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純電動汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文檔作者：沈延張劍鋒冷宏祥文檔來源：上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月27日
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純電動汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)
沈 延 張劍鋒 冷宏祥 (上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804)
【摘要】 詳細(xì)分析純電動汽車可能存在的安全隱患，設(shè)計(jì)的純電動汽車的安全系統(tǒng)包含4大部分：維修
安全、碰撞安全、電氣安全和功能安全，同時(shí)還對每一部分進(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。通過這套安全系統(tǒng)可保證純電
動車在多種異常工況以及充電情況下車輛和相關(guān)人員的安全。
【Abstract】The potential safety failure modes of electric vehicle are analyzed．The safety sys—
tem consists of four parts：maintenance safety，crash safety，electrical safety and function safety．
Meanwhile，each part of safety system is clearly analyzed and elaborated．With the help of this safety
system ，the safety of human and vehicle can be ensured under failure dangerous scenarios and charging
conditions．
【關(guān)鍵詞】純電動汽車安全系統(tǒng)碰撞
doi：10．3969／j．issn．1007-4554．2012．06．02
0 引言
隨著國民生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)日
漸成為人們的生活必需品；隨著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車
帶來的環(huán)境污染及能源短缺問題越來越突出，電
動汽車以其良好的環(huán)保特性和能源替代特性而備
受關(guān)注。如何開發(fā)出安全、經(jīng)濟(jì)且滿足用戶需求
的電動汽車已成為各國政府和汽車行業(yè)研究的新
課題。
汽車安全作為現(xiàn)代汽車技術(shù)研究的3個(gè)重點(diǎn)
方向之一，在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。相比
于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，由于動力系統(tǒng)的特殊性，電動
汽車的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜；如果車輛在充電
及行駛過程中出現(xiàn)碰撞、翻車等事故，可能造成動
力系統(tǒng)的短路、漏電、燃燒、爆炸等，由此對乘員造
成電傷害、化學(xué)傷害、燃燒傷害等。因此在電動汽
車的研究開發(fā)過程中，對電動汽車的安全設(shè)計(jì)進(jìn)
收稿日期：2012—04—13
上海汽車2012．06
行系統(tǒng)的研究具有重要意義。
目前世界各地的汽車企業(yè)和研究組織對電動
汽車安全的研究主要集中在電池等零部件領(lǐng)域，
關(guān)于純電動汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究還處于起步
階段。本文將從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，針對純電動
汽車動力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套適用于使
用鋰電池的電動汽車特有的安全系統(tǒng)，保證車輛
在充電和行駛過程中人員的安全。
1 電動汽車的危險(xiǎn)工況及潛在安全
隱患
相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，在危險(xiǎn)工況下或車
輛發(fā)生故障時(shí)，電動汽車發(fā)生危險(xiǎn)的不同點(diǎn)在于
可能存在的高壓電安全隱患，因此本文主要討論
的是高壓電系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)。
1．1 動力系統(tǒng)高壓短路
