● 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 張英男

《電動(dòng)汽車 安全要求》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)解讀

● 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 張英男

張英男

張英男，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所工程師，從事電動(dòng)汽車整車和安全領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研究和制修訂工作，GB/T18384-2015《電動(dòng)汽車 安全要求》系列標(biāo)準(zhǔn)第一起草人。2013年獲中國(guó)汽車工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

作為緩解能源壓力和減少溫室氣體排放的重要手段，電動(dòng)汽車被視為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要技術(shù)方向，近年來(lái)得到全球各國(guó)的重視并得到快速發(fā)展，中國(guó)在產(chǎn)業(yè)政策、科研支撐、財(cái)稅補(bǔ)貼和公安及交通管理方面均給予了電動(dòng)汽車持續(xù)的較大力度的鼓勵(lì)和支持，中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)品的使用和推廣正在快速的擴(kuò)大。電動(dòng)汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的主要特點(diǎn)就是在高電壓的環(huán)境下運(yùn)行，因此高壓系統(tǒng)的安全性一直是行業(yè)研究和消費(fèi)者關(guān)注的重中之重。

標(biāo)準(zhǔn)概況

作為電動(dòng)車最為基礎(chǔ)和重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，我國(guó)早在2005年就發(fā)布了GB/T 18384《電動(dòng)汽車 安全要求》系列標(biāo)準(zhǔn)，主要參考了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469。該系列標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)對(duì)于規(guī)范行業(yè)發(fā)展、保證產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)技術(shù)提升起到了非常重要的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及在產(chǎn)品應(yīng)用和檢測(cè)方面越來(lái)越多的積累，我國(guó)在2010年啟動(dòng)了對(duì)GB/T 18384系列標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，2013年提交全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分委會(huì)審查并通過(guò)，于2015年5月15日發(fā)布，并于2015年10月1日正式實(shí)施。

新修訂的GB/T 18384包括3個(gè)部分，分別是GB/T 18384.1—2015《電動(dòng)汽車 安全要求 第1部分：車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)》（以下簡(jiǎn)稱第1部分）、GB/T 18384.2—2015《電動(dòng)汽車 安全要求 第2部分：操作安全和故障防護(hù)》（以下簡(jiǎn)稱第2部分）和GB/T 18384.3—2015《電動(dòng)汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護(hù)》（以下簡(jiǎn)稱第3部分）。該系列標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍是車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大工作電壓是B級(jí)電壓的電動(dòng)汽車。該范圍有兩個(gè)限定條件：電動(dòng)汽車和B級(jí)電壓，也就是說(shuō)，只要是電動(dòng)汽車，并且其車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大工作電壓在B級(jí)電壓的范圍內(nèi)，則應(yīng)滿足《電動(dòng)汽車 安全要求》系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中B級(jí)電壓是指交流大于30 V a.c.（rms）且小于等于1 000 V a.c.（rms），直流大于60 V d.c.且小于等于1 500V d.c.的電壓范圍。

標(biāo)準(zhǔn)解讀

1. 車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)

第一部分的對(duì)象是車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS，rechargeable energy storage system），REESS就相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的油箱，是車輛驅(qū)動(dòng)能源的來(lái)源，最典型的代表便是動(dòng)力電池。超級(jí)電容器也屬于REESS，但燃料電池堆并不屬于REESS，因?yàn)樗请娔艿陌l(fā)生裝置，并不存儲(chǔ)電能。第一部分主要規(guī)定了REESS絕緣電阻、電氣間隙和爬電距離、有害氣體和有害物質(zhì)排放、危害人員的熱量以及過(guò)電流斷開(kāi)幾方面的要求，其中絕緣電阻測(cè)量和計(jì)算方法是修訂的重點(diǎn)。絕緣電阻測(cè)量前，應(yīng)將REESS的高壓部分和低壓部分?jǐn)嚅_(kāi)，將低壓部分與車輛電平臺(tái)相連接，目的是不僅測(cè)量REESS與電平臺(tái)之間的絕緣電阻，還包括了與其低壓部分的絕緣電阻。REESS應(yīng)先在的環(huán)境下準(zhǔn)備8 h，而后在溫度，相對(duì)濕度，氣壓86kPa～106kPa的條件下進(jìn)行測(cè)量。規(guī)定該試驗(yàn)環(huán)境的目的是為了使被測(cè)設(shè)備達(dá)到露點(diǎn)，所以如果廠家和檢測(cè)機(jī)構(gòu)有其他的準(zhǔn)備和試驗(yàn)條件可以使得被測(cè)設(shè)備很快的達(dá)到露點(diǎn)，則可以使用其他試驗(yàn)條件。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定測(cè)量階段是一個(gè)8 h的測(cè)量過(guò)程過(guò)程，并不是指測(cè)量一定要持續(xù)8 h，只要露點(diǎn)出現(xiàn)，并且捕捉到絕緣電阻可能的最小值，測(cè)量便可以結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

