高壓器件安全技術(shù)及措施解析

發(fā)展以來，大家十分關(guān)心的問題就是其安全性高不高？各地組織的高峰論壇，都要涉及到電池安全的討論。鋰離子動力電池安不安全？電動到底安不安全？許多專家演講時(shí)，對2015-2016年兩年來的電動汽車尤其公交客車的出現(xiàn)安全實(shí)例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，既有特斯拉的，也有國內(nèi)廠家的電動汽車著火事件。這些事件是真實(shí)的，于是一些專家給出的結(jié)論是，中國的電動汽車是不安全的，主要原因是鋰離子電池不安全的。筆者的觀點(diǎn)是，安全措施到位，電動汽車是安全的，否則是不安全。

此文是基于電動汽車是在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)之上的，下面的討論也是基于傳統(tǒng)措施已經(jīng)能保障其安全的前提下，來討論電動汽車的及措施。

一、鋰離子電池是安全的、是綠色的依據(jù)是什么？

鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一，被業(yè)界稱為“鋰電之父”的，目前為美國德州大學(xué)奧斯汀分校，機(jī)械工程系教授，著名固體物理學(xué)家，今年94歲高齡的John B. Goodenough(約翰·班寧斯特·古迪納夫)說“未來幾年電池會取得重大的改進(jìn)，包括電池安全性，價(jià)格，能量密度，使用壽命，充放電速度等。

筆者理解，未來幾年鋰離子電池會越來越安全。目前說鋰離子電池是安全的、是綠色的主要依據(jù)是：

(1)鋰離子電池與汽(柴)油、與天然氣相比，在自然(常態(tài))條件下，不會自燃，沒有泄露。

(2)與鉛酸電池相比，在自然(常態(tài))條件下，對空氣、對土壤沒有污染。

一些專家再三強(qiáng)調(diào)，鋰離子電池也不是安全的、不是綠色的。說的是超出了”自然(常態(tài))條件“的情形下可能會發(fā)生的事件。比如說，電池質(zhì)量差、受到外力打擊、充(放)電過渡等極端情景。

二、中國電動汽車是安全的、是環(huán)保的主要依據(jù)是什么？

(1)中國電動汽車(新能源汽車)規(guī)定必須使用鋰離子電池，不得使用鉛酸電池。普通人對鉛酸電池不環(huán)保已經(jīng)了解和認(rèn)識。

(2)中國電動汽車(新能源汽車)規(guī)定必須是”純電驅(qū)動“模式。鋰離子電池是具有劃時(shí)代意義的科學(xué)發(fā)明。中國純電動汽車使用的動力的類別與世界科學(xué)技術(shù)進(jìn)步是同步的。

(3)電動汽車生產(chǎn)廠家采購的鋰離子的動力電池，其生產(chǎn)廠家都是政府許可的廠家，其產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是有政府背書的，政府對動力電池廠家是嚴(yán)格管控的。

(4)中國電動汽車采用的是鋰離子動力電池，其安全性、環(huán)保性，這是相對燃油(燃?xì)?汽車而言的。

三、中國動力電池包產(chǎn)品質(zhì)量(安全性)進(jìn)步日新月異的

5年前，電動汽車生產(chǎn)是小批量的，整車生產(chǎn)技術(shù)不成熟，側(cè)重于對工程應(yīng)用方案的驗(yàn)證，處于市場驗(yàn)證階段的。從圖1看出，電池包的線束集成比較簡單，導(dǎo)線將極柱測量點(diǎn)延長至，再由接插件與LECU連接。線束長、接插點(diǎn)。存在采樣線束凌亂，線束磨損短路將有電芯短路的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 五年前的動力電池包

5年后，電動汽車生產(chǎn)開始上批量了，整車生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，側(cè)重于市場放量階段。部件模塊化程度已經(jīng)很高了。主要由Module、BMU、PDU、水冷系統(tǒng)、MSD、結(jié)構(gòu)件、高低壓線束組成，采用了電路板代替部分采樣線。

圖2 五年后的動力電池包

四、中國純電動汽車主要高壓器件質(zhì)量(安全)技術(shù)介紹

下面是純電動汽車高壓系統(tǒng)，從原理圖上，主要高壓器件有電池包、高壓盒、電機(jī)、DC/DC、A/C等5種高壓器件。從工程上講，高壓器件的質(zhì)量以及彼此聯(lián)接件質(zhì)量做到位了，電動汽車的安全就能得到保障。安全指標(biāo)持續(xù)提升是永恒的課題，具體問題，再具體探討。

