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新能源汽車的安全之說
汽車安全一直是用戶最關(guān)注的問題，也是汽車電子中時(shí)刻存在的隱患，多么牛的廠家都無法保證根除，只能最大限度防患于未然。最近流行“別報(bào)體”，如果有師弟師妹真得要問，我只能借用“千萬別搞汽車電子，不出問題心驚膽戰(zhàn)，出了問題心跳出來都無濟(jì)于事”，以這篇文章作為《汽車電子瞭望臺(tái)》之新能源汽車的尾聲，一起來看看這個(gè)猙獰的安全問題如何應(yīng)對(duì)。
目前新能源汽車作為各個(gè)車廠前進(jìn)的方向，安全問題比較敏感但又是核心的問題。安全涉及的范圍很廣，下面我們就梳理一下電動(dòng)汽車安全的基本思路。新能源汽車的安全問題是一個(gè)很熱的話題，因?yàn)樗婕坝脩舻娜松戆踩?，幾次起火事件讓大家觸目驚心。如圖1所示，核心的安全問題有:新能源汽車在碰撞之后，車主的安全能夠得到保證?會(huì)不會(huì)發(fā)生次生的危害？電池系統(tǒng)是否會(huì)引起的著火或者觸電？
圖1 內(nèi)燃機(jī)汽車&電動(dòng)汽車碰撞安全對(duì)比
關(guān)于新能源汽車的使用維度，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：
1. 車輛正常使用：車輛使用過程中，分為駕駛和充電兩個(gè)方面。
駕駛：車輛駕駛的時(shí)候，各個(gè)新增加的子系統(tǒng)，如動(dòng)力電池系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、空調(diào)冷卻系統(tǒng)等能符合功能安全的要求，正常工作；符合電氣安全要求，不出出現(xiàn)電氣安全問題。
充電：車輛充電的過程中，交流充電時(shí)內(nèi)部充電機(jī)與直流充電時(shí)內(nèi)部充電控制系統(tǒng)都能保證充電的安全。
2. 運(yùn)輸存儲(chǔ)：車輛在存放和運(yùn)輸過程中，不會(huì)出現(xiàn)安全的問題。
3. 維護(hù)保養(yǎng)：車輛在出現(xiàn)故障的時(shí)候，在專業(yè)的維護(hù)人員在處理維修過程，不會(huì)出現(xiàn)安全問題。
4. 車輛事故：車輛事故中，主要是碰撞和浸水。
車輛碰撞：如前所述，車輛碰撞之后，根據(jù)碰撞的程度，可能出現(xiàn)的狀況較多。當(dāng)代電動(dòng)汽車在一定規(guī)模層級(jí)的時(shí)候，電動(dòng)汽車消防安全與事故救援這樣獨(dú)立問題就凸顯出來了。
車輛浸水：這個(gè)是在中國城市的排水條件下，極端天氣下發(fā)生的狀況，各地均有發(fā)生。
從車輛本身而言，以上的問題，都是一層層轉(zhuǎn)化的，將整車所面臨的安全問題，使用系統(tǒng)工程的方法，將其對(duì)安全性的要求和設(shè)計(jì)，進(jìn)行分解和梳理，落實(shí)在每個(gè)層級(jí)里面，如圖2所示。?