REESS絕緣電阻的計(jì)算公式中，R0是已知電阻，正負(fù)極兩端有各自的絕緣電阻，標(biāo)準(zhǔn)將較小的一端定義為R2，既R1＞R2，U1＞U2。如圖2。

2005版標(biāo)準(zhǔn)中REESS絕緣電阻的計(jì)算公式是：

…………（1）

新修訂版本中的 REESS絕緣電阻計(jì)算公式是：

…………（2）

將U1、U2、U1'分別用Ub來(lái)表示，并帶入公式（1）和公式（2）可以得出，2005版的公式Ri相當(dāng)于R1和R2并聯(lián)的阻值，新修訂版本中的公式Ri相當(dāng)于R1和R2的較小值。在實(shí)際情況中，REESS正負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)起作用的情況是不存在的，無(wú)故障的情況下兩側(cè)絕緣電阻串聯(lián)起作用，單點(diǎn)故障情況下絕緣電阻單側(cè)起作用。所以修訂后的計(jì)算公式更符合實(shí)際。

2. 車輛操作方面的安全要求以及進(jìn)行故障防護(hù)的思路

第二部分主要規(guī)定了車輛操作方面的安全要求以及進(jìn)行故障防護(hù)的思路。在操作安全方面，車輛的電源接通斷開(kāi)程序中定義了車輛個(gè)的兩個(gè)狀態(tài)，分別是“驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源切斷狀態(tài)”和“可行駛模式狀態(tài)”，其中可行駛模式是指“當(dāng)踩下加速踏板（或激活某種控制設(shè)備）或松開(kāi)制動(dòng)系統(tǒng)，車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就可以移動(dòng)車輛的模式”，這描述的是車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高壓電已經(jīng)接通并且車輛已經(jīng)掛入前進(jìn)檔或倒車檔時(shí)的狀態(tài)。車輛各個(gè)狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高壓電接通狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個(gè)狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)見(jiàn)圖3。

圖1 REESS絕緣電阻測(cè)量過(guò)程

圖2 REESS絕緣電阻測(cè)量示意圖

圖3 接通斷開(kāi)程序示意圖

圖4 電源接通程序中對(duì)2個(gè)不同動(dòng)作的認(rèn)定

圖5 單點(diǎn)失效防護(hù)舉例

圖6 觸電防護(hù)方法

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車輛從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源切斷狀態(tài)到可行駛模式需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同的有意識(shí)的動(dòng)作，對(duì)于這兩個(gè)動(dòng)作的認(rèn)定見(jiàn)圖4。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于功率降低顯示的規(guī)定目的是避免在車輛功率不足的情況下駕駛員對(duì)車輛有過(guò)多的動(dòng)力要求而導(dǎo)致的潛在危險(xiǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)熱，車輛便可能會(huì)限制驅(qū)動(dòng)功率，此時(shí)駕駛員若想加速超車，則動(dòng)力需求便得不到滿足，超車的持續(xù)時(shí)間會(huì)超過(guò)駕駛員的預(yù)期，這是一種非常危險(xiǎn)的行車情況。如果有低功率提示的功能，駕駛員便可以知道車輛目前“心有余力不足”，便不會(huì)進(jìn)行超車。此外，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“驅(qū)動(dòng)功率的限制和降低影響到了車輛的行駛，該狀態(tài)應(yīng)向駕駛員指示?！币虼巳绻?qū)動(dòng)功率的限制和降低不會(huì)影響車輛的行駛，則不必向駕駛員指示，例如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的限制可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)來(lái)彌補(bǔ)，因此就不必設(shè)置低功率顯示這一功能。

