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新能源汽車的安全之說
汽車安全一直是用戶最關(guān)注的問題，也是汽車電子中時刻存在的隱患，多么牛的廠家都無法保證根除，只能最大限度防患于未然。最近流行“別報體”，如果有師弟師妹真得要問，我只能借用“千萬別搞汽車電子，不出問題心驚膽戰(zhàn)，出了問題心跳出來都無濟(jì)于事”，以這篇文章作為《汽車電子瞭望臺》之新能源汽車的尾聲，一起來看看這個猙獰的安全問題如何應(yīng)對。
目前新能源汽車作為各個車廠前進(jìn)的方向，安全問題比較敏感但又是核心的問題。安全涉及的范圍很廣，下面我們就梳理一下電動汽車安全的基本思路。新能源汽車的安全問題是一個很熱的話題，因為他涉及用戶的人身安全，幾次起火事件讓大家觸目驚心。如圖1所示，核心的安全問題有:新能源汽車在碰撞之后，車主的安全能夠得到保證?會不會發(fā)生次生的危害？電池系統(tǒng)是否會引起的著火或者觸電？
圖1 內(nèi)燃機(jī)汽車&電動汽車碰撞安全對比
關(guān)于新能源汽車的使用維度，可以從以下幾個方面進(jìn)行考慮：
1. 車輛正常使用：車輛使用過程中，分為駕駛和充電兩個方面。
駕駛：車輛駕駛的時候，各個新增加的子系統(tǒng)，如動力電池系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、空調(diào)冷卻系統(tǒng)等能符合功能安全的要求，正常工作；符合電氣安全要求，不出出現(xiàn)電氣安全問題。
充電：車輛充電的過程中，交流充電時內(nèi)部充電機(jī)與直流充電時內(nèi)部充電控制系統(tǒng)都能保證充電的安全。
2. 運輸存儲：車輛在存放和運輸過程中，不會出現(xiàn)安全的問題。
3. 維護(hù)保養(yǎng)：車輛在出現(xiàn)故障的時候，在專業(yè)的維護(hù)人員在處理維修過程，不會出現(xiàn)安全問題。
4. 車輛事故：車輛事故中，主要是碰撞和浸水。
車輛碰撞：如前所述，車輛碰撞之后，根據(jù)碰撞的程度，可能出現(xiàn)的狀況較多。當(dāng)代電動汽車在一定規(guī)模層級的時候，電動汽車消防安全與事故救援這樣獨立問題就凸顯出來了。
車輛浸水：這個是在中國城市的排水條件下，極端天氣下發(fā)生的狀況，各地均有發(fā)生。
從車輛本身而言，以上的問題，都是一層層轉(zhuǎn)化的，將整車所面臨的安全問題，使用系統(tǒng)工程的方法，將其對安全性的要求和設(shè)計，進(jìn)行分解和梳理，落實在每個層級里面，如圖2所示。?
圖2 系統(tǒng)劃分
新能源汽車的電氣安全
如圖3所示，為了滿足用戶要求，有以下幾項規(guī)范：
1. 整車技術(shù)規(guī)范：從整車層面定義安全性要求。由于各國的法律層面，有強(qiáng)制性的安全要求，這一層級的內(nèi)容，主要定義車輛如何去滿足法規(guī)（SAEJ1766及FMVSS 305）和企業(yè)自身的要求。
2. 推進(jìn)子系統(tǒng)規(guī)范：一般是電機(jī)、逆變器和電池系統(tǒng)，整個新加入的動力系統(tǒng)的子系統(tǒng)規(guī)范，將上一層級整車的內(nèi)容繼承下來。
3. 電池組規(guī)范：對電池系統(tǒng)進(jìn)行界定，往下細(xì)分有電池單體的要求甚至是內(nèi)部隔膜的要求。
圖3 安全細(xì)分的需求管理
有兩點是可以單獨拿出來談的，電氣安全和電池安全。前者由于牽涉部件較多，往往在車頭、底盤和車尾都有布置高壓系統(tǒng)；后者是因為電池系統(tǒng)的安全性有其特殊的方面。
電氣安全
電氣安全，對于各個車廠而言比較普遍和統(tǒng)一，可以從ISO 6469-3:2001 Electric road vehicles -- Safety specifications -- Part 3: Protection of persons against electric hazards和ISO 6469-4 Proposal：Electrically propelled road vehicles — Safety specifications —Part 4: Post crash requirements 這兩個規(guī)范來梳理線索，這里分別是對電動汽車的正常條件下的一般要求和碰撞后電氣安全要求。未來這方面有可能在聯(lián)合國層面進(jìn)行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，可以跟蹤UNECE No.100 SPECIFIC REQUIREMENTS FOR THE ELECTRIC POWER TRAIN。
人員觸電防護(hù)：電氣安全的定義是直流電壓大于60V，交流電壓大于30V。
直接與間接接觸
1.防止直接接觸：如圖4所示，高壓部件首先需要防止人員有可能
絕緣電阻要求：觸電的危險的大小評估是取決于通過人體的電流值和持續(xù)發(fā)熱時間。這些無害的身體電流對應(yīng)的最低絕緣電阻要求100或500歐/V。
耐電壓要求：高電壓系統(tǒng)具有足夠的電介質(zhì)強(qiáng)度，在施加電壓以后不會產(chǎn)生絕緣擊穿，跳火等現(xiàn)象發(fā)生。主要對象是線束，總線和連接器。
絕緣防護(hù)
2. 防止間接接觸
電位均衡：在電動汽車上，需要把高壓部件的金屬外殼，與車身接地進(jìn)行良好的導(dǎo)電性連接, 以保證電位均衡。