圖2 系統(tǒng)劃分
新能源汽車的電氣安全
如圖3所示，為了滿足用戶要求，有以下幾項(xiàng)規(guī)范：
1. 整車技術(shù)規(guī)范：從整車層面定義安全性要求。由于各國的法律層面，有強(qiáng)制性的安全要求，這一層級(jí)的內(nèi)容，主要定義車輛如何去滿足法規(guī)（SAEJ1766及FMVSS 305）和企業(yè)自身的要求。
2. 推進(jìn)子系統(tǒng)規(guī)范：一般是電機(jī)、逆變器和電池系統(tǒng)，整個(gè)新加入的動(dòng)力系統(tǒng)的子系統(tǒng)規(guī)范，將上一層級(jí)整車的內(nèi)容繼承下來。
3. 電池組規(guī)范：對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行界定，往下細(xì)分有電池單體的要求甚至是內(nèi)部隔膜的要求。
圖3 安全細(xì)分的需求管理
有兩點(diǎn)是可以單獨(dú)拿出來談的，電氣安全和電池安全。前者由于牽涉部件較多，往往在車頭、底盤和車尾都有布置高壓系統(tǒng)；后者是因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)的安全性有其特殊的方面。
電氣安全
電氣安全，對(duì)于各個(gè)車廠而言比較普遍和統(tǒng)一，可以從ISO 6469-3:2001 Electric road vehicles -- Safety specifications -- Part 3: Protection of persons against electric hazards和ISO 6469-4 Proposal：Electrically propelled road vehicles — Safety specifications —Part 4: Post crash requirements 這兩個(gè)規(guī)范來梳理線索，這里分別是對(duì)電動(dòng)汽車的正常條件下的一般要求和碰撞后電氣安全要求。未來這方面有可能在聯(lián)合國層面進(jìn)行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，可以跟蹤UNECE No.100 SPECIFIC REQUIREMENTS FOR THE ELECTRIC POWER TRAIN。
人員觸電防護(hù)：電氣安全的定義是直流電壓大于60V，交流電壓大于30V。
直接與間接接觸
1.防止直接接觸：如圖4所示，高壓部件首先需要防止人員有可能
絕緣電阻要求：觸電的危險(xiǎn)的大小評(píng)估是取決于通過人體的電流值和持續(xù)發(fā)熱時(shí)間。這些無害的身體電流對(duì)應(yīng)的最低絕緣電阻要求100或500歐/V。
耐電壓要求：高電壓系統(tǒng)具有足夠的電介質(zhì)強(qiáng)度，在施加電壓以后不會(huì)產(chǎn)生絕緣擊穿，跳火等現(xiàn)象發(fā)生。主要對(duì)象是線束，總線和連接器。
絕緣防護(hù)
2. 防止間接接觸
電位均衡：在電動(dòng)汽車上，需要把高壓部件的金屬外殼，與車身接地進(jìn)行良好的導(dǎo)電性連接, 以保證電位均衡。
3. 對(duì)應(yīng)的措施：
- 分析所有帶有符合高壓定義的部件，這些部件所屬部分都要滿足標(biāo)準(zhǔn)所定義的絕緣要求。
- 高壓部件，一定要設(shè)計(jì)有遮擋或外殼，防止人員可能接近帶電部分。維修部件的時(shí)候，對(duì)于外殼部分，推薦設(shè)計(jì)開蓋檢測(cè)電路以保證帶電狀態(tài)下的外殼打開有相應(yīng)的動(dòng)作。
- 對(duì)所有高壓部件均粘貼高壓的橙色標(biāo)簽，所有高壓線纜均為橙色或者使用橙色的包線管，作為示警作用。
- 對(duì)所有高壓線纜均予以屏蔽，屏蔽層進(jìn)行良好接地，所有線纜的高壓接頭均采用防止直接接觸的措施。
圖4 直接和間接接觸示意圖
整車碰撞之后的安全問題
整車碰撞后安全要求
1. 防電擊保護(hù)，從防止人員點(diǎn)擊的層面，可以有以下的辦法來解決，整車企業(yè)可以選擇并標(biāo)明用了哪些方法。
- 絕緣電阻：如上所述，如果碰撞后部件的絕緣電阻足夠大，能夠使得人員避免直接接觸。
- 人體保護(hù)：從部件的物理設(shè)計(jì)上進(jìn)行保護(hù)，能夠在碰撞后避免直接接觸和間接接觸。
- 安全電壓：當(dāng)發(fā)生碰撞的時(shí)候，降低總線電壓，使得部件的電壓滿足直流電壓小于60V&交流小于30V。想要滿足這種做法，第一是在電池系統(tǒng)層級(jí)，在碰撞檢測(cè)到以后，自動(dòng)斷開繼電器。
- 低電能：即使處在高電壓的情況，電路回路的能量處于低能量的狀態(tài)下，電路也是安全的。這個(gè)閾值為2.0J 。自動(dòng)斷開并進(jìn)行能量瀉放。
2. 對(duì)應(yīng)的措施