當(dāng)電動汽車動力系統(tǒng)的高壓線短路時(shí)，將會
· 7 ·
瑟囂
導(dǎo)致動力電池瞬問大電流放電，此時(shí)動力電池和
高壓線束的溫度迅速升高，將會導(dǎo)致動力電池和
高壓線束的燃燒，嚴(yán)重時(shí)還可能會引起電池爆炸。
若動力電池的高壓母線與車身短路，乘員可
能會觸碰到動力電池的高壓電，從而產(chǎn)生觸電傷
害。
1．2 發(fā)生碰撞或翻車
當(dāng)電動汽車發(fā)生碰撞或翻車時(shí)，可能導(dǎo)致動
力系統(tǒng)高壓短路，此時(shí)動力系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生大量熱
量，存在發(fā)生燃燒甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；此外還可能造
成高壓零部件脫落，對乘員造成觸電傷害。如果
動力電池受到碰撞或因?yàn)槿紵龑?dǎo)致溫度過高，有
可能造成電池電解液的泄露，對乘員造成傷害；發(fā)
生碰撞或翻車還會對乘員造成機(jī)械傷害，這類傷
害可參照傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的機(jī)械傷害來研究。
1．3 涉水或遭遇暴雨
當(dāng)電動汽車遇到涉水、暴雨等工況時(shí)，由于水
汽侵蝕，高壓的正極與負(fù)極之間可能出現(xiàn)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(jīng)車身，可能使乘員遭受觸
電風(fēng)險(xiǎn)。
1．4 充電時(shí)車輛的無意識移動
當(dāng)車輛在充電時(shí)，如果車輛發(fā)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(fēng)險(xiǎn)；若充電電纜斷裂前正在進(jìn)行大電流
充電，還可能造成電池的高壓接觸器粘連，從而進(jìn)
一步增加人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)。
1．5 車輛的扭矩安全
純電動汽車的驅(qū)動是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，
由于電機(jī)既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電
動汽車的前進(jìn)和倒退一般是通過改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)
方向來實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整車控制策略時(shí)應(yīng)當(dāng)
防止電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的突然改變。由于電機(jī)不需要
怠速，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，純電動汽車
一般沒有離合器和變速器。因此在設(shè)計(jì)整車控制
策略時(shí)還應(yīng)當(dāng)防止不期望的車輛移動。
2 純電動汽車安全系統(tǒng)架構(gòu)
本文所討論的鋰電池純電動汽車的結(jié)構(gòu)如圖
· 8 ·
1所示。
駕駛員需求
整車控制器
管管囂理 單兀f} 控制器r目- i
動力Ei
查 I f
] ，
控制器『』壓
PrC)：lI熱器
圖1 純電動汽車結(jié)構(gòu)原理圖
根據(jù)以上分析，電動汽車存在的安全風(fēng)險(xiǎn)包
括：高壓系統(tǒng)短路、高壓系統(tǒng)絕緣故障、高壓系統(tǒng)
脫落、高壓充電風(fēng)險(xiǎn)、扭矩輸出風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)這些風(fēng)
險(xiǎn)本文設(shè)計(jì)如圖2所描述的電動汽車安全系統(tǒng)。
純電動汽車安全系統(tǒng)
維修安全I(xiàn) l碰撞安全f l電氣安全j l功能安全J i 其他
保蔫 護(hù)j ll』 保護(hù)f}1l保囂護(hù)Il l；保簇護(hù)暴 ¨的螢求il鬃策 略lI?～c
圖2 純電動汽車安全系統(tǒng)架構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的純電動汽車安全系統(tǒng)主要由4
部分組成：維修安全、碰撞安全、電氣安全和功能
安全。
3 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
純電動汽車高壓系統(tǒng)的物理連接設(shè)計(jì)如圖3
所示。
3．1 維修安全
維修安全主要包含兩方面：傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車
的維修安全和針對純電動汽車的特殊維修安全。
這里主要討論針對電動汽車的特殊維修安全：高
壓安全。工作人員在對純電動汽車進(jìn)行操作之前
