电池系统安全
基于市场上出现的电动汽车泡水、碰撞、底盘划伤后的起火事件,电池系统安全从系
统设计(机械安全、热安全、电气安全)、安全测试、生产三阶段展开,保证电池系统的
安全。
4.2.1 机械安全
电池系统应具备足够的机械强度,保证在整车正常使用的生命周期内不会因振动、机
械冲击等工况引发安全风险。
4.2.1.1基于正碰、侧碰、侧柱碰、底碰、石击的电池及整车安全设计
针对于整车碰撞衍生出电池系统碰撞、挤压工况,需要结合整车设计及电池系统安装
位置有针对性的进行结构设计保证电池系统的机械安全。
电池系统的结构强度应至少满足《GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池
包和系统第 3部分:安全性要求与测试方法》中电池系统模拟碰撞的标准要求或整车企业
的标准要求。
4.2.1.1.1电池系统碰撞安全设计
(1)应分析碰撞过程中电池箱体及其内部结构(电池模组、高低压线束)产生的最
大变形情况,并结合电池模组允许的最大变形量来判断碰撞过程中的安全风险;
(2)应具有吸能效果的结构设计,设计时应考虑相应材料的塑性要求;
(3)应具有合理的内部加强筋设计,提高整体结构强度;
(4)考虑电连接件的可靠性,避免碰撞过程中发生短路风险;
(5)提高热管理系统结构强度,增加防护设计,避免碰撞过程中冷却液泄露风险。
4.2.1.1.2电池系统挤压安全设计
(1)电池系统设计满足相应的刚度、强度要求:如外围采用防撞梁结构;
(2)合理的电池系统内部安全距离设计;
(3)合理的热管理系统布置:建议液冷系统水管布置避开易碰撞侧;
(4)合理的电气系统布置:电池系统内的高低压线束的走线路径应尽量与电池系统
的非变形区域结构相连接,同时应加强绝缘防护及线束固定。
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4.2.1.1.3电池系统防石击安全设计
(1)合理的底部装甲或防护板设计;
(2)箱体接插件端防护较薄弱,且易受沙石冲击,建议增加防护板遮挡。
4.2.1.2振动可靠性安全设计
振动是对结构件耐久性的考验,区别于传统车,电池系统激励源产生主要是由于汽车
在行驶过程中,路面的不平整造成的,路面的激励频率大部分都是集中在低频端,电池系
统在设计过程中主要宗旨是提高电池系统的整体固有频率。
电池系统的结构强度应至少满足《GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池
包和系统 第 3 部分:安全性要求与测试方法》中电池系统振动可靠性的标准要求或整车
企业的标准要求。
(1)提高电池系统整体固有频率:
·提高电池系统刚度:如增加车体安装点,优化固定梁结构设计;
·减少电池系统的重量:轻量化的结构设计及材料选择;
(2)疲劳强度高的材料选择;
(3)提高电池系统强度:避免质量过度集中,在质量集中位置增强结构设计;固定
梁焊接要求、结构紧固件的选型及固定扭矩设计均应符合设计规范要求。
4.2.1.3全生命周期高防护等级安全设计
安装在车身外部的电池系统应具备 IP67 或以上的防护等级,并应定期维护检测以避
免整个生命周期内防护等级在使用过程造成降低。
4.2.1.3.1电池系统接触防护
(1)集成式 BDU,并具备外壳防护设计;
(2)模组级别正负极位置防护设计;
(3)高压连接器防护:
·连接器插座与插头中接触件都需与保护外壳做相互绝缘处理,保证外壳绝缘不带电,
保证操作人员的安全。
·在电池系统高压连接器防护设计时,最常选择使用的是 IPXXB/IPXXD的防护等级。
4.2.1.3.2电池系统防水防尘
(1)电池系统箱体防护要求:
·电池箱体防护在全生命周期等级达到 IP67等级;
·电池箱体密封垫设计时,考虑其吸水率、压缩率、及阻燃特性;
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(2)防水透气阀:与箱体配合处防护在全生命周期等级达到 IP67等级;
(3)电气接口防护要求:
连接器插座与插头连接端处于箱体外部,此端须保证插座与插头接触良好、过流、过
压持续、稳定、拆卸方便,同时有插座端口保护盖设计。有以下内容需保证:
·连接器插座与箱体配合处的防护等级须达到 IP67 等级;
·连接器插座与插头连接后的防护等级须达到 IP67 等级;
·连接器插座端口在未插合存放仓库时,保护盖须防尘防潮且能满足经过长途运输震
动后保护盖不会掉落。
4.2.1.3.3电池系统防爆防护
电池系统应具备有效的泄压装置,可以快速平衡内外部气压变化,防止因内部气压过
高造成壳体变形引起的防护等级降低或失效。
泄压装置安装的位置和方向应避免对乘员舱或车辆周边人员造成人身伤害,且应避免
引燃整车。
4.2.1.3.4电池系统防腐防护
在全生命周期内防腐的要求,要根据电池系统使用寿命要求和使用区域环境要求来确
定电池系统的防腐等级。
4.2.2热安全
通过热管理系统对电池系统进行加热、散热、均衡、保温;电池系统内部要有防止热
扩散的结构设计;关键部件的阻燃设计;来确保电池系统的热安全。