- 自動(dòng)斷開：在危險(xiǎn)情況發(fā)生的時(shí)候發(fā)生的時(shí)候，電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)將電池系統(tǒng)繼電器進(jìn)行斷開。典型的危險(xiǎn)情況為，汽車遭受的碰撞時(shí)，汽車安全氣囊模塊檢測(cè)到的碰撞傳感器動(dòng)作；絕緣故障，主要控制模塊檢測(cè)高電壓絕緣電阻過??；負(fù)載短路，電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到電池系統(tǒng)輸出過流；高壓回路檢測(cè)危險(xiǎn)的時(shí)候，高壓回路斷路的時(shí)候。
- 高壓回路檢測(cè)（HVIL）：使用低壓的電氣信號(hào)，來檢查整個(gè)模塊、導(dǎo)線和連接器的電氣完整性情況。當(dāng)某處連接斷開的時(shí)候，控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)斷開的。
電池系統(tǒng)安全
在這個(gè)系列里面，已經(jīng)談及了電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這里就電池系統(tǒng)的安全來談?wù)劇Ｈ鐖D5所示，從原理上可以對(duì)電池系統(tǒng)的安全原因做個(gè)分解，然后將一項(xiàng)項(xiàng)的過程進(jìn)行分解，這個(gè)過程可以參考功能安全的劃分，從危害分析（所有系統(tǒng)潛在危害、可能起因、最壞情況場(chǎng)景、描述、消除條件和安全目標(biāo)）開始，設(shè)定安全等級(jí)，然后設(shè)定安全概念（Safety Concept），并在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)并定量的一步步細(xì)化。
圖5 電池系統(tǒng)著火
電池系統(tǒng)安全分析
電池單體層級(jí)的測(cè)試：通過對(duì)電池單體層級(jí)的濫用和安全測(cè)試，確定單體的情況。
電池組層級(jí)測(cè)試：通過對(duì)已經(jīng)完成的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)最終的結(jié)果。
電池組最重要的安全措施是電池管理，電池管理系統(tǒng)的安全功能可分為：
- BMS可通過自身功能，對(duì)安全的問題來消除危害的，比如過充、電池系統(tǒng)外部短路等。
- BMS可以通過自身的功能來檢測(cè)出安全問題，并對(duì)此危害進(jìn)行減輕的，比如絕緣失效。
- BMS可以進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)告，但是沒辦法處理的，比如外部熱源引起的電池系統(tǒng)過熱。
整車層次測(cè)試：通過對(duì)車輛碰撞和各種條件下的測(cè)試進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)整車安全性進(jìn)行驗(yàn)證，特別是碰撞之后電池組的情況進(jìn)行確認(rèn)，以Nissan的LEAF為例。
- 設(shè)計(jì)上一般采用能量吸收的框架，來防止電池布置的區(qū)域有形變。
- 位于側(cè)方的車身框架，防止電池組受損。
- 電池模塊內(nèi)的框架包保護(hù)電池
圖6 電池布置的時(shí)候整車結(jié)構(gòu)保護(hù)
其他安全方面還有電磁兼容、充電安全和功能安全方面的，對(duì)于保證一輛電動(dòng)汽車安全的工作，其實(shí)有很多的工作需要進(jìn)行。
參考文件：
1. Li-ion Battery Safety “Systems Integration and Gap Assessment” Bob Galyen Chairman, SAE International Battery Standard Committee President
2. High Voltage Safety for EVs - In use and Post-crash - Naoki Kinoshita HONDA R&D Co., Ltd. Automobile R&D Center
3. Electric Vehicles Safety and the GTR Volker Rothe GM Alternative Propulsion Center
4. EV / HEV Safety NISSAN MOTOR CO., LTD
5. Consideration for Safety Standard of RESS Japan Automobile Standards Internationalization Center (JASIC)
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