實訓項目二

電動汽車安全性分析任務一電動汽車的高壓組成任務二電動汽車的高壓危害性任務三電動汽車的高壓安全措施技能訓練項目小結

本項目需要完成的任務涉及以下內容：

(1)電動汽車高壓部件的組成及作用。

(2)電動汽車高壓安全性隱患及其防護。

(3)電動汽車高壓安全措施。

知識目標

(1)能夠說出電動汽車高壓特征。

(2)能夠說出動力電池安全特性及高壓防護方法。

(3)能夠描述高壓安全性隱患與防護方法。

能力目標

(1)能夠正確識別電動汽車高壓部件。

(2)會正確操作測量高壓。

(3)會正確使用各種安全防護操作。

任務一電動汽車的高壓組成

一、電動汽車高壓位置純電動汽車與混合動力汽車均設計有高電壓，主要高壓部件在車輛上的位置如圖2-1所示。高電壓車輛的高壓部件主要集中在以下幾個位置：高壓配電箱/盒、電源系統、驅動系統、空調與加熱系統、充電系統等。

圖2-1主要高壓部件在車輛上的位置

1.高壓配電箱

高壓配電箱/盒(高壓控制盒)的基本目的是確保汽車運行安全、駕乘人員安全和汽車運行環境安全。高壓配電箱如圖2-2所示，它被安裝在動力蓄電池與各高壓零部件之間，可完成動力電池電源的輸出及分配，實現對支路用電器的保護及切斷。

圖2-2高壓配電箱

2.電源系統

電動汽車的電源系統主要是動力電池系統，該系統由電池模組、電池管理系統、動力電池箱及輔助元器件四部分組成，參見圖2-3。

電池包(電池模組)的主要功能有：①提供動力；②電量計算；③溫度、電壓、濕度檢測；④漏電檢測、異常情況報警；⑤充電與放電控制、預充電控制；⑥電池一致性檢測和系統自檢等。

圖2-3電源系統

3.驅動系統

驅動系統組成驅動電機系統，是純電動汽車三大核心部件之一，是車輛行駛的主要執行機構。

驅動電機系統由驅動電動機(DM)、驅動電機控制器(MCU)構成分別如圖2-4和圖2-5所示。

圖2-4驅動電機(DM)

圖2-5電動汽車電機控制器

4.空調與加熱系統

空調與加熱調節系統(參見圖2-6)的作用是根據室外環境隨時調節汽車內部的溫度、濕度和通風狀況，保持最舒適的駕車環境。

圖2-6空調與加熱系統

5.充電系統

充電系統由車載充電機、車輛慢充口、車輛快充口、高壓線束等組成。常見的車載充電機參見圖2-7。圖2-7車載充電機實物圖

6.高壓附件線束

高壓附件線束(高壓線束總成)是指連接高壓控制盒到DC/DC轉換器、車載充電機、空調壓縮機、空調PTC之間的線束。高壓附件線束接口較多，各接口結構及定義分別如圖2-8、圖2-9所示。

圖2-8互鎖接線口實物圖

圖2-9高壓附件線束接口實物圖

二、高電壓車輛高壓特征

1.高電壓類型

純電動汽車和混合動力汽車，其高電壓系統均同時具有直流高電壓和交流高電壓，如圖2-10所示。

圖2-10高電壓車輛的主要高電壓類型

2.存在時間

高電壓車輛上的高電壓并不是持續存在的，除了動力電池會持續存在高電壓外，其他的系統或部件只有在運行時才具有高電壓。充電系統部件僅在車輛充電期間存在高電壓，這包括來自外部電網的220?V交流高電壓，以及車載充電器與動力電池之間的直流高電壓，如圖2-11所示。

圖2-11充電期間具有高電壓的部件

任務二電動汽車的高壓危害性

一、高壓電的定義汽車領域中的高壓電參見圖2-12。圖2-12汽車領域中的高壓電

圖2-13～圖2-15所示是部分電動汽車動力蓄電池實物。對電壓等級及設備分類可根據GB/T18384.3—2001，把電壓分為2個等級，如表2-1所示。圖2-13廣汽豐田雷凌的動力蓄電池(245V)

圖2-14北汽EV系列的動力蓄電池(330V)

圖2-15比亞迪秦的動力蓄電池(500V)

二、高壓電的危害

高壓電對人體產生危害主要有三種方式：電流作用、電弧和二次傷害。由于高壓電對人體傷害較大(參見圖2-16)，因此應該認真對待有故障的電動汽車、充電樁以及其他電氣設備，并立即消除可能產生的故障。