4.2.2.1可靠热管理系统设计
根据锂离子电池结构及工作原理可知,无论在高温或是低温,都有引发电池热失控的
风险,而电池热管理系统的设计目标就是结合 BMS控制策略和调整功能,控制电芯工作在
舒适温度范围内、并降低电芯之间的温差实现性能均衡,从而保证系统热安全并延长系统
寿命。要实现以上目标,需从冷却、加热、保温三个方面进行设计,同时还需保证整个系
统的气密安全,不允许发生冷却液泄露。需关注低温冷却管路可能引发的冷凝水,避免因
此而导致的绝缘、短路安全隐患。
(1)冷却
a.根据指定的严苛工况下的系统发热量确定电池包散热形式及控制边界,保证电池最
高温度不超过允许使用温度,且大多数时间能在舒适温度范围工作。
b.建议正常工况下电池系统内部采集的温度点之间的最大温差不超过 5℃,极限工况
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下最大温差不超过 10℃,且能满足极限工况的连续运行(例如持续高速工况加快充)。
c.为适应不同工况,散热系统可按有无 chiller以及风扇挡位分为多种回路:
·风冷散热系统中,能够对风扇状态进行检测并判定是否工作正常;当风扇或冷却系
统其它部件出现故障时能及时报警并采取保护措施(如限制充放电功率等);
·液冷系统中,能够对压缩机、水泵等部件进行检测并判定是否工作正常;当冷却系
统出现故障时能及时报警并采取保护措施(如限制充放电功率等)。
(2)加热
a.在指定环境温度下,实现在规定时间内将电池系统加热到规定温度,使系统能够快
速达到允许充放电的工作温度。
b.电池系统最低温度低于最小允许充电温度时,建议对电池加热之后再进行充电。
c.加热过程中尽量降低电池系统内部采集的温度点之间最大温差。
d.以电池包内置加热部件(如 PTC 等)进行加热的设计中,应具备相应的安全设计
(如引入二次热熔保护机制),当加热部件温度过高时,能够切断加热部件电源,防止加
热元件出现干烧进而引燃电池。
(3)保温
a.将电池系统由常温环境分别转入高温和低温环境静置,在规定时间内系统中的电池
最高/最低温度不超过目标值。
b.高温环境保温时,建议减小电池系统内部采集的温度点之间温差。
(4)气密安全
a.对于液冷系统,应采用相应的措施防止管路、接头等部位发生泄漏,并在生产过程
中采取相应的检测工艺以确保产品安全。
b.当液冷系统发生泄漏至可能产生安全隐患的阈值的时,建议具有检测手段能及时检
测并报警。
4.2.2.2电池系统热扩散防护设计
引起热失控风险的因素有很多,如极端的环境温度、过充过放、内短外短、电池制造
缺陷等等。既然无法完全避免热失控风险,那就需要采取相关的防护设计来降低热失控发
生时的危害。热量传递是热失控扩散蔓延的重要原因,因此传热特性会直接影响热失控扩
散速率。此外,电池间的电连接也会影响热失控扩散。现行的热扩散测试标准和法规可参
见《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》,测试对象为模组和电池包,要求单个电池
发生热失控时,引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前 5 分钟,应提供一个热事件
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报警信号,同时建议系统应具备避免热失控事件传播到相邻电池的能力。可见,热扩散防
护必须从电芯、模组、系统三个方面进行考虑。
(1)电芯级
a.相邻电芯间建议具备一定的隔热设计(如增加绝热毡、气凝胶等隔热阻燃材料),
延缓热蔓延。
b.电芯防爆设计(如防爆阀等)指向建议避免直接朝向相邻电芯,防止产生链式反应。
电芯的开阀保护时间,需要在单电芯、模组中保持一致性,开阀的条件应在一定的偏差范
围内。
(2)模组级
a.模组间建议考虑合适的间距,具备一定的防止热蔓延的能力;建议采用隔热设计(如
隔热罩等),抑制热量在相邻模组间的蔓延。
b.设计合理的电连接孔、泄气孔及火焰导向孔,防止蔓延。
c.对于不具备单体熔断功能的电芯,模组建议采用可熔断连接设计,防止电芯内短路
时其他并联电池产生电流倒灌,引发热失控。
(3)系统级
a.电池壳体(包括上盖、底板以及密封条等附件)应采用阻燃材料,以避免明火引燃
整车;
b.电池包内部高压线束(包括主回路高压线束、电池电压采集线束等)建议具有熔断
保护,防止在热失控期间因线束受损短路引起的二次伤害。
4.2.2.3电池关键部件阻燃设计
为延缓热失控扩散,延长乘员逃生时间,电池系统的零部件应尽量选用阻燃等级较高
或者不燃烧的材料,这样即使在热失控的极端环境下,这些零部件至少不会进一步加剧反
应。
(1)电池系统内部有机材料(如结构胶、导热胶等)应采用阻燃等级较高的材料。
(2)应重点评估电池包内薄片非金属材料的阻燃等级。
(3)其他与电芯直接接触材料,以及电气件、热管理部件等应选用阻燃等级较高或
者不燃烧的材料。
(4) 在电芯热失控以后,建议评估喷发物对模组周围带来的绝缘下降引起的短路造
成的二次加热。
4.2.3电气安全
