统中应当设计预充电回路(如图3
所示),在动力蓄电池输出高压电之前,先通过预
充电回路对电池外部的高压系统进行预充电。预
充电回路主要由预充电阻构成。由于高压零部件
的高压正、负极之间设计有补偿电容,如果没有预
充电电阻,那么在高压回路导通瞬间,补偿电容将
会由于瞬间电流过大而烧毁。
(4)绝缘电阻检测系统。为保证人员免遭触电
风险,高压系统应当进行绝缘电阻检测电路的设计,
若绝缘电阻值过小(可参照GB/T18384)拉.3’4],整
车控制器应当发送接触器断开指令。
(5)短路保护器。当高压系统出现短路等危
险情况时,为保护乘员和关键零部件,需设计如图
3所示的短路保护器。如果流过短路保护器的电
流大于某个值时,该保护器便会被熔断。
(6)高压互锁(HVIL)回路设计。本文为纯电
动汽车设计了3个高压互锁回路:HVIL—A、HVIL一
-9·
万方数据
B、HVIL_C,分别为放电回路、慢充回路、快充回路
的高压互锁。当高压互锁回路断开时(
示某一
高压部件的低压或高压连接断开),此时乘员或维
修人员有可能会接触到高压电从而造成触电伤
害,因此电池管理单元在检测到断开信号之后应
当立即断开相应的高压接触器以切断高压输出。
(7)电池能量的合理分配。整车控制器应当
在电池的充、放电功率限制范围内进行动力分配。
如果电池的放电功率大幅度减小时,应当通过仪
表告知驾驶员HJ。
3.4功能安全
系统的安全性主要取决于车载控制器对相关
输入信号进行正确处理。因此功能安全设计是控
制策略必不可少的组成部分,对于纯电动汽车来
说。子系统之间的相互联系更为紧密。相关功能
安全的标准可参见参考文献[5]。本文所设计的
功能安全系统包括:扭矩安全管理、充电安全和
EMC。
(1)扭矩安全管理。为防止车辆出现不期望
的运动,需要在整车控制器中加入扭矩安全控制
策略。具体扭矩安全策略如下:a)整车控制器硬
件包含两个CPU,主CPU包含所有的整车控制功
能,从CPU主要负责计算整车的扭矩需求,如果
主、从6PU分别计算的扭矩需求的差值大于某个
标定值,则认为扭矩输出存在安全风险,此时整车
控制器会将车速限制在安全范围内;b)若整车控
制器的需求扭矩与电机的实际扭矩的差值大于某
个标定值,则认为电机的扭矩控制存在风险,此时
整车控制器将会限制电机的扭矩输出,若两者差
值一直过大,则切断动力蓄电池的动力输出;c)若
由于某些原因,电机的可输出扭矩大幅度减小,则
需通过仪表告知驾驶员HJ。
(2)充电安全。在充电时需要防止车辆移动
以及避免快充、慢充、行驶模式之间的冲突。为此
进行如下设计:a)只有档位放在P档时才允许充
电.b)在充电过程中,扭矩需求及实际扭矩输出都
应当为0;c)当充电枪插上时,不允许闭合控制高
压电输出的接触器;d)当充电回路绝缘电阻小于
标准要求的阻值时【21,应当停止充电并断开高压
·lO·
接触器;e)快充、慢充、行驶模式互斥,若整车有两
种以上的模式需求,采取先到先响应的原则。
(3)EMC设计。纯电动汽车具有多个电力电
子部件,因此在设计时尤其需注意EMC方面的设
计,具体可参照参考文献[5]。
4 结语
本文从系统设计的角度出发,以锂电池纯电
动汽车为对象,在对纯电动汽车存在的安全隐患
进行详细分析的基础上,设计了一套针对纯电动
汽车的安全系统。本文所设计的安全系统主要包
括4大部分:维修安全、碰撞安全、电气安全和功
能安全。通过这4大部分安全系统的设计,可以
尽量保证车辆在维修、碰撞、充电和行驶过程中车
辆与人员的安全。在某公司纯电动车项目上对该
安全系统进行了使用和验证。工程样车阶段的结
果表明使用本文所涉及的安全系统之后,车辆的
安全性得到明显提高,尚未出现过任何安全问题。
参考文献
[1】GB4208—2008.外壳防护等级(口代码)【s].北京:
中国标准出版社,2008.
[2]GB/T18384.1—2∞1.电动汽车安全要求第1部分:
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[3]GB/T18384.2—2∞1.电动汽车安全要求第2部分:
功能安全和故障防护.北京:中国标准出版社,2001.
[4]曲/T18384.3—2∞1.电动汽车安全要求第3部分:
人员触电防护【S】.北京:中国标准出版杜,2001.
【5]GB/T18387--2001.电动车辆的电磁场辐射强度的限
值和测量方法竟带9kHz一30MHz【s].北京:中国标准出版社,
2∞1.
上海汽车2012.06
万方数据
纯电动汽车安全系统设计
作者: 沈延, 张剑锋, 冷宏祥
作者单位: 上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海,201804
刊名: 上海汽车
英文刊名: Shanghai Auto
年,卷(期): 2012(6)
参考文献(5条)
1.GB/T 18387-2001.电动车辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9kHz~30MHz 2001
2.GB/T 18384.3-2001.电动汽车安全要求第3部分:人员触电防护 2001
3.GB/T 18384.2-2001.电动汽车安全要求第2部分:功能安全和故障防护 2001
4.GB/T 18384.1-2001.电动汽车安全要求第1部分:车载储能装置 2001
5.GB 4208-2008.外壳防护等级(IP代码) 2008
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