應(yīng)當(dāng)保證不會有觸電風(fēng)險(xiǎn)，為此在系統(tǒng)上應(yīng)進(jìn)行
以下設(shè)計(jì)：動力電池應(yīng)當(dāng)裝有維修開關(guān)(如圖3所
示)，當(dāng)斷開維修開關(guān)時(shí)，動力電池的動力輸出
需立即中斷。在操作上應(yīng)當(dāng)遵從以下流程：在斷
上海汽車2012．06
圖3 純電動汽車高壓系統(tǒng)物理連接示意圖
開電池的動力輸出后，需等待5 min才能接觸高壓
部件。
3．2 碰撞安全
當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車輛的安全系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿
足以下要求：碰撞過程中以及碰撞后都要保證相
關(guān)人員的人身安全。對于純電動汽車來說，除了
傳統(tǒng)汽車的相關(guān)保護(hù)需求之外，還應(yīng)當(dāng)滿足以下
要求：碰撞過程中避免乘員和行人遭受觸電風(fēng)險(xiǎn)，
在保證人員安全的情況下盡量保護(hù)關(guān)鍵零部件不
受損害；碰撞后保證維護(hù)和救援人員沒有觸電風(fēng)
險(xiǎn)。為此設(shè)計(jì)如圖3所示的電路：將慣性開關(guān)串
聯(lián)到高壓接觸器的供電回路中，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)慣
性開關(guān)斷開，從而切斷高壓接觸器的供電電源，此
時(shí)動力蓄電池的高壓輸出便會被斷開，保證了乘
員、行人、維護(hù)和救援人員的高壓安全。
3．3 電氣安全
純電動汽車的電氣安全主要包括以下方面：
防止人員接觸到高壓電、電池能量的合理分配、充
電時(shí)的高壓安全、行駛過程中的高壓安全、碰撞時(shí)
的電氣安全，維修時(shí)的電氣安全等。為保證純電
動汽車的電氣安全，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：
(1)高壓零部件的接插件應(yīng)當(dāng)滿足IP67的要
求?。該設(shè)計(jì)既可防止人員直接接觸到高壓，還
可防水、防塵，減小高壓系統(tǒng)絕緣出現(xiàn)問題的風(fēng)
上海汽車2012．06
險(xiǎn)。
(2)動力蓄電池與外部高壓回路之間應(yīng)當(dāng)有
高壓接觸器(如圖3所示)，以保證在駕駛員無行
駛意圖或充電意圖時(shí)，車輛除電池內(nèi)部之外的高
壓系統(tǒng)是不帶高壓電的。只有當(dāng)駕駛員將車輛鑰
匙打到“Start”檔或?qū)恿π铍姵剡M(jìn)行充電時(shí)，接
觸器才可能會閉合。
(3)高壓系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)充電回路(如圖3
所示)，在動力蓄電池輸出高壓電之前，先通過預(yù)
充電回路對電池外部的高壓系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)
充電回路主要由預(yù)充電阻構(gòu)成。由于高壓零部件
的高壓正、負(fù)極之間設(shè)計(jì)有補(bǔ)償電容，如果沒有預(yù)
充電電阻，那么在高壓回路導(dǎo)通瞬間，補(bǔ)償電容將
會由于瞬間電流過大而燒毀。
(4)絕緣電阻檢測系統(tǒng)。為保證人員免遭觸電
風(fēng)險(xiǎn)，高壓系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行絕緣電阻檢測電路的設(shè)計(jì)，
若絕緣電阻值過小(可參照GB／T 18384)心 ]，整
車控制器應(yīng)當(dāng)發(fā)送接觸器斷開指令。
(5)短路保護(hù)器。當(dāng)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)短路等危
險(xiǎn)情況時(shí)，為保護(hù)乘員和關(guān)鍵零部件，需設(shè)計(jì)如圖
3所示的短路保護(hù)器。如果流過短路保護(hù)器的電
流大于某個(gè)值時(shí)，該保護(hù)器便會被熔斷。
(6)高壓互鎖(HVIL)回路設(shè)計(jì)。本文為純電
動汽車設(shè)計(jì)了3個(gè)高壓互鎖回路：HVIL—A、HVIL一
· 9 ·
B、HVIL— C，分別為放電回路、慢充回路、快充回路
的高壓互鎖。當(dāng)高壓互鎖回路斷開時(shí)(表示某一
高壓部件的低壓或高壓連接斷開)，此時(shí)乘員或維
修人員有可能會接觸到高壓電從而造成觸電傷
害，因此電池管理單元在檢測到斷開信號之后應(yīng)
當(dāng)立即斷開相應(yīng)的高壓接觸器以切斷高壓輸出。
(7)電池能量的合理分配。整車控制器應(yīng)當(dāng)
在電池的充、放電功率限制范圍內(nèi)進(jìn)行動力分配。
如果電池的放電功率大幅度減小時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過儀