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4.2.3.1绝缘要求
4.2.3.1.1电气绝缘
(1)电池系统的绝缘设计应满足 GB/T18384或企业要求;
(2)通过绝缘材料来提供触电防护的,则电气系统的带电部分应当全部用绝缘体覆
盖;
(3)绝缘材料应能承受电动汽车及其系统的温度等级和最大工作电压;
(4)绝缘体应有足够的耐电压能力,进行耐电压试验不应发生绝缘击穿或电弧现象。
4.2.3.1.2电气间隙、爬电距离
(1)电池系统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、环境污染等级确定电气间隙;
(3)根据环境污染等级、材料 CTI值、工作电压、工作海拔高度等确定爬电距离;
(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。
4.2.3.1.3电位均衡
(1)所有组成电位均衡电流通路的组件(导体、连接部分)应能承受单点失效下的
最大电流;
(2)电位均衡通路中任意两个可以被人同时触碰到的外露可导电部分之间的电阻应
不超过 0.1Ω ,满足标准 GB/T 18384.3-2015要求。
4.2.3.2电连接可靠性安全设计
电池系统内的电连接设计包括模组内电连接设计和模组外电连接设计。模组内电连接
设计包括:电芯间电连接、温度及电压采样;
(1)电芯间电连接
电芯间电连接需要满足过流要求,材质一般是铜、铝或者镍,应注意避免铜铝间电化
学腐蚀。
(2)温度采样
a.作为检测电池状态的一个重要手段,在设计时主要关注两个方面:排布位置和连接
可靠。
b.排布位置建议可采集到模组内最高及最低温度。
c.采样线可考虑防短路措施。
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(3)电压采样
由于电压采样直接与电芯正负极相连,若连接位置阻抗过大,会影响电压的采样精度,
因此,电压采样需选择阻抗较小且比较安全可靠的连接方式,采样线需要考虑防短路措施。
(4)模组外电连接设计
包括模组间电连接设计、模组与电气件间的电连接设计、电气件间电连接。
模组外电连接一般使用锁螺栓或螺母作为对外电连接端口,在设计时应注意避免电电
连接部位受载,同时应保证螺栓连接可靠性。
(5)为了电池系统维护的方便性和安全性,建议系统要设计有专门的维修接口,如
用于熔断器的更换,以及电池系统内单体电池状态调整接口。
4.2.3.2.1系统过电流能力
(1)电池系统内部主回路各连接部分应具有在整个生命周期内承受系统最大持续电
流的能力。
(2)电连接面积选择考虑温升和老化要求。
4.2.3.2.2电气连接可靠性
(1)电池系统内部主回路各电连接部分应具有有效的设计,建议采用螺纹胶锁死,
以保证在整个生命周期内保持连接阻抗的可靠性。
(2)电池系统内部主回路各电连接部分的连接阻抗应具备明确的指标及检测方法,
以便在生产及维护时进行检测;
(3)电池系统内线束高低压连接端子与电线连接应牢固,应满足 QC/T 29106汽车电
线束技术条件中的规定;
(4)连接器需要具有一个锁紧装置以避免分离或接触不良。高压连接器应具有高压
互锁功能。
4.2.3.2.3接地要求
高压零部件接地一方面是为了改善 EMC,另一方面是为了满足安全需要。高压零部件
接地需满足如下要求:
(1)所有与高压部件靠近的金属导体必须接地,如:冷却板、接插件固定板、靠近
高压线的冷却管道所连接的水口、BMU(HVM)外壳、EDM金属底板、金属托盘等;
(2)所有接地点表面应保证导电性,不应有导电性差的漆及氧化物,防止接地不良;
(3)所有接地点应保证一定的安装扭矩;
(4)电池系统内部接地建议采用专用的接地螺栓螺母或使用编织导线,电池系统与
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车底盘接地线推荐使用编织导线,同时接地端子需镀锡;
(5)接地线应尽可能短;
(6)电池系统内接地点应与车身电底盘连接。
4.2.4电池系统安全性测试方法
电池系统级验证主要是验证电池系统完整的性能和功能,可考虑以下几个方面:
(1)按照《电动汽车用动力蓄电池安全要求》国标要求,通过振动、机械冲击、模
拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、热稳定性、温度冲击、盐雾、高海拔、过温保护、过流
保护、外部短路保护、过充电保护、过放电保护测试。
(2)建议进行带载振动试验,充分发掘连接异常及温升异常,评估安全可靠性(振
动时充放电)。
(3)建议进行动态 IP模拟测试(振动、冲击整车涉水等)。
(4)建议采用同一测试样品在环境温度、环境湿度、振动状态下同步进行多因素应
力综合评估,评估完成后对该测试样品再进行 IP防护等级评估,应能够满足 IP防护等级
的要求。
4.2.5电池系统生产安全要求
4.2.5.1生产过程中安全防护要求
(1)严格按照工艺流程装配,装配过程中避免出现压线等现象,防止操作中短路。
