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电车试验：电机系统与电驱动总成安全——高压安全
2022-02-08 11:34:48· 来源：汽车测试网
相对于传统内燃机汽车而言， 电动化汽车一般有高达上百伏的电气系统，超过了直流安全电压范围（直流60V），如不进行合理的设计与防护，将可能带来人员电击等高压
相对于传统内燃机汽车而言， 电动化汽车一般有高达上百伏的电气系统，超过了直流安全电压范围（直流60V），如不进行合理的设计与防护，将可能带来人员电击等高压安全问题。在高压安全方面应主要考虑如下技术要求和措施，如绝缘电阻、耐电压、高压安全标识、高压接触防护、等电位连接、高压放电、高压接口安全、漏电保护和碰撞后安全等。
一、绝缘电阻要求
1、电机定子绕组对机壳绝缘电阻要求
应符合国标GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.1 条的规定。
2、电机定子绕组对温度传感器绝缘电阻要求
应符合国标GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.2 条的规定。
3、电机控制器绝缘电阻要求
B 级电压的电机控制器，应符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.3 条的规定并满足如下要求：
1）动力端子对外壳，冷态及热态绝缘电阻均不小于1MΩ；
2）动力端子对低压端子（非地），冷态及热态绝缘电阻均不小于1MΩ；以上测量应按照最高工作电压选择兆欧表，测试方法按照GB/T 18488.2-2015 中5.7.5的规定进行。
4、绝缘检测要求
通常电池包内部集成的绝缘检测功能可以针对整车高压系统的直流侧绝缘情况进行监测和报警。建议电机控制器具有交流侧绝缘检测功能。
二、耐电压要求
按照电驱动总成的最高工作电压设定测试电压并考虑冷态、热态，制定不同要求，具体如下：
1、驱动电机绕组的匝间冲击耐电压要求
应符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.1 条的规定，最高工作电压是指三相交流线电压有效值。
2、驱动电机绕组对机壳的工频耐电压要求
应符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.1 条的规定。最高工作电压是指三相交流线电压有效值。漏电流控制值按照技术文件要求执行。
3、驱动电机绕组对温度传感器的工频耐电压要求
应符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.2 条的规定。温度传感器对驱动电机壳体的工频耐电压测试要求和限值同5.2.8.2.2 条的规定。
4、驱动电机工频耐电压测试电压及测试次数的要求
按照GB 755 要求，驱动电机的工频耐电压应仅对成品电机进行测试， 验收时避免对绕组重复进行全值耐电压测试。如果应客户需求进行第二次或多次耐压测试时，试验电压值应为前一次测试电压值的80%，直到测试电压降至1500VAC 最低试验电压，测试时间为1 分钟。
对于完全重绕的绕组，等同新电机对待，采用全值耐电压测试。
对于部分重绕的绕组或经过大修后的电机进行耐电压试验，则推荐采用下述细则：
1）对部分重绕绕组的试验电压值为新电机试验电压值的75%。试验前，对旧的绕组应仔细地清洗并烘干。
2）对经过大修的电机，在清洗和烘干后，应承受1.5 倍额定电压的试验电压，如额定电压为100VAC 及以上时，试验电压至少为1000VAC，如果额定电压为100VAC 以下时，试验电压至少为500VAC。
5、电机控制器工频耐电压要求
在产品认证时，电机控制器需按照GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.3 条的规定进行工频耐压测试。对于有Y 电容的电机控制器，允许出厂检验进行直流耐压测试，测试值为规定的工频耐压值的1.414 倍。
控制器整机装配完成后必须先进行绝缘和耐电压检测，测试通过以后才允许上高压运行。
耐电压测试要求如下：
1）电压等级要求参照GB/T 18488.1-2015 中表2 的规定。
2）试验过程和实验方法参照GB/T 18488.2-2015 中5.8.4 条的规定。
3）漏电流限值按照技术文件要求执行。
因耐压测试对某些器件产生一定的损伤，会影响到器件的使用寿命，所以应尽量减少耐压测试的次数。如果应客户需求进行第二次或多次耐压测试时，试验电压值应为前一次测试电压值的80%，直到测试电压降至1500VAC 最低试验电压，测试时间为1 分钟。
三、屏蔽与接地
1、电机与电机控制器间高压线束屏蔽与接地要求