在故障防護(hù)思路方面，標(biāo)準(zhǔn)引入了單點(diǎn)失效這一概念。單點(diǎn)失效是功能安全中的一項(xiàng)重要概念，源自國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262。單點(diǎn)失效簡(jiǎn)單來(lái)講就是系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)、一個(gè)部分、一個(gè)組件發(fā)生故障而導(dǎo)致的失效，在功能安全的設(shè)計(jì)理念中，是要通過(guò)多重或冗余的保護(hù)來(lái)保證單點(diǎn)失效不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)作。具體到電動(dòng)汽車，以車輛的絕緣系統(tǒng)為例，如圖5所示，由于另一側(cè)絕緣電阻的存在，高壓系統(tǒng)單側(cè)的絕緣失效并不會(huì)導(dǎo)致人員觸電。這便是一種對(duì)于單點(diǎn)失效的防護(hù)。

3. 人員觸電防護(hù)的要求

第三部分規(guī)定了人員觸電防護(hù)的要求。標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)的設(shè)置分為：觸電防護(hù)的方法（6.1條-6.4條），對(duì)于以上方法的要求（6.5條-6.10條），對(duì)于以上要求的試驗(yàn)驗(yàn)證（第7章）。其中觸電防護(hù)的方法分為基本防護(hù)和單點(diǎn)失效情況下的防護(hù)，基本防護(hù)包括基本絕緣、遮擋或外殼，單點(diǎn)失效情況下的防護(hù)包括絕緣電阻、電位均衡、電容耦合、斷電以及其他電機(jī)防護(hù)方法。其邏輯見(jiàn)圖6所示。

電位均衡的目的是當(dāng)基本防護(hù)方法失效的情況下，保證電流流過(guò)電位均衡通路，而不流過(guò)人體。電位均衡的通路可通過(guò)焊接或金屬緊固件等方式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于絕緣電阻的要求，標(biāo)準(zhǔn)將電路分為“非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路”和“傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路”，因?yàn)槎呖赡苡胁煌墓ぷ麟妷汉凸ぷ鳝h(huán)境，因此絕緣電阻的要求亦不同。舉例來(lái)說(shuō)如何區(qū)分兩種電路。交流充電采用隔離式車載充電機(jī)的情況，車載充電機(jī)隔離線圈后部的整個(gè)電路（圖中紅色部分）均是非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路，車載充電機(jī)隔離線圈前部到接口的電路是傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路（圖中藍(lán)色部分）。如圖7所示。

交流充電采用非隔離式車載充電機(jī)的情況，整個(gè)車載高壓系統(tǒng)均是傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路。如圖8所示。

直流充電的情況，由于采用的是非車載充電機(jī)，因此整個(gè)車載高壓系統(tǒng)均是非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路。如圖9所示。

此外，感應(yīng)充電自然也是整個(gè)車載高壓系統(tǒng)均為非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路。

標(biāo)準(zhǔn)中還提出了對(duì)電容耦合的要求。絕緣電阻可以限制從電池流過(guò)人體的電流，但無(wú)法限制從Y電容流過(guò)人體的電流，詳見(jiàn)圖10。電容耦合保證了從Y電容流過(guò)人體的電流在安全電流的范圍內(nèi)。

除了以上觸電防護(hù)方法，如果車輛B級(jí)電壓電路出現(xiàn)問(wèn)題，車輛還可以采用自動(dòng)斷電的方式對(duì)人員觸電進(jìn)行防護(hù)。但考慮到車輛復(fù)雜的運(yùn)行情況，自動(dòng)斷電的方法并不推薦。例如車輛在高速行駛，如果在駕駛員毫無(wú)防備的情況下車輛突然斷電，很可能釀成較嚴(yán)重的交通事故。因此，自動(dòng)斷電的方案是由廠家根據(jù)自身的控制策略選擇性的提供。

《電動(dòng)汽車 安全要求》系列標(biāo)準(zhǔn)的修訂對(duì)于提高我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)品質(zhì)量，改善試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)水平，促進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)步具有十分積極的作用。相信在國(guó)家進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化，擴(kuò)大市場(chǎng)化規(guī)模，以及在保證人民和財(cái)產(chǎn)安全方面均會(huì)發(fā)揮重要的作用?！?/p>

圖7 交流充電采用隔離充電機(jī)

圖8 交流充電采用非隔離充電機(jī)

圖9 直流充電

圖10 電容耦合的目的