(2)生产及转运过程中应对单体、模组、系统及关键部件(熔断器、接触器等)进
行必要的防护,避免因磕碰、跌落等造成安全隐患。
(3)生产及转运过程中裸露的 BMS或采集板应进行有效的静电防护。
(4)电池系统宜具备手动维修开关或 Fuse。生产及转运过程中,电池系统上的维修
开关应当拔掉插头并盖上防护盖,确保切断电池系统对外的高压输出,电池系统上的高压
连接器应装有防护盖,确保操作人员安全。
(5)对模组、壳体的连接硬点进行必要的防护,避免因部件变形造成紧固点失效。
(6)对柔性或易变形部件(如密封垫、发泡硅胶)等进行工装防护,避免因部件变
形造成失效。
(7)电池系统内部应对带电部件及连接点进行有效的防护,满足 GB 4208 中规定的
IPXXB防护等级要求,防止在生产或维护过程中因人员误触导致的安全隐患。
(8)装配过程中使用的工装及工具与产品接触部分宜采用绝缘材质或做好绝缘防护,
避免装配过程产生短路风险。
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(9)生产及装运过程各零部件应固定牢固,避免运动过程中摩擦损坏导致短路。
(10)接通高压电前,必须进行高压电部件壳体接地检查,确认高压电部件的装配和
连接可靠。
(11)对高压电部件进行拆装前,必须进行断电操作,确认已断开紧急开关和 12V电
源。
(12)在高压部件的拆卸、安装或其他操作时,操作人员需要取得低压电工证资质,
佩戴高压绝缘手套,穿绝缘靴,同时必须做好自身的绝缘保护措施,身上不得带有任何金
属物品。
4.2.5.2合理的下线检测
序列 测试类别 测试项目 测试目的
1 线束测试 线束测试 检测电池系统低压接口所有针脚是否正确
2 CAN通讯 检测产品通讯是否正常
3 绝缘电阻 检查产品的绝缘电阻性能
4 绝缘耐压 检查产品的绝缘耐压性能
5 绝缘检测功能 检查 BMS的绝缘检测功能 静态测试
6 高压互锁功能 检查 BMS的高压互锁功能
7 软件版本 检查软件版本是否正确
8 硬件版本 检查硬件版本是否正确
9 压差 检查未充放电前压差是否满足要求
10 总压 检查电池系统总压是否满足要求
11 充电功能 检查充电是否正常
12 充放电测试 放电功能 检查放电是否正常
13 总电压精度 检查 BMS电压精度值是否满足要求
14 电流精度 检查 BMS电流精度值是否满足要求
15 直流内阻测试 DCR测试 检查电池系统直流内阻值是否满足要求
4.3动力电池运输要求
明确电池系统在运输过程中的包装、存储等条件的安全要求,防止运输过程中存在的
安全隐患,或因自身的安全问题造成对环境或周围人员、财产的损坏。
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4.3.1运输检测标准
电池系统运输检测可参照联合国《关于危险货物运输的建议书——试验和标准手册》
第 3部分 38.3款(简称 UN38.3)内容要求。
4.3.2包装及运输要求
4.3.2.1包装要求
(1)电池系统的包装应符合防潮防震的要求,应采取措施防止电池系统与同一包装
内导电物质相互接触。
(2)电池系统内部所有零部件应按照正常生产要求进行固定。
(3)电池系统所有接口需进行独立保护,防止碰撞和短路。所有电气接口设置绝缘
阻燃防护罩,确保接口处无金属部分裸露在外。
(4)电池系统设有维修开关(MSD)的,包装前确保维修开关已经取下,且维修开关接
口处有绝缘材料进行包裹保护。
(5)包装箱应考虑运输环境条件(公路运输、铁路运输、水路运输等情况),包装箱
需经过堆码试验、跌落试验等试验合格。
(6)包装箱应易于制造、装配,便于储运、机械装卸。
(7)包装箱内应在指定位置装入随同电池系统提供的文件和物料。
(8)包装箱应设置产品标签,包含下列内容:名称、物料编码、客户名称、制造厂
名或商标等、生产日期、SN、每箱的数量、净重和毛重、堆码重量极限。
4.3.2.2运输要求
(1)电池系统建议在 40%SOC以下状态运输,以 30%SOC为宜;
(2)根据联合国《关于危险货物运输的建议书-规章范本》(简称 TDG)的内容要求,
电池系统在运输过程中应避开易燃、易爆、易腐蚀危险品;
(3)电池系统与包装箱必须完全定位锁死,包装箱与运输工具也需通过转运架等完
全锁死;在运输过程中,应防止剧烈震动、冲击、日晒、雨淋;
(4)包装和运输过程中,要避免人员对动力电池系统的踩踏和不良接触;
(5)运输器具满足运输试验要求;
(6)运输器具要求绝缘,防止意外短路;
(7)消防设备能满足运输车辆发生紧急事故的需求。
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4.4动力电池售后保养要求
明确电池系统在使用过程中的维护保养的措施、项目、频次等基本要求,及推荐建议
等,对其安全状态进行跟踪,及时排除安全隐患。
4.4.1动力电池保养、检测规范
4.4.1.1日常维护
(1)充放电
建议在适当的环境温度、SOC状态下对电池系统进行充放电。
(2)存放
长期存放时,电池系统电量要处在适当状态,并定期进行深度充放电;存放区域远离
