從設(shè)計(jì)角度，以高壓電纜為案例重點(diǎn)討論高電壓安全發(fā)展進(jìn)步

前言

電動汽車能量形式區(qū)別于燃油汽車，主要包括和新增化學(xué)能、高壓電能、磁能及相互轉(zhuǎn)化形式。各種能量形式，從電動汽車誕生的哪一天，就已經(jīng)和“安全”捆綁在一起?；瘜W(xué)能的易燃燒、易污染；磁能對人體潛在傷害、對環(huán)境及設(shè)備干擾；尤其是電能高電壓、大電流，直接對人體或設(shè)備構(gòu)成安全威脅。本文從設(shè)計(jì)角度，以高壓電纜為案例，重點(diǎn)討論高電壓安全發(fā)展進(jìn)步。其宗旨，以人為核心的安全，是最根本的需求。

電動汽車和電力系統(tǒng)，此“高壓”非彼“高壓”，對人體都具備強(qiáng)傷害性

1.電力系統(tǒng)對線路和設(shè)備的高壓劃分

把標(biāo)稱電壓1kV及以下的交流電壓等級定義為低壓，把標(biāo)稱電壓1kV以上、330kV以下的交流電壓等級定義為高壓。在新版《電力安全工作規(guī)程》規(guī)定：電壓等級在1000V以下者為低壓設(shè)備。電壓等級在1000V及以上者為高壓設(shè)備。

2.電動汽車高壓，就是B級電壓

?A級電壓：最大工作電壓小于或等于30Va.c.(rms),或等于60V d.c.電壓組件或電路。

?B級電壓：最大工作電壓大于30Va.c.(rms)且小于或等于1000V a.c.(rms)，或大于60V直流（d.c.）且小于或等于1500V直流（d.c.）的電力組件或電路。

3.高壓對人體強(qiáng)傷害性，電流大于50mA流過人體有生命危險

電能對人體的傷害形式，主要有電擊和電灼傷等。在電動汽車“人員”安全方面，這兩種狀態(tài)，都有可能發(fā)生。對于駕駛員、乘員，電傷的成分更大一些，對于維護(hù)人員、故障處置人員，這兩種情況都有可能發(fā)生。

電擊主要是電流通過人體，對人體器官，比如，心臟、肺、神經(jīng)系統(tǒng)造成的傷害，與電壓和電流大小、電流通過人體時間、人體阻抗?fàn)顟B(tài)、環(huán)境濕度狀態(tài)、交流頻率等因素有關(guān)。同時，還與電流流過人體的途徑有關(guān)（流過手與手之間，左手與左腳之間較嚴(yán)重）。人們通過實(shí)驗(yàn)，一般性共識，當(dāng)人體流過工頻（50～60HZ）1mA或直流5mA電流時，人體就會有麻、刺、痛的感覺。當(dāng)人體流過工頻20～50mA或直流80mA電流時，人就會產(chǎn)生麻痹、痙攣、刺痛，血壓升高，呼吸困難，自己不能擺脫電源，就有生命危險。當(dāng)人體流過100mA以上電流時，人就會呼吸困難，心臟停跳。一般來說，10mA以下工頻電流和50mA以下直流電流流過人體時，人能擺脫電源，故危險性不太大。

電灼傷主要是電流的熱效應(yīng)、化學(xué)效用等對人體的傷害。對于電動汽車，高壓電方面，主要是來自于熱效應(yīng)的傷害，比如，短路電弧、過流高溫等熱量對人體外表的傷害。

對于電動汽車、電力系統(tǒng)，高壓、大電流對人體的傷害都是一樣的。

高壓安全的發(fā)展，從標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步開始

標(biāo)準(zhǔn)中約束的要求是電動汽車安全的底線和發(fā)展方向。在我們國家，標(biāo)準(zhǔn)某種意義上是等同于法規(guī)效力的。近幾年，新修訂的國標(biāo)，在某些條款或參數(shù)，都達(dá)到或超過ISO、 SAE等標(biāo)準(zhǔn)。

2015版電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步：

分析：

1、三個新國標(biāo)共有22處增加，31處修改。其中，人員觸電防護(hù)，變更最多，10處增加，11處修改。可以說明一個問題，在電動汽車整車安全標(biāo)準(zhǔn)中，以人為核心的產(chǎn)品安全思路，已上升到新高度。

2、新國標(biāo)修訂后的特點(diǎn)：高壓定義更加清晰和明確；增加了故障緊急響應(yīng)的要求，需要企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)文件等；強(qiáng)調(diào)車輛在行駛中的安全狀態(tài)。

