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动力电池是关键 全面解析电动汽车安全问题

朱玉龙

【第一电动网】(特约作者 朱玉龙)这篇文章,主要是想介绍电动汽车的安全方面的内容,来勾勒出各家车厂和潜在车厂进入这个领域之内可以做的多好。新能源汽车,作为各个车厂前进的方向,安全问题是一个比较敏感又是核心的问题。安全涉及的范围又很广,这篇文章的目的是梳理出一个电动汽车安全的基本思路出来。

第一部分 电动汽车安全的分类

叙述电动汽车的安全,可以分几个维度考虑问题,从车辆的使用情况分类。

1. 车辆正常使用:车辆使用过程中,分为驾驶和充电两个方面。

1.1. 驾驶:车辆驾驶的时候,在高速、低速和中速各种驾驶条件下,各个新增加的子系统,如动力电池系统、推进系统、空调冷却系统等能符合功能安全的要求,正常工作。符合电气安全要求,不出现电气安全问题。这个状态可以更细致的分为加速、转弯、滑行和刹车的情况。

1.2. 充电:车辆充电的过程中,交流充电时内部充电机与直流充电时内部充电控制系统都能保证充电的安全。

2. 运输存储:车辆在长期/短期存放和运输过程中,不会出现安全的问题。

3. 维护保养:车辆在出现故障的时候,在专业的维护人员在处理维修过程,不会出现安全问题。

4. 车辆事故:车辆事故中,主要是碰撞和浸水。

4.1. 车辆碰撞:如前所述,车辆碰撞之后,根据碰撞的程度,可能出现的状况较多。当代电动汽车在一定规模层级的时候,电动汽车消防安全与事故救援这样独立问题就凸显出来了。

4.2. 车辆浸水:这个是在中国城市的排水条件下,极端天气下发生的状况,各地均有发生。

4.3 车辆火烧:在连续道路事故情况下,泄漏的汽油导致的连锁反应。

5.车辆滥用:某些车辆在极端的条件下滥用,不会造成恶劣的安全问题。

开放给消费者购买&使用的车辆,默认都要考虑以下各种条件

动力电池是关键 全面解析电动汽车安全问题

图1 安全状态分类

简单来说,把新能源汽车和现有车辆进行对比,能够把电动汽车面临的安全问题独特的部分进行分析。

1)电池安全:电动汽车的特殊安全性几乎全部与动力电池有关,对动力电池单体、模块以及系统的要求,电动汽车发生碰撞等意外后可能出现新的安全问题,对电动汽车整车提出碰撞后安全要求 。

高能量的动力电池起火爆炸的可能

含有化学液体的动力电池对乘员及第三方的潜在伤害

大质量的动力电池对乘员及第三方的潜在伤害

2)电安全

高电压的动力系统直接接触、间接接触造成的电击伤害

充电系统直接接触、间接接触造成的电击伤害

3)功能安全:由电驱动系统组成的电动汽车有别于传统汽车对电动汽车整车提出安全要求。

动力系统与传统车的显著区别对车辆功能安全提出新要求

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第二部分 安全相关的法规

目前的标准情况,与电动汽车安全有关的如下所示。这些法规,相当一大部分已经被列入车辆必须通过的安全规范之中。

1)中国现有标准:

GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求 — 车载储能系统 现行有效

GB/T 18384.2-2015 电动汽车安全要求 — 功能安全与故障防护 现行有效

GB/T 18384.3-2015 电动汽车安全要求 — 人员触电防护 现行有效

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 现行有效

GB/T 31484-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法现行有效

GB/T 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法现行有效

GB/T 31498-2015 电动汽车碰撞后安全要求现行有效

GB/T 19751-2005 混合动力汽车安全要求 现行有效

GB/T 24549-2009 燃料电池汽车安全要求 现行有效

这是几份标准的大纲:

电动汽车一般安全要求主要包括三个层次:

动力电池系统与整车的关系 GB/T 18384.1-2015

标记

对动力电池的要求

绝缘电阻 直流母线最小值应为100Ω/V;交流母线最小值应为500Ω/V

爬电距离

充电及使用过程有害气体要求

过电流保护

功能安全与故障防护 GB/T 18384.2-2015

操作安全 驱动程序、行驶、倒车、停车、主开关要求

故障防护

用户手册

人员触电防护 GB/T 18384.3-2015

防止直接接触

绝缘电阻要求

耐电压要求

绝缘防护

防止间接接触

电位均衡

车辆防水要求

模拟暴雨、清洗及涉水要求

整车碰撞后安全要求 GB/T 31498-2015

防电击保护 Requirements for Safety Assurance:For each separate circuit, at least one of four options shall be met.Auto-manufacturer have to declare which option to use.

绝缘电阻Isolation resistance =》绝缘电阻+避免直接接触保护

Concept:If the body current when a person touches high voltage bus is sufficiently low, the circuit is not harmful.

人体保护Physical protection =》物理保护(避免直接接触和间接接触)

Concept:If direct contact protection and indirect protection is maintained after crash, the circuit is no harmful.

安全电压Low voltage =》降低高电压直流<=60V 交流<=30V

Concept:If the voltages are sufficiently low, the circuit is not harmful.

低电能Low energy =》低能量<= 2.0J

Concept:Even if the voltages are higher than 60VDC or 30VAC, the circuit is not harmful when the stored energy is sufficiently low.

电解液的泄漏要求

无可见电解液进入乘客舱

乘客舱之外的泄漏电解液<=7%和<=5L

电池要求

车载能源应保持在安装位置

车载能源任何部件应保持在边界内

碰撞中和碰撞后不能有车载能源的任何部件进入乘客舱

REESS系统在一定时间内不得起火、爆炸

2)国外现有的标准

ISO 6469-1:2009 Electrically propelled road vehicles -- Safety specifications-- Part 1: On-board rechargeable energy storage system (RESS)

ISO 6469-2:2009 Electrically propelled road vehicles -- Safety specifications-- Part 2: Vehicle operational safety means and protection against failures

ISO 6469-3:2011 Electric road vehicles -- Safety specifications -- Part 3:Protection of persons against electric hazards

ISO 6469-4 Proposal:Electrically propelled road vehicles — Safety specifications—Part 4: Post crash requirements

EN1987-1-2-3 Same as ISO6469-1-2-3

ECE R100 Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train

ECE R12/94/95 传统汽车转向机构、前碰、后碰法规补充了电动汽车的相关内容

Attachments 111 Technical standard for protection of occupants against high voltage after collision in electric vehicles and hybrid electric vehicles

FMVSS 305 Electric Powered Vehicles, Electrolyte Spillage and Electrical Shock Protection

SAE J1766 Recommended practice for electric and hybrid electric vehicle battery systems crash integrity testing

SAE J 2344 Guidelines for Electric Vehicle Safety

这些法规,都是通过行业协会的方式,收集各个车厂在前期开发过程中的数据,汇总而成对整个行业基础的要求。

从各个车厂开发而言,所有的对车辆的安全法规,都是从上层一级级进行转化的,将整车所面临的安全问题,使用系统工程的方法,将其对安全性的要求和设计,进行分解和梳理,落实在每个层级里面。然后用各个设计的层面,结构设计、电气设计、热设计、系统监测和诊断,开发算法来实现整个车辆的安全要求。如图2所示,在各个车厂对于电池挤压试验中,戴姆勒花了不少的车辆进行碰撞获取实验数据。

动力电池是关键 全面解析电动汽车安全问题

动力电池是关键 全面解析电动汽车安全问题

图2 UNECER100 背后的数据支撑

如图3所示,所以最终为了满足要求,会有以下的内容:

1. 整车技术规范:从整车层面定义安全性要求。由于各国的法律层面,有强制性的安全要求,这一层级的内容,主要定义车辆如何去满足法规(SAEJ1766及FMVSS 305)和企业自身的要求。