热源、化学腐蚀等场地。
(3)行驶
建议用户养成良好的驾驶习惯,避免猛踩油门,形成瞬间大电流放电。
4.4.1.2定期保养
为保证电池系统安全运行,建议电动汽车定期前往售后服务中心检查(建议每 5000
公里/每半年)。
对电池系统的定期保养与检测,必须由专业人员操作,且保养与检测场所应备有与电
池系统接口配套的绝缘保护盖,在操作前需对电气接口安装绝缘保护盖,确保操作人员安
全。
定期保养与检测可选择如下项目:
(1)均衡充电——可利用维护接口使用诊断工具读取电池系统内部电芯电压一致性
状态,根据电芯电压差异情况使用专门的维护仪、或者车载充电机进行均衡充电保养。
(2)气密性检测——检测电池系统壳体防护状态,使用专用检测工装对电池系统外
部接口进行封堵,向壳体内部注入气体,通过保压法进行测试。
(3)绝缘性能检测——检测电池系统绝缘性能,可通过 2种方式进行。
·车辆“启动”状态下,使用诊断工具读取 BMS软件上报的绝缘值;(推荐)
·车辆“下电”状态下,使用绝缘测试仪检测电池系统高压输出端对接地点的绝缘值。
(4)外观检查——检查电池系统外壳及表面部件(接插件、压力阀、紧固螺栓)是
否存在变形、破损、裂纹、松动等情况。如发现异常,视情况进行开箱检查。
(5)故障码检查——使用诊断工具读取电池系统内部故障码,对当前故障和历史故
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障进行评估,对功能、安全相关的故障码做进一步的诊断。
(6)冷却系统检查及维护,如风冷系统近出风口的过滤系统清理,保证散热通道的畅
通。水冷系统的冷媒进行定期检测更换,避免由于冷媒的变性造成冷却系统的冷却性能及
功能下降。
4.4.2动力电池年检项目及方法
为保证电动汽车电池系统安全运行,建议对电池系统进行定期年检。
电池系统年检项目可包含“电池系统保养、检测规范”等相关检测,同时可视需要增
加电耗测试(整车)和容量测试等项目。如针对续驶里程衰减较明显的车辆,可使用专业
测试设备检测电池系统容量、内阻、温升等参数。
若在年检中发现特定故障,可开箱检查电池系统内部状态,重点关注箱内环境(是否
有进水、泄漏)、零部件表面状态(生锈、霉变)、接插件状态、模组外形(是否有鼓包变
形)、高压连接点紧固状态等等。如应重点关注碰撞事故历史车辆以及长年限、长里程车
辆。
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5 电机系统与电驱动总成安全
5.1 总体要求
随着国家能源战略导向、四阶段油耗以及碳排放积分法规出台,电动汽车将在未来占
据更大市场。电动汽车以混合动力和纯电动汽车为主。在混合动力汽车中,除了传统发动
机以外还有驱动电机系统,用以联合驱动和制动能量回收。在纯电动汽车中,电机则是唯
一的动力驱动装置。
从电驱动总成发展趋势和构型特点上看,乘用车驱动电机向高速化、高压化和集成化
方向发展,现有主流产品最高转速不超过 16000rpm,未来转速将达到 18000rpm或更高。
直流母线电压 150~350~800VDC 左右,电机输出功率在 30kW~250kW 之间,输出扭矩在
100Nm~500Nm 之间,配套合适速比的减速器或者变速器后电驱动总成输出扭矩(轮端)
2000Nm~5000Nm;电机输出与车轮驱动轴同轴或者平行布置。
对于商用车来说,当前最主流的驱动形式是电机直接驱动,含电机匹配固定速比减速
器的动力总成(轻型商用车应用广泛),重型商用车通常采用电机匹配两档或者多档变速
器的动力总成。 商用车驱动电机通常输出功率在 50kW~300kW 之间,专用工程车辆驱动
功率需求可达 400kW以上。不同载荷的商用车所需要的驱动电机转矩从 400Nm~5000Nm不
同,商用车电机系统的直流母线电压通常在 350VDC~800VDC 之间或者更高。商用车最主
要的驱动系统布置型式仍然是类似传统商用车的动力总成通过传动轴与主减速器连接的
形式,轮边驱动、集成式电驱动桥在商用车也有广泛应用。
在动力总成中,电机不仅是一个动力源、传动部件,同时还是安全件和法规件。电机
作为动力源,同发动机相比,电机可以四象限运行,以转矩控制模式为主。在软件功能或
者硬件失效情况下,电驱动总成可能出现非预期的转矩输出,比如转矩输出过大或反向等
故障,造成意外的人员伤害。作为传动件,电机是传动链上的一环,电机转矩波动或由于
PI 参数调整不当,可能导致传动系扭振造成整车舒适性方面的问题。在高压安全方面,
除 48V 电机外,车用电机工作电压都超过了安全电压 60V,有的可达到 500V 甚至更高,
存在高压安全风险。整车上公告要求电机按照 GB/T 18488 试验,在企业准入和补贴申领
等环节都需要采集电机的编码和壳体拓印等信息,因此电机是法规件。电驱动总成通常位
于整车的底部,运行环境恶劣;电机大部分工况处于高速旋转状态,特别是乘用车驱动电
机的工作转速远高于传统燃油车的发动机工作转速,由此带来的机械安全问题尤其需要重
视。电机稳态工作温度通常在 120℃左右,部分工况下甚至达到或超过 160℃,电机控制