高压多相连接系统应带有屏蔽层，屏蔽层两端与高压部件外壳有效接地，实现电缆两端360 度全方位屏蔽，每端接地电阻不大于40mΩ。高压屏蔽电缆屏蔽层应符合GB/T 25087-2010 中6.3 条要求，并且满足整车电磁兼容要求。
2、控制器直流母线屏蔽与接地要求
高压连接系统应带有屏蔽层，屏蔽层电机控制器端与控制器外壳有效接地，实现电缆360 度全方位屏蔽，接地电阻不大于40mΩ。
3、位置传感器线束屏蔽与接地要求
位置传感器线束应采用双绞线，并外套屏蔽层，建议屏蔽层两端良好接地。
4、CAN 总线屏蔽要求
建议电机控制器CAN 通讯线束使用屏蔽双绞线，屏蔽层在电机控制器端应良好接地；或者按照技术文件要求执行。
5、电机、电机控制器及其他功率控制器接地要求
驱动电机、电机控制器及其他功率控制器产品金属外壳的接地电阻应不大于100mΩ。
电机机座、控制器壳体等与底盘或者车身地之间应有永久、可靠和良好的电气连接。
接地线端子的连接应可靠锁紧并具备防松功能。
6、等电位连接
下图是纯电动电机系统的典型高压拓扑。当高压部件正负极均出现绝缘问题（如正负极同时与外壳短路或局部漏电）的情况下，为满足人员防触电要求，电机系统可导电外壳（遮拦）与整车底盘应实现可靠的等电位连接。
图5-1 电机系统典型高压拓扑
等电位连接形式可采用如下三种方式连接，如图所示：
1）通过导体：如可导电的支架
2）电线束：如等电位连接线，颜色为棕色
3）直接连接：电机控制器直接通过螺栓与电平台相连或者焊接在车身上
图5-2 等电位连接形式
等电位连接要求：
1）阻值要求；电机系统的可导电外壳（遮拦）与整车底盘之间的电阻应小于等于100mΩ。
2）短路电流：等电位连接应承载短路电流直至过流保护做出动作。
3）寿命：等电位的电阻需保持直至高压元件的指定寿命时间末。
4）连接要求：对于与车身地紧固的等电位连接形式，等电位连接线及螺栓应耐腐蚀超过其指定寿命时间，并且不允许自动松开。
5）接地端子不应兼作他用。
6）接地端子的螺栓和整车地应有足够截面，接地螺栓最小直径按GB 14711-2013 表3（同下表1）的规定，接地导线截面积按GB 755-2008 表19（同下表2）的规定。
表5-1 保护接地螺栓最小直径
表5-2 接地导线截面积
7、接地标志要求
接地点应有明显的接地标志。若无特定的接地点，应在有代表性的位置设置接地标志。
接地标志依据GB/T 4026-2019 标以保护接地图形符号“ ”，必要时再应用字母符号“PE”标志。这些标志不应放在螺栓、可拆卸的垫圈或用作连接导线的可能拆卸的零部件上。
四、高压接插件和连接器
1）B 级电压部件的遮拦和外壳应依据GB 18384-2020，满足IPXXB 防护等级要求。
2）选用的配对耦合高压接插件物理结构上的连接引导部分应不同，以满足防错插功能。
五、高压放电
在电机系统从高压回路断开后，由于电机控制器内部存在储能器件，如直流母线支撑电容等，电机系统内部高压并不会立即消失，而是慢慢下降，在常规维护或者售后维修时可能导致高压电击，造成人员伤亡。因此，为避免如上事故，电机系统需同时具备主动放电和被动放电功能，即使主动放电失效，被动放电依然有效，且在规定时间内必须降到安全电压以下，具体要求如下：
1、主动放电要求
在电动汽车和混合动力汽车中使用的电机控制器输入端电压通常高于安全电压，为保护人身安全，要求在电机控制器的直流侧电容须配有放电电路，以快速降低直流侧电容的电压。电驱动总成必须具备主动放电功能。主动放电可以通过电机绕组或者外接专用放电电阻实施。
按照GB/T 18488.1-2015 中5.5.3 条的要求，当B 级电压系统断电后，应在3s 内将直流母线电压降至安全水平（直流电压60 V 以下）。
2、被动放电要求
电驱动总成还应具备被动放电的功能，在直流侧接入被动放电元器件实施。即使主动放电功能无法完成，被动放电装置仍可对直流侧电容进行放电。此功能必须始终有效，而非被触发后才有效。
当B 级电压系统断电后，应在2min 内将直流母线电压降至安全水平（直流电压60 V以下）。
六、高压防触电防护与警告
电驱动总成上应具有高压警示标志，高压警示标志应满足GB 18384-2020 中5.1 条的内容。
图5-3 高压警示标志
电驱动总成的B 级电压部件的遮拦、外壳、接插件都应通过以下两种方式或其中一种满足直接接触防护的要求。
1）带电部分的基本绝缘；
2）遮拦或外壳，防止接近带电部分。
3）B 电压部件的遮拦、外壳、接插件至少要满足GB/T 4208-2017 中规定的IPXXB 防护等级的要求。
如果遮拦或外壳可以徒手打开， 则其可以打开的部分应具备高压互锁装置，满足本文5.2.7 章节的高压互锁要求。
七、高压互锁