圖2-16高壓電對人體的傷害

1.電流作用

1)確定通過人體的電流強度

當人體接觸電壓為230?V、頻率為50?Hz～60?Hz的交流電時，人體各部分的阻抗值參見表2-2。

參照表2-2和大多數情況下已知的觸電電壓，就可以對通過人體的電流值進行估算。例如，對于電阻為1000?Ω的手—手電流路徑，在230?V的接觸電壓下，通過人體的電流強度為

2)電流的生理效應

圖2-17所示是頻率為50?Hz～60?Hz的交流電通過人體時對人體的影響情況。圖中，橫坐標是觸電電流值，縱坐標是觸電時間。

圖2-17人體中觸電電流值與觸電時間的關系

3)對人體組織的影響

電流強度大和作用時長是電流對人體組織影響中最重要的兩個因素。圖2-18所示時間-電流圖闡明了交流電對人體的作用。

圖2-18時間-電流圖

2.電弧傷害

直流電并不是無害的，只是相對于交流電，同樣電流強度其所造成的人體生理反應并沒有那么強。直流電的危害主要是由電弧引起的。

與可控制的電弧應用不同，通常在進行不同的焊接作業中，設備短路時可產生不可控的電弧，即所謂的故障電弧(閃絡故障)。其原因包括存在缺陷的絕緣材料，作業中人為失誤以及因電氣設備維修而產生的損壞等。電弧焊接參見圖2-19。

圖2-19電弧焊接

1)由光強和光線造成的眼部傷害

伴隨故障電弧產生的極高溫度會輻射出非常強的紫外線。該紫外線短時間作用于人眼即可產生所謂的“電子眼炎”，同時也損害人眼角膜、結膜的最上層部分。

2)熱輻射引起的危害

故障電弧產生的極高溫度對人體的直接危害，首先表現為一到二度燒傷；其次在傷口處還會出現由絕緣材料燃燒和金屬顆粒升華并伴隨電弧強烈的磁場作用產生的有毒燃燒產物。另外，絕緣材料或人造材料的分解產物也可能引發呼吸器官損傷。故障電弧參見圖2-20。

圖2-20故障電弧

三、二次事故傷害

二次事故是指在事故中僅有低量流經電流參與，但事故本身卻由防御或驚嚇反應造成的事故。例如，電流也會間接地傷害人體，觸電者可能因觸電導致失去平衡而跌落，如圖2-21所示。

圖2-21二次傷害——觸電跌落

【例1】一個人在一電氣設備的導線上作業，由于受到可能無害的電擊驚嚇而墜落受傷。

【例2】一位機械師觸碰了引擎艙內一導電部件，由于反射作用將手從危險區域迅速抽回，但因艙內尖銳的棱角受到了擦傷。

四、觸電方式

1.直接接觸電擊

直接接觸電擊是指人身直接接觸電氣設備或電氣線路的帶電部分而遭受的電擊。它的特征是人體接觸電壓。直接接觸電擊帶來的危害是最嚴重的，其所形成的人體觸電電流總是遠大于可能引起心室顫動的極限電流。

例如，如圖2-22所示，一名機械師在進行電動汽車引擎艙內的維修作業時，未按規定佩戴高壓防護手套，且用手觸碰了高壓系統的導電元件；而此時機械師的髖部正接觸在車身上，電能會通過機械師的身體及車身進行傳導，本車載電源電壓為400?V。這樣就容易發生人體直接觸電嚴重事故。

圖2-22機械師維修作業

2.間接接觸電擊

間接接觸電擊是指人體接觸電氣設備或電氣線路中絕緣損壞外露的部分，從而遭受的電擊觸電。

任務三電動汽車的高壓安全措施

一、高壓安全電動汽車主要的高壓電氣系統部件如圖2-23所示。

圖2-23電動汽車主要高壓電氣系統部件

我國民用電網中的安全電壓多采用36?V，大體相當于人體允許電流30?mA(取人體電阻為1200?Ω)的情況，這就要求人體可接觸的電動汽車中任意兩個帶電部位之間的電壓要小于36?V。電動汽車中人體常見的觸電形式如圖2-24所示。

圖2-24人體觸電的主要形式

二、動力蓄電池安全

電動汽車的關鍵部分是動力蓄電池(參見圖2-25)，對于動力蓄電池安全性的研究是分析高壓電類型電動汽車安全性的前提。近年來，鋰離子電池在純電動汽車和混合動力汽車上得到了廣泛的應用，下面以鋰離子電池為例，來介紹動力蓄電池的安全性。