2. 推进子系统规范:一般是电机、逆变器和电池系统,整个新加入的动力系统的子系统规范,将上一层级整车的内容继承下来。

3. 电池组规范:对电池系统进行界定,往下细分有电池单体的要求甚至是内部隔膜的要求。

4. 部件规范:对电池单体、BMS等部件单元进行安全功能的定义要求。

到了这样的划分,可以把安全的要求一级级分配下去,也可以按照要求一级级进行测试验证,以确认整个系统是安全的。

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图3 车辆的安全要求的分级

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第三部分 电气安全的措施概览

这里将电气安全单独拉出来做一个例子,各个车厂而言对电气安全的要求比较普遍和统一,可以从ISO 6469-3:2011和ISO 6469-4 这两个规范来梳理线索,这里分别是对电动汽车的正常条件下的一般要求和碰撞后电气安全要求。未来这方面有可能在联合国层面进行统一和协调,可以跟踪UNECE No.100 ,人员触电防护:电气安全的定义是直流电压大于60V,交流电压大于30V。

1. 防止直接接触:如图4所示,高压部件首先需要防止人员有可能

1.1. 绝缘电阻要求:触电的危险的大小评估是取决于通过人体的电流值和持续发热时间。这些无害的身体电流对应的最低绝缘电阻要求100或500欧/V。

1.2. 耐电压要求:高电压系统具有足够的电介质强度,在施加电压以后不会产生绝缘击穿,跳火等现象发生。主要对象是线束,总线和连接器。

1.3. 绝缘防护

2. 防止间接接触

2.1. 电位均衡:在电动汽车上,需要把高压部件的金属外壳,与车身接地进行良好的导电性连接, 以保证电位均衡。

3. 对应的措施:

3.1分析所有带有符合高压定义的部件,这些部件所属部分都要满足绝缘要求。

3.2. 高压部件,要设计有遮挡或外壳,防止人员接近带电部分。对于外壳,设计开盖检测电路。

3.3. 所有高压部件均粘贴标签,所有高压线缆均为橙色,作为示警作用。

3.4. 所有高压线缆均予以屏蔽,屏蔽层进行良好接地,所有线缆的高压接头均采用防止直接接触的措施。

整车碰撞后安全要求

4. 防电击保护,从防止人员点击的层面,可以有以下的办法来解决,整车企业可以选择并标明用了哪些方法。

4.1. 绝缘电阻:如上所述,如果碰撞后部件的绝缘电阻足够大,能够使得人员避免直接接触。

4.2. 人体保护:从部件的物理设计上进行保护,能够在碰撞后避免直接接触和间接接触。

4.3. 安全电压:当发生碰撞的时候,降低总线电压,使得部件的电压满足直流电压小于60V&交流小于30V。想要满足这种做法,第一是在电池系统层级,在碰撞检测到以后,自动断开继电器。

4.4. 低电能:即使处在高电压的情况,电路回路的能量处于低能量的状态下,电路也是安全的。这个阈值为2.0J 。自动断开并进行能量泻放。

5. 对应的措施

5.1 自动断开:在危险情况发生的时候发生的时候,电动汽车控制系统将电池系统继电器进行断开。典型的危险情况为,汽车遭受的碰撞时,汽车安全气囊模块检测到的碰撞传感器动作;绝缘故障,主要控制模块检测高电压绝缘电阻过小;负载短路,电池管理系统检测到电池系统输出过流;高压回路检测危险的时候,高压回路断路的时候。

5.2. 高压回路检测(HVIL):使用低压的电气信号,来检查整个模块、导线和连接器的电气完整性情况。当某处连接断开的时候,控制系统进行自动断开的。

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第四部分 系统鲁棒性

在ZERI的网站上,有个参考图,是解释车辆鲁棒性的。从汽车电子模块,到各个不同类型的系统工作,再到车。有时候安全问题,就隐藏在这些我们认为寻常不会出问题的地方。我们需要从EMC、电气试验、接地&屏蔽、环境试验和维护等方面去考虑系统的鲁棒性和安全性。

