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纯电动汽车安全系统设计

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纯电动汽车安全系统设计 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— t...
纯电动汽车安全系统设计
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 上海汽车2012.06 鞋盘蕊昌 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 上海汽车2012.06 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: 车载储能装置[S].北京:中国标准出版社,2001. [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 本文读者也读过(10条) 1. 裴春松 纯电动汽车电安全分析与设计[期刊论文]-客车技术与研究2012(1) 2. 赵云峰.陈俊.朱自萍.乐志国.赵福全.ZHAO Yun-feng.CHEN Jun.ZHU Zi-ping.LE Zhi-guo.ZHAO Fu-quan 混合 动力汽车和新能源汽车数据分析[期刊论文]-农业装备与车辆工程2012,50(5) 3. 吕钊凤 电动汽车安全吗[期刊论文]-中国科技纵横2011(13) 4. 王月.于黎明.WANG Yue.YU Li-ming 基于EMR的CVT-PHEV建模与仿真[期刊论文]-现代电子技术2012,35(11) 5. 江挺候.张胜昌.康志军 电动汽车热泵系统研究进展[期刊论文]-制冷技术2012(2) 6. 陈湘云 加速开发小型近距离纯电动汽车——车辆实现节能环保的重要途径之一[期刊论文]-黑龙江交通科技 2011(9) 7. 2020年福特混合动力车型比例将达到70%[期刊论文]-汽车工程师2012(6) 8. 电动汽车安全性能再遭质疑[期刊论文]-工业设计2012(5) 9. NHTSA举行电动汽车和电池安全性问题会议[期刊论文]-汽车工程师2012(5) 10. 史瑞祥.夏睛.杨杰 电动汽车用电池安全性试验中存在的问题研究[会议论文]-2011 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_shqc201206003.aspx
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