圖2-25電動汽車動力蓄電池與安裝位置

1.過充電與過放電

在給車輛進行充電時，特別是在電池充電末期，電池內部鋰離子的濃度增加、擴散性能下降，進而濃差極化增加、電池的接受能力下降，電池再充電就會出現過充電(簡稱過充)。過充電時，如果電池的散熱較好，或者過充電流很小，此時電池的溫度較低，過充電后只發生電解液的分解，電池仍然是安全的；如果此時電池的散熱較差，或者由于高倍率充電導致電池溫度很高而引發化學反應，往往存在安全隱患。圖2-26所示為一輛電動客車電池在過充電時導致的著火事故。

圖2-26電池過充電導致溫度過高著火

2.過電流

鋰電池過電流主要有以下幾種情況：

(1)低溫環境下充放電。

(2)電池老化、電池的性能下降(包括容量降低、內阻增加、倍率特性下降等)后，仍按照原來電流充電時容易導致產生的相對電流過大。

(3)電池并聯成組。多個電池并聯充電電流不一致而導致的過熱損壞如圖2-27所示。

(4)電池的內部和外部短路。

圖2-27多個電池并聯充電電流不一致導致過熱損壞

3.電池過溫

上述提到的過充、過放、過電流會導致電池過溫，以下幾種情況也會引起電池過溫：

(1)電池的熱管理系統失效。如圖2-28所示為典型動力蓄電池內電池溫度監測系統。

(2)電池溫度采樣點有限。

(3)溫度采樣點受限制。

(4)工作環境溫度高。

(5)電池溫度升高會引發的隱患包括電池本身性能的逐步下降，進一步加劇了電池內部的短路。

圖2-28電池溫度監測

三、危險運行工況下的安全

1.高壓系統短路

當動力系統的高壓線短路時，將會導致動力蓄電池瞬間大電流放電；此時動力蓄電池和高壓線束的溫度迅速升高，將會導致動力蓄電池和高壓線束的燃燒，嚴重時還可能會引起電池爆炸。

2.發生碰撞或翻車

當電動汽車發生碰撞或翻車時，可能導致動力系統高壓短路，此時動力系統瞬間產生大量熱量，存在發生燃燒甚至爆炸的風險；此外還可能造成高壓零部件脫落，對乘員造成觸電傷害。

3.涉水或遭遇暴雨

當電動汽車遇到涉水、暴雨等工況時，由于水汽侵蝕，高壓的正極與負極之間可能出現絕緣電阻變小甚至短路的情況，可能引起電池的燃燒、漏液甚至爆炸，若電流流經車身，可能使乘員遭受觸電風險。

4.充電時車輛的無意識移動

當車輛在充電時，如果車輛發生移動，可能會造成充電電纜斷裂，使乘員以及車輛周圍人員遭受觸電風險；若充電電纜斷裂前正在進行大電流充電，還可能造成電池的高壓接觸器粘連，從而進一步增加人員的觸電風險。

5.動力電池日常存儲運輸安全性

在動力電池日常存儲運輸中，需要做相應的安全儲備，操作時還需要小心謹慎。作為特別容易發生化學反應的金屬，動力電池易延伸和燃燒，所以在包裝、運輸、存儲時沒有按規定處理的話，可能會導致嚴重的事故——燃燒和爆炸。

四、高壓零部件保護措施

眾所周知，電流流經人體對人生命將構成威脅。因此，電動汽車在設計的時候需要采用適當保護措施，防止電流對人體造成傷害，包括防止直接接觸的保護和防止間接接觸的保護。

根據所采用保護措施形式的不同，保護措施可分為基本保護和預防式保護。防止觸電保護措施必須以這兩種獨立的保護措施適當組合形式存在，即基本保護和預防式保護組合。被廣泛應用的保護措施又有雙重絕緣或者加強絕緣保護、通過自動切斷電源的保護、停止供電保護和借助小電流保護等。

電動汽車高壓系統從原理圖上講，主要高壓器件有電池模組、高壓配電盒、電機、DC/DC轉換器、空調(A/C)等。從工程上講，高壓器件的質量以及彼此連接件質量做到位了，電動汽車的安全就能得到保障。不同規格的高壓連接器參見圖2-29。由于安全指標持續提升是永恒的課題，因此電動汽車連接器必須是汽車級的產品，工業級的產品是不符合要求的。

圖2-29不同規格的高壓連接器實物圖

五、電氣設備和儀器的防護措施

1.基本保護

所謂的基本保護，是指通過覆蓋包裝、包裹或絕緣化杜絕了與帶電部件的直接接觸。

1)基本絕緣

基本絕緣是指加在帶電部件上提供防觸電的基本保護絕緣，也就是對帶電部件提供防止電擊之基本保護的絕緣。基本絕緣在有效絕緣的基礎上，保護人體以免觸電，基本絕緣如圖2-30所示。