高電壓安全設(shè)計(jì)案例：高壓電纜

1.案例：tesla 使用的champlain電纜，其“專門”的特性在哪里

tesla采用美國Champlain的專門為電動車生產(chǎn)的線纜，其最高可承受600V電壓，并且可在-70～150℃之間工作。

EXRAD XLE 電纜特性指標(biāo)：

Tesla高壓電纜特性與QC/T 關(guān)鍵指標(biāo)對比:

注：工信部批準(zhǔn)發(fā)布了汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1037-2016《道路車輛用高壓電纜》，于2016年9月1日實(shí)施。

分析：QC/T 在某些安全特性方面測試或需求要高于 tesla 現(xiàn)有指標(biāo)

絕緣耐壓測試,QC的火花試驗(yàn),更嚴(yán)酷。

額定溫度在低溫方面,tesla 更勝一籌。

阻燃特性QC明顯高于 tesla 要求。

耐磨特性，QC要高于tesla 特性。

耐化學(xué)溶劑方面，QC 涵蓋品種更多。差異性方面Tesla HOT water(熱鹽溶液 85℃)測試，需要進(jìn)一步分析。

2、高壓電纜因使用環(huán)境位置不同，需要防護(hù)措施設(shè)計(jì)

這一點(diǎn)就是標(biāo)準(zhǔn)中所說，在基本防護(hù)之上增加一層或多層絕緣、遮攔、殼體。在車輛特定位置高壓電纜防護(hù)同樣需要做設(shè)計(jì)。只不過，不全是單一高壓防護(hù)。我們在燃油汽車低壓線束設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)做的已很成熟，例如，在前艙，都知道有發(fā)動機(jī)的高溫、振動等考驗(yàn)，線束增加高溫（150℃）、耐磨護(hù)套等。

下圖是tesla防護(hù)案例：

案例總結(jié)，整車角度的高壓電纜,也是高壓零件之一。更多情況裸露在外。安全問題較為突出。所以，為了增加人們的感官辨識，使用了顯眼的橙色，也是安全色。同時，需要滿足整車及整車中不同使用位置的環(huán)境需求。包括，溫度、耐腐蝕、耐磨等多方面。其最終也是防止破皮發(fā)生高壓危險。

標(biāo)準(zhǔn)中，新增加的“斷電”保護(hù)措施理解

個人認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)中，增加了高電壓安全保護(hù)措施“斷電”要求，是非?？茖W(xué)和智慧的。從表層原理看進(jìn)去，其實(shí)，是很復(fù)雜的要求。如果能做到斷的正確、斷的及時、斷的安全、緊急斷電，并不是一件容易的事。斷電，不全是硬件繼電器的可靠性執(zhí)行，更重要的是，軟件的邏輯正確，故障診斷到位等

“斷”的正確：主要從軟件指令傳輸入手，對通信方式、策略設(shè)計(jì)、EMC等方面，采取保護(hù)措施。

“斷”的及時： 是響應(yīng)快的需求。標(biāo)準(zhǔn)中要求，從“可行駛模式”到驅(qū)動系統(tǒng)電源切斷狀態(tài)只需要一個動作。一方面，強(qiáng)調(diào)整車層面，發(fā)出斷電指令的一個步驟即可；另一個層面，繼電器可以在幾秒之內(nèi)或更短時間，切斷電源。做到及時。

“斷”的安全：從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，需要在設(shè)定的時間內(nèi)，回路狀態(tài)滿足條件之一“交流電路電壓應(yīng)降低到30Va.c,直流電路電壓應(yīng)降到60Vd.c或以下；電路存儲的總能量小于0.2J。”再行切斷供電。主體是確保繼電器不帶載斷電。確保硬件安全。最終起到故障態(tài)的防護(hù)作用。

緊急（救援）斷電：其實(shí)就是在非常狀態(tài)，無法通過上述狀態(tài)斷開高電壓時，采取的破壞性非恢復(fù)的斷電行為。如下圖為tesla的緊急響應(yīng)保護(hù)措施：

前備箱緊急響應(yīng)程序切斷回路：由2根低壓電線組成。切斷此回路會關(guān)閉高壓電池外的高壓系統(tǒng)。并且需要切斷兩次，避免意外重連的風(fēng)險。

高電壓回路其它安全措施

高電壓回路安全在設(shè)計(jì)中，主要有硬件功能方面，如，絕緣檢測、HVIL互鎖電路、安全連接；軟件方面有故障診斷、報警、冗余設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)防護(hù)方面有護(hù)套、護(hù)板等。

小結(jié)

電動汽車安全，高電壓安全是最突出和被人們關(guān)注的功能。每當(dāng)新能源汽車發(fā)生事故，人們潛意識關(guān)心的是人員被傷害的形式，電傷？燒傷？事件本身，就是對設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)和壓力。所以，在對人員的保護(hù)方面，更需要技術(shù)不斷取得進(jìn)步。同時樹立以人為本的安全設(shè)計(jì)，才是核心設(shè)計(jì)的理念。