技术和标准并驾齐驱：高压下的电动汽车更安全

前言

电动汽车被称作是“新能源汽车”，主要体现在其能量供给形式区别于传统的燃油汽车。其中主要涉及化学能、电能、磁能及其之间的相互转化等新的供给形式。无论是哪一种能量形式，作为汽车的能量供给来源，“安全”都必须作为首要的课题来考虑。按照工程设计上的严谨说法，100%安全的产品是不存在的，能源供给系统也一样：化学能比较易燃烧、易污染；磁能对人体、环境及设备有潜在的伤害或干扰；而电能的高电压、大电流对人和设备也有安全威胁。在产品设计上，以人为核心的安全，日趋成为最根本的需求。这些年来，业界提出了很多解决方案。本文将从设计角度，以高压电缆的安全防护为案例，重点讨论高电压安全发展的进程。



电动车安全的分类
电动汽车是不是“高电压”？
在电力系统中，把标称电压1kV及以下的交流电压等级定义为低压，把标称电压1kV以上、330kV以下的交流电压等级定义为高压。在新版《电力安全工作规程》规定：电压等级在1000V以下者为低压设备。电压等级在1000V及以上者为高压设备。

在电动汽车上，把最大工作电压小于或等于30Va.c.(rms),或等于60V d.c.的电压组件或电路称为A级电压，把最大工作电压大于30Va.c.(rms)且小于或等于1000V a.c.(rms)，或大于60V直流（d.c.）且小于或等于1500V直流（d.c.）的电力组件或电路称为B级电压。

目前的电动汽车上采用了B级电压，属于高电压。
“高电压”对人有什么伤害？
电能对人体的伤害主要有电击和电灼伤等形式，对电动汽车的“人员”安全而言，这两种伤害都有可能发生。对于驾驶员、乘员，电击的成分更大一些，对于维护人员、故障处置人员，这两种情况都有可能发生。

电击主要是电流通过人体，对人体器官，比如，心脏、肺、神经系统造成的伤害，与电压和电流大小、电流通过人体时间、人体阻抗状态、环境湿度状态、交流频率等因素有关。同时，还与电流流过人体的途径有关（流过手与手之间，左手与左脚之间较严重）。人们通过实验得出的一般性共识是，当人体流过工频（50～60HZ）1mA或直流5mA电流时，人体就会有麻、刺、痛的感觉。当人体流过工频20～50mA或直流80mA电流时，人就会产生麻痹、痉挛、刺痛，血压升高，呼吸困难，自己不能摆脱电源，就有生命危险。当人体流过100mA以上电流时，人就会呼吸困难，心脏停跳。一般来说，10mA以下工频电流和50mA以下直流电流流过人体时，人能摆脱电源，故危险性不太大。

电灼伤主要是由于电流的热效应、化学效用等产生的对人体的伤害。对于电动汽车，高压电方面，主要是来自于热效应的伤害，比如，短路电弧、过流高温等热量对人体外表的伤害。

“高电压”的安全防护十分关键，其发展和进步，主要体现在标准升级和技术手段增加两个方面：
“高电压”的防护-标准升级
标准定义的要求是电动汽车安全的底线，也是发展趋势。在中国，标准某种意义上是与法规具有同等效力的。近几年，新修订的国标，对高电压防护做了更多的要求，而且，很多要求已经达到或超过ISO、 SAE等国际标准。

我们首先对2015版电动汽车安全标准与旧标准做一个纵向的比较，如表1：

表1 2015版电动汽车安全标准进步



通过对比，可以看到：

1、三个新国标共有22处增加，31处修改。其中，人员触电防护，变更最多，10处增加，11处修改。可以说明一个问题，在电动汽车整车安全标准中，以人为核心的产品安全思路，已上升到新高度。