圖2-30基本絕緣

2)接觸保護

接觸保護主要是指高壓插頭的接觸保護，如圖2-31所示。圖2-31高壓插頭接觸保護

3)高壓線束標記

對高壓線束的防護及標記(或標識)應滿足以下要求：

(1)高壓器件外部的高壓線束必須含有屏蔽層，或在外部罩有屏蔽罩等，以屏蔽電磁輻射。高壓接插件在對接狀態下須達到360°屏蔽。

(2)高壓器件外部的高壓線束外部應包裹波紋管，如圖2-32所示。

圖2-32高壓線束外部包裹波紋管

(3)高壓零部件外面的高壓線束應以橙色作為標記，如圖2-33所示。圖2-33高壓橙色標記

(4)高壓器件均貼有安全標識，如圖2-34所示。圖2-34安全標識

4)保護等級

高壓部件的外殼防護等級，即IP保護方式代號簡介如圖2-35所示。圖2-35防護等級代號

2.容錯保護

容錯保護的保護裝置應當防止在基本保護失效的情況下產生的傷害，以及在導電部件上危險接觸電壓的產生。自動斷路器參見圖2-36。

圖2-36自動斷路器

3.額外保護

額外保護是指在基本保護和/或容錯保護失效的情況下，在使用者疏忽大意以及特殊條件下，故障電流保護系統能夠提供額外的人員保護。RCD(漏電保護裝置)線路集成在電路的往、返回路中，它通過磁動勢平衡互感器來對比往、返回路中的電流大小。當兩路電流不相等時，電路就會被切斷。額外保護器如圖2-37所示，在紅圈外加說明：30?mA。

圖2-37額外保護器

4.加強/雙倍絕緣保護

加強/雙倍絕緣保護措施體現為基本保護實行基本絕緣化，容錯保護增加額外或加強絕緣材料。具備這種保護的用電器的標識如圖2-38所示。圖2-38保護器

5.電間距保護

電間距保護體現為給用電器添加一個獨立電路。隔離變壓器“隔離”了用電器回路與安裝電網。它的基本保護由絕緣化、包裹或者覆蓋包裝來保證，人在觸碰導電部件時不會產生人體流經電流(容錯保護)。電間距保護器及回路標識參見圖2-39。

圖2-39電間距保護器及回路標識

6.超低電壓保護(SELV或PELV)

超低電壓不同于高壓，它在觸電時能提供特殊的保護。安全超低電壓電路(SELV)與保護性超低電壓電路(PELV)如圖2-40所示。圖2-40超低電壓保護器電路圖

在上述兩種情況下，如同電間距防護一樣，用電器回路都會通過一個變壓器與電網安全地隔離，然而輸出電壓會降低至超低電壓范圍，所以其保持在危險電壓范圍以內。超低電壓保護器如2-41所示。

圖2-41超低電壓保護器

7.儀器外殼的保護標準

對于電子設備的外殼及包裝需要按照其使用地點和使用功能滿足不同的要求。例如，觸碰防護、異物入侵防護和防水保護等重要屬性都是由IP等級所確定的。

DIN標準EN60529和DIN40050第9項(僅公路機動車)明確了相應IP碼的標準。IP碼由最少2項和最多4項的說明組成，參見圖2-42。

圖2-42特別標出的IP碼

第一部分數字意義(根據DIN40050第9項，觸碰防護及異物入侵防護的保護標準)參見表2-3。

第二部分數字意義(根據DIN40050第9項，防水的保護標準)見表2-4。

六、預防保護措施

1.高壓互鎖

高壓互鎖指的是電動汽車的主要高壓接插件均帶有互鎖回路，當其中某個接插件被帶電斷開時，動力電池管理系統便會檢測到高壓互鎖回路存在斷路，然后立即進行報警并斷開主高壓回路電氣連接，同時激活主動泄放。

高壓互鎖的功能是：高電壓觸點監控電路可在出現帶電狀態斷開高壓電路的情況時，通過低壓電路控制高壓主接觸器斷開，防止觸電風險。高壓互鎖線路圖如圖2-43所示。安全回路線是個環形線路，通過12?V電網元件來監控高電壓電網；不能在未斷開安全線的情況下就拔下高壓插頭(設計實現)；安全回路線發生斷路的話，會導致高壓系統立即被切斷。

圖2-43高壓互鎖線路圖

2.開蓋檢測

開蓋檢測指的是電動汽車的重要高壓電控元件具有開蓋檢測功能，當這些元件的蓋子在整車高壓回路連通的情況下打開時，會立即進行報警，并斷開高壓主回路電氣連接，同時激活主動泄放。開蓋檢測如圖2-44所示。