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器的最高工作温度也会达到 100℃以上,电驱动总成温度监测、防止永磁同步电机高温退
磁、防止高温接触烫伤等方面的要求亟待规范。电驱动总成在复杂的环境里工作,需要整
个寿命期内适应各种气候环境。特别是在夏季内涝严重地区和冬季极寒地区,电驱动总成
的防护安全要求更加苛刻。相比于传统燃油车,复杂电磁环境是电驱动总成需要面对的另
一个挑战,这对电驱动总成的电磁兼容性提出了更高的要求。电驱动总成高压、大电流、
高温等工作特点导致了电驱动总成的维护保养与传统燃油车动力总成相比有很大不同,维
护保养过程中的人身安全需要特别关注。
综上,电驱动总成安全应从高压安全、机械安全、热安全、防护安全(含电磁辐射与
抗扰等)、安全保护策略、功能安全、维护保养安全等七个方面进行全面考虑。
5.2 高压安全
相对于传统内燃机汽车而言, 电动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。
5.2.1 绝缘电阻要求
5.2.1.1电机定子绕组对机壳绝缘电阻要求
应符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.7.1条的规定。
5.2.1.2电机定子绕组对温度传感器绝缘电阻要求
应符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.7.2条的规定。
5.2.1.3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 5MΩ ;
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 5MΩ ;
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进行。
5.2.1.4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。
77
5.2.2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:
5.2.2.1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。
5.2.2.2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。
5.2.2.3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。
5.2.2.4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。
5.2.2.5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。
78
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。
5.2.3屏蔽与接地
5.2.3.1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。
5.2.3.2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 。
5.2.3.3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。
5.2.3.4 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。
5.2.3.5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。
5.2.3.6等电位连接
下图是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)
与整车电平台应实现可靠的等电位连接。
79
逆变器电池
G G G
|
短路保护装置:熔断器 |
|
Q2 Q4 Q6
C C C |
|
U
V
W |
|
M
NTC sensor |
|
|
电池壳体 |
|
G G |
|
G |
|
电机壳体:通过螺栓与变速箱及发动
机壳体相连 |
NTC sensor
IGBT-Module
逆变器壳体
PWM
R≤40mΩ R≤40mΩ R≤40mΩ
人
电底盘(车架)
图 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 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)与整车电平台之间的电阻应小于 100m
Ω 。
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 GB14711-2006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。