2、新国标修订后的特点：高压定义更加清晰和明确；增加了故障紧急响应的要求，需要企业提供相应的技术文件等；强调车辆在行驶中的安全状态。

我们再对电动汽车企业特斯拉的产品标准与中国标准做一个横向的对比，如表2：

表2 特斯拉公司与中国新标准对比



注：工信部批准发布了汽车行业标准QC/T 1037-2016《道路车辆用高压电缆》，于2016年9月1日实施。
可以看到，中国标准QC/T在某些安全特性方面测试或需求要高于特斯拉现有指标：

绝缘耐压要求，中国标准QC/T的火花试验更严苛；

阻燃特性要求，中国标准QC/T明显高于特斯拉要求；

耐磨特性要求，中国标准QC/T要高于特斯拉特性；

耐化学溶剂方面，中国标准QC/T涵盖品种更多。

“高电压”防护-手段增加
我们以高压电缆为例，阐述一下，电动汽车“高电压”安全防护的技术手段：

首先，采用专用的产品和材料。在特斯拉电动车上，采用了champlain生产的EXRADXLE线缆，该电缆是为电动汽车专门设计的，最高可承受600V电压，可在-70～150℃温度范围内工作。




图 EXRAD XLE 电缆特性指标

其次，根据使用环境，增加特殊防护。正如标准中所述，在基本防护之上增加一层或多层绝缘、遮拦、壳体。不单是对高电压进行防护，针对特定的应用环境，比如在前舱等环境中，要考虑发动机的高温、振动等工况，增加耐高温（150℃）、耐磨护套等防护。

对于电动汽车上的高压电缆，很多情况下裸露在外，安全问题较为突出。一方面，可采用显眼的橙色，即安全色，增加人们的感官辨识。另外，采用温度、耐腐蚀、耐磨等多方面的防护措施，满足整车及整车内不同使用位置的特殊工况，防止破皮等问题。这一点，我们在传统燃油汽车低压线束设计中，已经比较成熟。下图是特斯拉在线缆上增加的防护：



特斯拉的高压电缆防护

第三，增加“断电”保护措施，新标准中增加了对“断电”的要求，这是非常科学和智慧的。如果深入分析，是一个是很复杂的要求。要满足断的正确、断的及时、断的安全以及紧急断电的要求，不仅要求硬件继电器能高可靠的执行，而且软件的逻辑要正确，故障诊断要到位，这些都十分重要。

“断”的正确：主要从控制指令传输入手，对通信方式、策略设计、EMC等方面采取保护措施。

“断”的及时：是标准对断电响应速度提出的要求，标准提出：从“可行驶模式”到驱动系统电源切断状态要一步到位。一方面，要求整车控制层面，发出指令只需一个步骤即实现断电；另一方面，要求继电器在几秒或更短时间内，快速切断电源。

“断”的安全：标准要求，在设定的时间内，回路状态满足：“交流电路电压应降低到30V a.c,直流电路电压应降到60Vd.c或以下；电路存储的总能量小于0.2J”再行切断供电。确保继电器不带载断电，实现硬件安全，最终起到故障态下的防护作用。

紧急（救援）断电：当在非常状态，无法通过上述状态断开高电压时，采取破坏性非恢复的断电行为。下图是特斯拉采用的紧急断电保护措施。

前备箱紧急响应切断回路由两根低压电线组成，紧急情况下，切断该回路就会关闭高压电池外的高压系统。并且为了避免意外重连，会切断两次。



特斯拉的断电保护回路

最后，采用安全的设计技术，产品设计中，在硬件上可以采用绝缘检测、HVIL互锁电路、安全连接等措施，软件上可采用故障诊断、报警、冗余设计等措施，结构防护上可采用护套、护板等措施。

总结
高电压安全是电动汽车安全中最突出和最受关注的安全功能。新能源汽车发生事故的时候，人们潜意识当中更加关心人员被伤害的形式，电伤！烧伤！... 这对设计者而言，是巨大的挑战和压力。在加强对人员的安全保护上，既要不断推动技术和标准的更新进步，更要树立以人为本的安全设计理念，才能让电动汽车更安全！