高压互锁（High Voltage Inter-lock，简称HVIL），是用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。该互锁回路首尾连接在自动断开装置上，当高压电气回路上任何一个高压防护罩或插接件从回路上断开，就会触发一个低压电信号，高压立即被断开，且高压系统不能再次上电。对于满足防护等级IPXXB 的高压接插件采用高压互锁措施；可拆卸的外壳采用高压互锁措施；如没有互锁措施，应能保证先触发高压系统的切断并保证外壳拆掉前有足够的时间使高压系统电压低于60Vdc。高压互锁形式多样，可以用公母端接插件对配、微动开关或机械互锁等。推荐乘用车产品具备高压互锁功能，建议商用车产品选用高压互锁功能。如果高压接线系统具备高压互锁功能，系统的功率端子和信号端子应满足：
1）高压连接系统连接时，功率端子先接通，信号端子后接通；
2）高压连接系统断开时，信号端子先断开，功率端子后断开。
八、高压接触防护
可拆卸的电机控制器外壳，必须符合复杂拆卸，必须使用工具（非特指专用工具），并采用下列两种方式之一进行外壳拆除：
拆除三个以上螺栓或两种不同型号螺栓才能除去外壳。
只能使用配套的专用工具才能除去外壳，电机控制器安装在前机舱内，完全装配好的电机控制器防护等级应满足ISO20653 规定的IPXXB 或IPXXD。
其他的可选措施包括高压互锁或者延迟接触：
延迟接触：应保证执行两个独立的操作后才能接近带电部件，第一步操作必须触发高压系统的切断并保证，第二步操作时高压部件电压已经低于60Vdc 或低于30Vac，人员触电防护同时应满足国标GB 18384-2020 的规定。
九、碰撞后安全
如果整车使用过程中发出碰撞，电驱动总成需根据整车控制器指令执行以下一个或多个保护措施：
1）电机控制器切断负载电流，无功率输出；
2）电驱动总成激活无负载状态；
3）激活电驱动总成安全状态；
4）对高压电路主动放电。
具体指标要求如下：
1）当高压系统切断时，必须立即根据整车控制器要求开始高压电路的主动放电；
2）在碰撞信号发出的3s 内，高压电路的电压必须降到60Vdc 以下。
十、电驱动总成爬电距离和电气间隙要求
电气间隙为两导电部件之间在空气中的最短距离，与产品冲击耐受电压、污染等级、海拔高度有关。
1、电机爬电距离和电气间隙要求
根据电机的耐压等级和海拔高度，参考国标GB 14711-2013 中11 章节的规定确定电动机的爬电距离和电气间隙，具体要求见GB 14711-2013 表4（工作电压31V~750V）及表5（1000V 以上，这个电压平台在当前电动汽车领域应用较少）。当工作电压在750V～1000V之间，建议按照GB 14711-2013 表5 工作电压1000V 以上的爬电距离和电气间隙设计。
2、控制器爬电距离和电气间隙要求
1）电机控制器高压系统的电气间隙和爬电距离参考GB/T 16935.1-2008；
2）根据耐压等级、环境污染等级、工作海拔高度等确定电气间隙；参考GB/T
16935.1-2008 表F.2 和表F.7，海拔修正系数参考GB/T 16935.1-2008，表A.2；
3）根据环境污染等级、材料CTI 值、工作电压等确定爬电距离；参考GB/T
16935.1-2008 表F.4；
4）当主电路与控制电路或辅助电路的额定绝缘电压不一致时，其电气间隙和爬电距离可分别按照其额定值选取。主电路或控制电路导电部分之间具有不同额定值时，电气间隙与爬电距离应按照最高额定绝缘电压选取。
十一、高压接口安全要求
1、防松脱设计要求
1.1 可插拔高压接插件要求
可插拔高压接插件至少有两级锁止装置，至少需要两个不同的动作才能将其从相互的对接端分离；接插件之间具备防错插功能。可插拔高压接插件应满足GB/T 37133-2018 附录A 的要求。
1.2 其它方式连接的要求
高压连接系统的电缆压接、螺纹连接、焊接等连接装置，应无松脱、断裂等连接缺陷。
2、高压连接系统防护要求
正常连接时高压连接系统的防护等级应不低于IP67。若高压连接系统可不通过工具手动断开，则非连接状态的高压连接系统各部分的防护等级应满足IPXXB。
3、高压连接系统耐振动要求
高压连接系统的耐振动要求应满足GB/T 37133-2018 第7.4 条的要求。
十二、低压线束连接安全要求
1、低压线束连接可靠性
低压连接系统的耐振动要求应满足QC/T 29106-2014 第4.10 条的要求。
2、低压插件碰撞保护要求
设计时低压接插件应布置于不易受碰撞的地方或者应有一定的防碰撞保护，避免系统在运输、安装、运行过程中受损。
3、低压线束密封性检查要求
正常连接时低压连接系统的防护等级应不低于IP67。
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