从设计角度,以高压电缆为案例重点讨论高电压安全发展进步

汽车电子设计 ? 2018-05-24 09:07 ? 次阅读

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电动汽车能量形式区别于燃油汽车,主要包括和新增化学能、高压电能、磁能及相互转化形式。各种能量形式,从电动汽车诞生的哪一天,就已经和“安全”捆绑在一起?;艿囊兹忌?、易污染;磁能对人体潜在伤害、对环境及设备干扰;尤其是电能高电压、大电流,直接对人体或设备构成安全威胁。本文从设计角度,以高压电缆为案例,重点讨论高电压安全发展进步。其宗旨,以人为核心的安全,是最根本的需求。

电动汽车和电力系统,此“高压”非彼“高压”,对人体都具备强伤害性

1.  电力系统对线路和设备的高压划分

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。

2.  电动汽车高压,就是B级电压

?  A级电压:最大工作电压小于或等于30Va.c.(rms),或等于60V d.c.电压组件或电路。

?  B级电压: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。

3. 高压对人体强伤害性,电流大于50mA流过人体有生命危险

电能对人体的伤害形式,主要有电击和电灼伤等。在电动汽车“人员”安全方面,这两种状态,都有可能发生。对于驾驶员、乘员,电伤的成分更大一些,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,一般性共识,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。

电灼伤主要是电流的热效应、化学效用等对人体的伤害。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。

对于电动汽车、电力系统,高压、大电流对人体的伤害都是一样的。

高压安全的发展,从标准进步开始

标准中约束的要求是电动汽车安全的底线和发展方向。在我们国家,标准某种意义上是等同于法规效力的。近几年,新修订的国标,在某些条款或参数,都达到或超过ISO、 SAE等标准。

2015版电动汽车安全标准进步:

标准 关键点描述
新标准 GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求第一部分:车载可充电储能系统 a)           从整车层面明确安全定义:对“车载可充电储能系统”新定义
b)           高压概念更清晰:明确了“最大工作电压”“B级电压(高压)定义”;
c)           防止气体伤害:增加了“气体对驾驶舱、乘员舱、载货空间”的?;?;
d)           防止高压电伤害要求更具体:提高和详解绝缘电阻要求和计算方法;
e)           发生过流或短路,提升对人员?;ぃ捍诱敌惺话踩嵌惹卸细哐?;
f)            ?;と耍涸黾右虻サ闶?,热量对人的伤害。
旧标准 GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第一部分:车载储能装置
新标准 GB/T 18384.2-2015 电动汽车安全要求第二部分:操作安全和故障防护 a)           明确高压系统:适用电压范围:B级电压(B级电压高于原标准)
b)           明确高电压切断流程:从可行驶到切断“只需一个动作”
c)           明确通断由继电器(主开关)控制:接通/断开“必要部分”
d)           增加了紧急响应对厂家的要求:提供处理指南或手册。
(仅罗列了相关高电压部分的变化)
旧标准 GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第二部分:功能安全和故障防护
     
新标
GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求第三部分:人员触电防护 a)           对车辆高低压划分更明确:A级电压(低压)、B级电压(高压)
b)           增加高压直观识别:增加了对B级电压电线标记和高压警告标记求;
c)           增加单点失效防护:绝缘电阻、电容耦合、断电;
d)           明确实验方法:对B级电压部分三种测试状态(7.2)
e)           修改了耐电压试验方法
f)            增加了断电的要求。
旧标准 GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第三部分:人员触电防护

分析:

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??梢运得饕桓鑫侍?,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。

高电压安全设计案例:高压电缆

1. 案例:tesla 使用的champlain电缆,其“专门”的特性在哪里

tesla采用美国Champlain的专门为电动车生产的线缆,其最高可承受600V电压,并且可在-70~150℃之间工作。

EXRAD XLE 电缆特性指标:

Tesla高压电缆特性与QC/T 关键指标对比:

执行标准 TESLA
(执行SAE J1654 等)
QC/T 1037-2016
《道路车辆用高压电缆》
绝缘层颜色 橙色 橙色
电压类型 高压 高压
绝缘层(介质)耐压 5000Vac,35min 火花试验,不应出现击穿放电
AC 600 V/DC 900 V 电缆为 8 kV;
AC 1000 V/DC 1500 V 电缆为 10 kV
温度要求 -70~150℃ 共8个温度等级,最高H级:-40℃~250℃
耐磨 Sandpaper resistance 4  pound weight inches ,10 最小往复次数1000-1500次
耐化学试剂 热盐溶液、冷却液、
电池酸
耐化学试剂浸渍时间10秒,腐蚀性强的如汽油、柴油单次浸渍后热老化240h,弱腐蚀性液体如冷却液、玻璃水,热老化3000h.
阻燃特性 Maximum time after burn 70S 自熄时间要求小于30秒.比GB/T  25085
GB/T 25087自熄时间要求小于70秒提高。

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。

分析:QC/T 在某些安全特性方面测试或需求要高于 tesla 现有指标

绝缘耐压测试,QC的火花试验,更严酷。

额定温度在低温方面,tesla 更胜一筹。

阻燃特性QC明显高于 tesla 要求。

耐磨特性,QC要高于tesla 特性。

耐化学溶剂方面,QC 涵盖品种更多。差异性方面Tesla HOT water(热盐溶液 85℃)测试,需要进一步分析。

2、高压电缆因使用环境位置不同,需要防护措施设计

这一点就是标准中所说,在基本防护之上增加一层或多层绝缘、遮拦、壳体。在车辆特定位置高压电缆防护同样需要做设计。只不过,不全是单一高压防护。我们在燃油汽车低压线束设计中,这一点做的已很成熟,例如,在前舱,都知道有发动机的高温、振动等考验,线束增加高温(150℃)、耐磨护套等。

下图是tesla防护案例:

案例总结,整车角度的高压电缆,也是高压零件之一。更多情况裸露在外。安全问题较为突出。所以,为了增加人们的感官辨识,使用了显眼的橙色,也是安全色。同时,需要满足整车及整车中不同使用位置的环境需求。包括,温度、耐腐蚀、耐磨等多方面。其最终也是防止破皮发生高压危险。

标准中,新增加的“断电”?;ご胧├斫?/p>

个人认为标准中,增加了高电压安全?;ご胧?ldquo;断电”要求,是非??蒲Ш椭腔鄣?。从表层原理看进去,其实,是很复杂的要求。如果能做到断的正确、断的及时、断的安全、紧急断电,并不是一件容易的事。断电,不全是硬件继电器的可靠性执行,更重要的是,软件的逻辑正确,故障诊断到位等

“断”的正确:主要从软件指令传输入手,对通信方式、策略设计、EMC等方面,采取?;ご胧?。

“断”的及时: 是响应快的需求。标准中要求,从“可行驶模式”到驱动系统电源切断状态只需要一个动作。一方面,强调整车层面,发出断电指令的一个步骤即可;另一个层面,继电器可以在几秒之内或更短时间,切断电源。做到及时。

“断”的安全:从标准中可以看出,需要在设定的时间内,回路状态满足条件之一“交流电路电压应降低到30Va.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。主体是确保继电器不带载断电。确保硬件安全。最终起到故障态的防护作用。

紧急(救援)断电:其实就是在非常状态,无法通过上述状态断开高电压时,采取的破坏性非恢复的断电行为。如下图为tesla的紧急响应?;ご胧?/p>

前备箱紧急响应程序切断回路:由2根低压电线组成。切断此回路会关闭高压电池外的高压系统。并且需要切断两次,避免意外重连的风险。

高电压回路其它安全措施

高电压回路安全在设计中,主要有硬件功能方面,如,绝缘检测、HVIL互锁电路、安全连接;软件方面有故障诊断、报警、冗余设计;结构防护方面有护套、护板等。

小结

电动汽车安全,高电压安全是最突出和被人们关注的功能。每当新能源汽车发生事故,人们潜意识关心的是人员被伤害的形式,电伤?烧伤?事件本身,就是对设计者的挑战和压力。所以,在对人员的?;し矫?,更需要技术不断取得进步。同时树立以人为本的安全设计,才是核心设计的理念。 

原文标题:盘点电动汽车安全分类及高电压安全发展进步

文章出处:【微信号:QCDZSJ,微信公众号:汽车电子设计】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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