圖3 純電動汽車高壓系統(tǒng)原理圖

電動汽車通常配備有300V以上和可達(dá)200A以上的系統(tǒng)。這與傳統(tǒng)汽車只配有12/24V的電源系統(tǒng)，其安全等級是完全不一樣的。電動汽車的這種高電壓和大電流的，可能危及高壓零部件的使用安全性和人身安全。從工程上講，必須把安全措施做到位，下面分別予以介紹：

(1)高壓配電盒安全技術(shù)

圖4 高壓配電盒外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

有企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)的人都知道，每一個(gè)工廠都有一個(gè)配電房。一輛汽車比作一個(gè)工廠，高壓配電盒(見圖4)就是工廠的配電房。電動汽車高壓箱(PDU)的功能是動力電池與各高壓設(shè)備的電源和信號傳遞的橋梁，并隨時(shí)檢測整個(gè)高壓系統(tǒng)的絕緣故障、斷路故障、接地故障及高壓故障等，是整車系統(tǒng)動力電能安全傳輸?shù)谋Ｕ闲源胧?/p>

純電動汽車高壓配電盒里面有銅排、斷路器、空開、接觸器、軟啟、變頻器、變壓器、接觸器、高壓繼電器、熔斷器、器、互感器、電流表、、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。

a)設(shè)計(jì)高壓配電盒的基本目的：確保汽車運(yùn)行安全、駕乘人員安全和汽車運(yùn)行環(huán)境安全。

b)設(shè)計(jì)高壓配電盒的必要性：動力電池作為電動汽車的能量存儲裝置，受到整車尺寸小，可用空間非常有限、且布置困難的影響，于是工程上，將各的接觸器及保險(xiǎn)絲等集成起來，一方面能滿足整車動力驅(qū)動要求，二是便利動力電池系統(tǒng)的維修，減少不用拆卸動力電池包。

c)高壓配電盒設(shè)計(jì)要求：器件布置緊湊、易于拆卸和裝配

d)安全措施是，注重散熱布置，嚴(yán)防溫度聚焦升高。

與高壓配電盒相連接的高壓部件包括：動力電池、器、變頻器、、電動空調(diào)、電動除霜、座等。目前一般采用鑄鋁和接插件，達(dá)到IP67水平。后續(xù)的發(fā)展趨勢是，朝體積小、輕量化、智能化方向發(fā)展。

(2)高壓連接器及高壓線束線安全措施

傳統(tǒng)連接器設(shè)備已經(jīng)難以滿足其大電流、高電壓的要求，電動必須是大功率連接產(chǎn)品。如果不符合要求，電動汽車發(fā)生火災(zāi)事故的必然的。電動汽車連接器必須是汽車級的產(chǎn)品，工業(yè)級的產(chǎn)品是不符合要求。主要指標(biāo)有IP等級、絕緣等級、低電阻性、防錯(cuò)性、鎖止功能。

圖5不同規(guī)格的高壓連接器

線束是指由銅材沖制而成的接觸件端子(連接器)與電線(電纜)壓接后，外面包裹塑壓絕緣體或外加金屬殼體等，對線束進(jìn)行捆扎形成連接電路的組件。從功能上來分，有運(yùn)載驅(qū)動執(zhí)行元件(作動器)電力的和傳遞輸入指令的信號線二種。電力線上分為低壓線束(見圖5)和高壓線束(見圖7)二種。

圖5 汽車低壓線束

高壓線束是電動汽車?yán)锩娴倪B接器與連接器之間的線纜，是支持整個(gè)汽車安全運(yùn)行的、非常關(guān)鍵的連接件。一是要求屏蔽、有IP等級、防過熱或燃燒，汽車使用是環(huán)境是惡劣的，如果不符合要求，是最容易出現(xiàn)自燃的部件。

圖6汽車高壓線束

五、ISO26262國際標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)下，中國電動汽車會愈來愈安全

ISO26262定位在汽車行業(yè)中特定的電氣器件、設(shè)備、電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262為汽車安全提供了一個(gè)生命周期(管理、開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)、報(bào)廢)理念，并在這些生命周期階段中提供必要的支持。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋功能性安全方面的整體開發(fā)過程(包括需求規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施、集成、驗(yàn)證、確認(rèn)和配置)。

隨著中國新能源汽車發(fā)展，廠家的技術(shù)水平越來越高，通過積極貫徹ISO26262國際標(biāo)準(zhǔn)，中國新能源汽車安全的生態(tài)圈必將形成，人們對電動汽車安全的憂慮也會慢慢消除的。