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上汽大众 | 新能源汽车车载充电系统电击危险性分析
2022-01-16 16:00:43· 来源：电动学堂 作者：陈成等
文章来源：1.上汽大众汽车有限公司仪征分公司2.西门子电机（中国）有限公司1前言面对日益严峻的全球生态环境及能源问题，许多国家已经将新能源的开发和利用上升
文章来源：1.上汽大众汽车有限公司仪征分公司2.西门子电机（中国）有限公司
1前言
面对日益严峻的全球生态环境及能源问题，许多国家已经将新能源的开发和利用上升到了国家战略地位。对于我国而言，发展新能源汽车不仅能够缓解环境污染及传统石油能源消耗的问题，也能够促进汽车行业由传统汽车迈向科技型汽车。为此国家出台了一系列的政策，包括面向消费者的补贴、上牌政策以及面向企业的双积分政策。而企业也提出了“新四化”战略，即电动化、智能化、网联化、共享化。由传统燃油汽车向新能源汽车发展，也对传统汽车行业员工提出了新的知识及资质要求。“新能源电工（EFffT）”是大众集团新能源汽车高压安全认证资质之一，其主要职责包括：切断高压系统的电源并认证，且对此检测和实施安全保障；在断电状态下实施所有的工作（不包括拆解电池包）；验收在处于断电状态的高压系统上进行的工作；按照操作指导书启动运行高压系统。其中车载充电系统的电击危险性分析是“新能源电工（EFffT）”资质培训的重要内容。
2车载充电系统电击危险性分析
新能源汽车的高压安全不仅是消费者的重点关注问题，也是从业者在生产制造过程中必须要关注的问题。以上汽大众培训用的辉昂（Phideon）混动车型为例，其高压电池包的电压约为直流384V，而国标中定义的人体直流安全电压极限为60V，一旦车辆发生绝缘故障或其他漏电风险时，将对人身安全造成巨大威胁，因此对车辆高压系统的安全分析十分有必要。而车载充电系统作为高压系统中涵盖高压部件最多的系统，对其进行电击危险性分析意义重大。
2.1等电位保护
在一般的家用充电场景中，主要以壁挂式充电盒或普通家用插座为主要充电设施，其皆为交流充电（AC），因此本文的分析建立在交流充电的基础上。新能源汽车交流充电机布置在车上，通过充电线，交流电源将电能传输到电动汽车车载储能装置中。在充电时，如果充电机与动力电池组发生漏电，而操作者双手分别触碰到充电机和电池包外露可导电部分，此时有触电危险。针对此种故障现象，车载充电系统设计了等电位保护，将所有的高压部件金属外壳用等电位线连接起来，在发生上述绝缘故障时，可以对人体起到短接保护的作用。根据大众集团标准-VW80303，高压零部件和车身地之间的等电位线电阻必须小于40mΩ，而高压零部件和附加导电部件之间的等电位线电阻推荐小于10mΩ。
2.2保护接零
如果在充电过程中，充电机发生漏电，操作人员站在地上，触碰到车身外露可导电部分，此时也会发生触电危险。针对此种风险，根据GB20234[3],无论交流充电插头还是直流充电插头都必须配有地线，当充电插头配有地线（PE）时，即便在充电时充电机发生绝缘故障，PE线也能很好地起到保护作用，避免触电事故。接地线的横截面积至少应等于相线的横截面积。
2.3BMS绝缘检测
电池管理系统（BMS）是一套保护动力电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状态，为新能源车辆的使用安全提供保障。BMS每30秒进行一次绝缘测量，如图1所示，当主继电器吸合时，BMS检测整车的绝缘阻值，当主继电器断开时，BMS检测电池包的绝缘电阻。绝缘电阻过低时，车辆会发出相应的报警信息，当绝缘阻值低于500Ω/V时，组合仪表显示黄灯，而当绝缘阻值低于100Ω/V时，组合仪表显示红灯。
2.4隔离式车载充电机
在充电过程中，操作人员可能会因为直接触碰车端的有源体而发生触电事故，针对该种事故类型，设计了隔离式车载充电机，图2是Delta品牌3.6KW车载充电机的原理图，通过DC/DC电路中的变压器将供电端与车端进行了电气隔离。在充电过程中，即便操作人员一只手误触车端有源体，但由于新能源车辆高压系统本身对地绝缘，且供电端与车端电气隔离，因此没有触电危险。
2.5开盖保护
在充电过程中，打开高压部件壳体也会面临直接触碰车端有源体而触电的风险，因此进行开盖保护是必要的。开盖保护主要有三个设计思路，一是高压互锁，当高压互锁被触发后，高压系统无法从下电状态切换到上电状态，如图3，开盖以后直接切断高压互锁线；二是延迟接近，即至少需要两步操作才能触碰到有源体，而第一步必须触发高压切断，如图4，通过机械设计，必须先断开高压空调压缩机（EKK）插头，从而触发高压切断，随后才能够打开功率电子的上罩盖；三是复杂拆解，需要复杂的过程或专业知识才能打开高压零部件。
2.6RCD（剩余漏电保护器）
在充电枪插入到车之前，如果充电线发生漏电，人员站在地面上，接触到充电线，也会发生触电事故，针对该种事故类型，无论是在充电桩还是在便携式充电器内，都内置了RCD（剩余漏电保护器），其工作原理是，当电气设备漏电时，漏电保护装置会检测到异常电流或电压信号，经过信号处理后，促使执行机构动作，借助开关设备迅速切断电源，RCD对于直接接触触电可以起到良好的保护效果。
2.7机械锁/电子锁
为了防止在充电过程中充电接口意外断开，在充电枪接口处设计了锁止功能（机械锁止或电子锁止），在锁止状态下，即便施加一定的拔出外力，连接也不应被断开，并且锁止装置不得被损坏。此外在充电过程中，车辆无法启动。
2.8IPXXB接口设计
IP(IngressProtection)防护等级系统是由IEC（国际电工委员会）所起草，将电器依其防尘防湿之特性加以分级。IP后跟随两个特征数字及附加字母和补充字母组成。其中第一个数字表示防止接近危险部件和防止固体异物进入，第二位数字表示防水等级，数字越大，防护等级越高，不要求规定特征数字时，用X表示。附加字母表示接近危险部件的防护等级，分别以A、B、C、D表示，其具体含义如表1所示。补充字母可用来表示补充的内容，其含义是对所在防护等级进行试验时要加的补充条件。对于新能源汽车非乘员舱及装载空间，要求其外壳至少满足IPXXB的防护等级要求。
3结论
针对新能源汽车车载充电系统潜在的电击危险性，在新能源汽车高压系统的设计上，有以下八种充电保护措施：等电位保护、保护接零、BMS绝缘检测、隔离式车载充电机、开盖保护、RCD（剩余漏电保护器），机械锁/电子锁，IPXXB接口设计。作为“新能源电工（EFffT）”，应深刻理解危险源及其防护措施，同时在日常作业中，还需做好管理上的工作，确保全面安全。
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