第一电动网新闻图片

第一电动网新闻图片

图4 ZERI的鲁棒性试验

我曾经准备了一篇文章,正赶上点火门,不敢写下去了。拿一些当时的数据来说明,后面点火门继续出来,整个数据全部崩坏了。这是当时整理的:2014年刚开始,汽车行业就安全&召回的事情,就出现了轩然大波。这件事情,其实是偶然也是必然的。在这里首先回顾一下2014年各家整车企业召回此起彼伏的整个过程。

4月11日,宝马宣布召回全球总计约489,000辆汽车,以修复潜在的发动机可变气门正时机构(VANOS)外壳上的固定螺栓缺陷。

4月07日,福特汽车周一宣布发起两项召回活动,将召回近43.5万辆轿车和SUV(多功能运动型车),以修复副车架生锈和座椅故障问题。

4月02日,克莱斯勒集团宣布将在全球范围召回近87万辆汽车,相关车辆的制动助力器存在生锈隐患,可能导致事故发生。

4月09日,大众汽车官方宣布,召回其在美国及加拿大生产的160,351辆帕萨特轿车,召回原因是前大灯中的近光灯可能在特殊情况下失灵。

3月31日,通用汽车宣布在全球范围内召回151万辆汽车,原因是车辆的电子助力转向系统EPS存在缺陷,可能造成动力损失。

3月26日,日产汽车将在全球召回1,053,479辆车,处理可能造成前排乘客座位安全气囊失效的软件问题。

3月13日,本田将在美国市场召回近90万辆奥德赛MPV,原因是这些车辆的油箱存在漏油隐患,可能导致起火事故。

召回原因的分析:召回的缘由是多种多样的,根据近期的统计,对召回原因做一个简单的分类,主要是集中在动力总成和安全系统方面的。

动力总成:引擎起火(Engine Fires) 通用汽车2010年和福特2013;点火开关 (Ignition Switch) 通用汽车 2014 ;失去动力(Sudden Loss of Power);巡航控制 Sticky Cruise Control;螺栓(VANOS)宝马2014

底盘:后悬挂(Rear Suspension Issues);动力转向(Power Steering Failure&,Faulty Steering,Steering Defect,Faulty Power Steering);轮胎(Faulty Tires) 。

电气:电气开关(Electric Switch Fires);头等故障(Headlight Failure)。

安全系统:安全气囊(Airbags Randomly Deploy,Air Bag Issues)

由于汽车技术的发展,在NHTSH的《The safety Promise and challenge of Automotive electronics》中指出,由电子控制系统引起的安全问题是相对很突出的。有一个很有趣的现象,所罗列的领域,大多数是中国国内汽车零配件企业没办法进入的。接下来,我想谈谈目前的影响。对个人客户来说,买到安全可靠的车型才是关键。召回的过程,也会带动整个汽车产业往更高的质量和安全性发展。对汽车产业的影响,整个召回影响是很大的。

首先,召回直接带来的影响是成本的上升,公司的利润和品牌的影响力的下降,最典型的莫过于2009年对于丰田,今年通用汽车的报表也会受到很大的影响。

其次,目前的召回状况,对每一个厂家都是一种考验。越来越多的安全功能和越来越复杂的系统,在激烈的竞争条件下,改款和新款车型的开发速度,都给汽车厂商带来很大的压力。

最后,短期来看召回和保修的成本,将成为汽车OEM企业的一项重要支出;长期来看,引起的诉讼费用,也是很大一笔开支。

本文小结:

1)新能源汽车的系统复杂度其实不低的,本身各家在这块领域投入的时间也不长,有许多内容值得我们去努力。

2)汽车安全这个事情,更多的还是社会责任感的问题,当时点火门一出来,以为会怎么样,后面企业该召回召回,该偿付就偿付,汽车企业的责任和产品是联系在一起的。

3)虽然在传统汽车行业的我们做事情很慢,但很多事情快起来没有意义。

作者:朱玉龙

本文地址:https://www.d1ev.com/news/shichang/39422

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