圖2-44開蓋檢測

3.主動泄放

主動泄放指的是驅動電機控制器中含有主動泄放回路，當檢測到車輛發生較大碰撞，或高壓回路中某處接插件存在拔開狀態，或含有高壓的高壓電控元件存在開蓋的情況時，控制器可在5s內將高壓回路直流母線電壓主動泄放到60V以下，迅速釋放危險電能，最大限度保證人員安全。

主動泄放是由電池管理系統控制的，每次切斷高壓系統或者中斷低壓控制線時，都會進行主動放電，主動泄放的控制如圖2-45所示。

圖2-45主動泄放的控制

4.被動泄放

被動泄放是指在含有主動泄放的同時，驅動電機控制器、空調驅動控制器等內部含有高壓的電控產品同時設計有被動泄放回路，可在2?min內將高壓回路直流母線電壓泄放到60?V以下。被動泄放作為主動泄放失效的二重保護。

被動泄放的功能是為了保證即使在已把部件拆卸下來的情況下，也可以把殘余電壓消除掉。

5.碰撞保護

碰撞保護是指當車輛發生碰撞時，動力電池管理器檢測到碰撞保護信號大于一定閾值時，會切斷高壓系統主回路的電氣連接，同時通知驅動電機控制器激活主動泄放，從而將發生碰撞時的短路風險和人員電擊風險降到最低。

6.功能互鎖

功能互鎖是指當車輛在進行充電或插上充電槍時，車輛的高壓電控系統會限制整車不能通過自身驅動系統驅動，以防止可能發生的線束拖拽或安全事故。

7.漏電傳感器

漏電傳感器如圖2-46所示。漏電傳感器的功能是檢測電動汽車直流動力電源母線與其外殼、車身底盤之間的絕緣阻抗。圖2-46漏電傳感器

漏電保護裝置如圖2-47所示，常見的有漏電保護開關、漏電斷路器。其主要功能是在設備發生漏電故障時起到安全保護作用。它具有過載和短路保護功能，可用來保護線路或電動機的過載和短路。漏電保護開關在電動汽車上主要以絕緣電阻監測系統的形式出現(有些車輛為監測高壓用電器殼體與高壓觸頭之間是否漏電而安裝小型的漏電保護裝置)，傳統的漏電保護開關主要安裝在非車載充電系統上。

圖2-47漏電保護裝置

8.維修開關

維修開關如圖2-48所示，其功能是在車輛維修時直接斷開高壓回路，從而保證操作人員安全。圖2-48維修開關

9.預充電保護

預充電(管理)保護是電動汽車中必不可少的重要環節之一，其中電動汽車預充電的主要作用是給電機控制器(即逆變器)的大電容進行充電，以減少接觸器接觸時火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。預充電系統一般都與電池組布置在一起，有些電動汽車也將其與配電箱放在一起。

技能訓練

訓練一認識電動汽車的高壓與低壓系統結構

一、實訓目的(1)能夠正確識別電動汽車高壓部件。(2)能夠說出電動汽車高壓特征。(3)電動汽車高壓部件的組成及作用。

二、實訓準備工作

(1)防護裝備：絕緣防護裝備。

(2)車輛、臺架和總成：純電動汽車以及混合動力汽車。

(3)專用工具和設備：萬用表、放電工具和絕緣膠帶等。

(4)手工工具：絕緣拆裝工具。

(5)輔助材料：無。

三、實訓注意事項

(1)請務必按照各小組的組成單位，合理使用場地絕緣安全護具及測試器具，并嚴格按安全操作規范動作操作，做到安全和正確，并防止造成實操總成及車輛的損壞。

(2)必要時，可協助其他組員完成實訓。

(3)每個小組在規定的20?min內完成實訓。

四、實訓實施步驟

(1)找到動力電池組。

(2)找到高壓控制盒。

(3)找到永磁驅動電機、電機控制器。

(4)找到DC/DC轉換器。

(5)找到空調與暖風系統。

(6)找到車載充電機。

(7)在實訓車輛上學習高電壓車輛高壓特征。

五、實訓總結

(1)總結本次課學生學習表現及在小組合作中的表現。

(2)各小組進行經驗分享。

(3)知識目標檢驗。要求按照任務完成效果進行考評，參見表2-5。

(4)實訓考核。要求按照實訓完成情況進行考核，參見表2-6。

訓練二認識電動汽車的高壓與低壓線路一、實訓目的(1)認識電動汽車高低壓線路。(2)簡要畫出線路原理