表告知駕駛員 。
3．4 功能安全
系統(tǒng)的安全性主要取決于車載控制器對相關(guān)
輸人信號進(jìn)行正確處理。因此功能安全設(shè)計(jì)是控
制策略必不可少的組成部分，對于純電動汽車來
說，子系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系更為緊密。相關(guān)功能
安全的標(biāo)準(zhǔn)可參見參考文獻(xiàn)[5]。本文所設(shè)計(jì)的
功能安全系統(tǒng)包括：扭矩安全管理、充電安全和
EMC。
(1)扭矩安全管理。為防止車輛出現(xiàn)不期望
的運(yùn)動，需要在整車控制器中加入扭矩安全控制
策略。具體扭矩安全策略如下：a)整車控制器硬
件包含兩個(gè)CPU，主CPU包含所有的整車控制功
能，從CPU主要負(fù)責(zé)計(jì)算整車的扭矩需求，如果
主、從GPU分別計(jì)算的扭矩需求的差值大于某個(gè)
標(biāo)定值，則認(rèn)為扭矩輸出存在安全風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)整車
控制器會將車速限制在安全范圍內(nèi)；b)若整車控
制器的需求扭矩與電機(jī)的實(shí)際扭矩的差值大于某
個(gè)標(biāo)定值，則認(rèn)為電機(jī)的扭矩控制存在風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)
整車控制器將會限制電機(jī)的扭矩輸出，若兩者差
值一直過大，則切斷動力蓄電池的動力輸出；c)若
由于某些原因，電機(jī)的可輸出扭矩大幅度減小，則
需通過儀表告知駕駛員 。
(2)充電安全。在充電時(shí)需要防止車輛移動
以及避免快充、慢充、行駛模式之間的沖突，為此
進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：a)只有檔位放在P檔時(shí)才允許充
電；b)在充電過程中，扭矩需求及實(shí)際扭矩輸出都
應(yīng)當(dāng)為0；c)當(dāng)充電槍插上時(shí)，不允許閉合控制高
壓電輸出的接觸器；d)當(dāng)充電回路絕緣電阻小于
標(biāo)準(zhǔn)要求的阻值時(shí) J，應(yīng)當(dāng)停止充電并斷開高壓
· 10 ·
接觸器；e)快充、慢充、行駛模式互斥，若整車有兩
種以上的模式需求，采取先到先響應(yīng)的原則。
(3)EMC設(shè)計(jì)。純電動汽車具有多個(gè)電力電
子部件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)尤其需注意EMC方面的設(shè)
計(jì)，具體可參照參考文獻(xiàn)[5]。
4 結(jié)語
本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以鋰電池純電
動汽車為對象，在對純電動汽車存在的安全隱患
進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套針對純電動
汽車的安全系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)主要包
括4大部分：維修安全、碰撞安全、電氣安全和功
能安全。通過這4大部分安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以
盡量保證車輛在維修、碰撞、充電和行駛過程中車
輛與人員的安全。在某公司純電動車項(xiàng)目上對該
安全系統(tǒng)進(jìn)行了使用和驗(yàn)證，工程樣車階段的結(jié)
果表明使用本文所涉及的安全系統(tǒng)之后，車輛的
安全性得到明顯提高，尚未出現(xiàn)過任何安全問題。
參考文獻(xiàn)
[1] GB 4208-2008．外殼防護(hù)等級(1P代碼)[S]．北京：
中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．
【2] GB／T 18384．1 001．電動汽車安全要求第1部分：
車載儲能裝置[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．
[3] GB／T 18384．2—2O叭．電動汽車安全要求第2部分：
功能安全和故障防護(hù)．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．
[4] GB／T 18384．3—2001．電動汽車安全要求第3部分：
人員觸電防護(hù)[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．
[5] GB／T 18387-2001．電動車輛的電磁場輻射強(qiáng)度的限
值和測量方法寬帶9kHz～30MHz[s]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，
200】．
上海汽車2012．06

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