3. 對應(yīng)的措施：
- 分析所有帶有符合高壓定義的部件，這些部件所屬部分都要滿足標(biāo)準(zhǔn)所定義的絕緣要求。
- 高壓部件，一定要設(shè)計有遮擋或外殼，防止人員可能接近帶電部分。維修部件的時候，對于外殼部分，推薦設(shè)計開蓋檢測電路以保證帶電狀態(tài)下的外殼打開有相應(yīng)的動作。
- 對所有高壓部件均粘貼高壓的橙色標(biāo)簽，所有高壓線纜均為橙色或者使用橙色的包線管，作為示警作用。
- 對所有高壓線纜均予以屏蔽，屏蔽層進(jìn)行良好接地，所有線纜的高壓接頭均采用防止直接接觸的措施。
圖4 直接和間接接觸示意圖
整車碰撞之后的安全問題
整車碰撞后安全要求
1. 防電擊保護(hù)，從防止人員點擊的層面，可以有以下的辦法來解決，整車企業(yè)可以選擇并標(biāo)明用了哪些方法。
- 絕緣電阻：如上所述，如果碰撞后部件的絕緣電阻足夠大，能夠使得人員避免直接接觸。
- 人體保護(hù)：從部件的物理設(shè)計上進(jìn)行保護(hù)，能夠在碰撞后避免直接接觸和間接接觸。
- 安全電壓：當(dāng)發(fā)生碰撞的時候，降低總線電壓，使得部件的電壓滿足直流電壓小于60V&交流小于30V。想要滿足這種做法，第一是在電池系統(tǒng)層級，在碰撞檢測到以后，自動斷開繼電器。
- 低電能：即使處在高電壓的情況，電路回路的能量處于低能量的狀態(tài)下，電路也是安全的。這個閾值為2.0J 。自動斷開并進(jìn)行能量瀉放。
2. 對應(yīng)的措施
- 自動斷開：在危險情況發(fā)生的時候發(fā)生的時候，電動汽車控制系統(tǒng)將電池系統(tǒng)繼電器進(jìn)行斷開。典型的危險情況為，汽車遭受的碰撞時，汽車安全氣囊模塊檢測到的碰撞傳感器動作；絕緣故障，主要控制模塊檢測高電壓絕緣電阻過??；負(fù)載短路，電池管理系統(tǒng)檢測到電池系統(tǒng)輸出過流；高壓回路檢測危險的時候，高壓回路斷路的時候。
- 高壓回路檢測（HVIL）：使用低壓的電氣信號，來檢查整個模塊、導(dǎo)線和連接器的電氣完整性情況。當(dāng)某處連接斷開的時候，控制系統(tǒng)進(jìn)行自動斷開的。
電池系統(tǒng)安全
在這個系列里面，已經(jīng)談及了電池系統(tǒng)的設(shè)計，這里就電池系統(tǒng)的安全來談?wù)?。如圖5所示，從原理上可以對電池系統(tǒng)的安全原因做個分解，然后將一項項的過程進(jìn)行分解，這個過程可以參考功能安全的劃分，從危害分析（所有系統(tǒng)潛在危害、可能起因、最壞情況場景、描述、消除條件和安全目標(biāo)）開始，設(shè)定安全等級，然后設(shè)定安全概念（Safety Concept），并在設(shè)計中實現(xiàn)并定量的一步步細(xì)化。
圖5 電池系統(tǒng)著火
電池系統(tǒng)安全分析
電池單體層級的測試：通過對電池單體層級的濫用和安全測試，確定單體的情況。
電池組層級測試：通過對已經(jīng)完成的設(shè)計方案進(jìn)行測試，確認(rèn)最終的結(jié)果。
電池組最重要的安全措施是電池管理，電池管理系統(tǒng)的安全功能可分為：
- BMS可通過自身功能，對安全的問題來消除危害的，比如過充、電池系統(tǒng)外部短路等。
- BMS可以通過自身的功能來檢測出安全問題，并對此危害進(jìn)行減輕的，比如絕緣失效。
- BMS可以進(jìn)行檢測和報告，但是沒辦法處理的，比如外部熱源引起的電池系統(tǒng)過熱。
整車層次測試：通過對車輛碰撞和各種條件下的測試進(jìn)行確認(rèn)，對整車安全性進(jìn)行驗證，特別是碰撞之后電池組的情況進(jìn)行確認(rèn)，以Nissan的LEAF為例。
- 設(shè)計上一般采用能量吸收的框架，來防止電池布置的區(qū)域有形變。
- 位于側(cè)方的車身框架，防止電池組受損。
- 電池模塊內(nèi)的框架包保護(hù)電池
圖6 電池布置的時候整車結(jié)構(gòu)保護(hù)
其他安全方面還有電磁兼容、充電安全和功能安全方面的，對于保證一輛電動汽車安全的工作，其實有很多的工作需要進(jìn)行。
參考文件：
1. Li-ion Battery Safety “Systems Integration and Gap Assessment” Bob Galyen Chairman, SAE International Battery Standard Committee President
2. High Voltage Safety for EVs - In use and Post-crash - Naoki Kinoshita HONDA R&D Co., Ltd. Automobile R&D Center
3. Electric Vehicles Safety and the GTR Volker Rothe GM Alternative Propulsion Center
4. EV / HEV Safety NISSAN MOTOR CO., LTD
5. Consideration for Safety Standard of RESS Japan Automobile Standards Internationalization Center (JASIC)
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