80
表 1 保护接地螺栓最小直径
电机额定电流 A 保护接地螺栓最小直径 mm
≤20 4
>20~200 6
>200~630 8
>630~1000 10
>1000 12
表 2 接地导线截面积
相线截面积/mm² 接地导线或防护导线 相线截面积/mm² 接地导线或防护导线
截面积/mm² 截面积/mm²
4 4 95 50
6 6 120 70
10 10 150 70
16 16 185 95
25 25 240 120
35 25 300 150
50 25 400 185
70 35
5.2.3.7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 4026-2010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。
5.2.4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/T 18384.3-2015,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。
81
5.2.5 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:
5.2.5.1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)。
5.2.5.2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 60V
以下)。
5.2.6 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/T 18384.3 -2015中 5.1
条的内容。
图 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。
82
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。
5.2.7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。
5.2.8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 GB/T 18384.3 的规定。
5.2.9 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
83
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。
5.2.10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。
5.2.10.1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 GB14711-2013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 GB14711-2013表 4(工作电压 31V~750V)及表 14(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 GB14711-2013表 14工作电压 1000V下的爬电距离和电气间隙设计。
5.2.10.2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附录 F.2,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附录 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。
5.2.11高压接口安全要求
5.2.11.1防松脱设计要求
5.2.11.1.1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
84
录 A的要求。
5.2.11.1.2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。
5.2.11.2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。
5.2.11.3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。
5.2.12低压线束连接安全要求
5.2.12.1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。
5.2.12.2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。
5.2.12.3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。