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電池系統安全標準參考

電池系統安全
基于市場上出現的電動汽車泡水、碰撞、底盤劃傷后的起火事件,電池系統安全從系
統設計(機械安全、熱安全、電氣安全)、安全測試、生產三階段展開,保證電池系統的
安全。
4.2.1 機械安全
電池系統應具備足夠的機械強度,保證在整車正常使用的生命周期內不會因振動、機
械沖擊等工況引發安全風險。
4.2.1.1基于正碰、側碰、側柱碰、底碰、石擊的電池及整車安全設計
針對于整車碰撞衍生出電池系統碰撞、擠壓工況,需要結合整車設計及電池系統安裝
位置有針對性的進行結構設計保證電池系統的機械安全。
電池系統的結構強度應至少滿足《GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池
包和系統第 3部分:安全性要求與測試方法》中電池系統模擬碰撞的標準要求或整車企業
的標準要求。
4.2.1.1.1電池系統碰撞安全設計
(1)應分析碰撞過程中電池箱體及其內部結構(電池模組、高低壓線束)產生的最
大變形情況,并結合電池模組允許的最大變形量來判斷碰撞過程中的安全風險;
(2)應具有吸能效果的結構設計,設計時應考慮相應材料的塑性要求;
(3)應具有合理的內部加強筋設計,提高整體結構強度;
(4)考慮電連接件的可靠性,避免碰撞過程中發生短路風險;
(5)提高熱管理系統結構強度,增加防護設計,避免碰撞過程中冷卻液泄露風險。
4.2.1.1.2電池系統擠壓安全設計
(1)電池系統設計滿足相應的剛度、強度要求:如外圍采用防撞梁結構;
(2)合理的電池系統內部安全距離設計;
(3)合理的熱管理系統布置:建議液冷系統水管布置避開易碰撞側;
(4)合理的電氣系統布置:電池系統內的高低壓線束的走線路徑應盡量與電池系統
的非變形區域結構相連接,同時應加強絕緣防護及線束固定。
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4.2.1.1.3電池系統防石擊安全設計
(1)合理的底部裝甲或防護板設計;
(2)箱體接插件端防護較薄弱,且易受沙石沖擊,建議增加防護板遮擋。
4.2.1.2振動可靠性安全設計
振動是對結構件耐久性的考驗,區別于傳統車,電池系統激勵源產生主要是由于汽車
在行駛過程中,路面的不平整造成的,路面的激勵頻率大部分都是集中在低頻端,電池系
統在設計過程中主要宗旨是提高電池系統的整體固有頻率。
電池系統的結構強度應至少滿足《GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池
包和系統 第 3 部分:安全性要求與測試方法》中電池系統振動可靠性的標準要求或整車
企業的標準要求。
(1)提高電池系統整體固有頻率:
·提高電池系統剛度:如增加車體安裝點,優化固定梁結構設計;
·減少電池系統的重量:輕量化的結構設計及材料選擇;
(2)疲勞強度高的材料選擇;
(3)提高電池系統強度:避免質量過度集中,在質量集中位置增強結構設計;固定
梁焊接要求、結構緊固件的選型及固定扭矩設計均應符合設計規范要求。
4.2.1.3全生命周期高防護等級安全設計
安裝在車身外部的電池系統應具備 IP67 或以上的防護等級,并應定期維護檢測以避
免整個生命周期內防護等級在使用過程造成降低。
4.2.1.3.1電池系統接觸防護
(1)集成式 BDU,并具備外殼防護設計;
(2)模組級別正負極位置防護設計;
(3)高壓連接器防護:
·連接器插座與插頭中接觸件都需與保護外殼做相互絕緣處理,保證外殼絕緣不帶電,
保證操作人員的安全。
·在電池系統高壓連接器防護設計時,最常選擇使用的是 IPXXB/IPXXD的防護等級。
4.2.1.3.2電池系統防水防塵
(1)電池系統箱體防護要求:
·電池箱體防護在全生命周期等級達到 IP67等級;
·電池箱體密封墊設計時,考慮其吸水率、壓縮率、及阻燃特性;
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(2)防水透氣閥:與箱體配合處防護在全生命周期等級達到 IP67等級;
(3)電氣接口防護要求:
連接器插座與插頭連接端處于箱體外部,此端須保證插座與插頭接觸良好、過流、過
壓持續、穩定、拆卸方便,同時有插座端口保護蓋設計。有以下內容需保證:
·連接器插座與箱體配合處的防護等級須達到 IP67 等級;
·連接器插座與插頭連接后的防護等級須達到 IP67 等級;
·連接器插座端口在未插合存放倉庫時,保護蓋須防塵防潮且能滿足經過長途運輸震
動后保護蓋不會掉落。
4.2.1.3.3電池系統防爆防護
電池系統應具備有效的泄壓裝置,可以快速平衡內外部氣壓變化,防止因內部氣壓過
高造成殼體變形引起的防護等級降低或失效。
泄壓裝置安裝的位置和方向應避免對乘員艙或車輛周邊人員造成人身傷害,且應避免
引燃整車。
4.2.1.3.4電池系統防腐防護
在全生命周期內防腐的要求,要根據電池系統使用壽命要求和使用區域環境要求來確
定電池系統的防腐等級。
4.2.2熱安全
通過熱管理系統對電池系統進行加熱、散熱、均衡、保溫;電池系統內部要有防止熱
擴散的結構設計;關鍵部件的阻燃設計;來確保電池系統的熱安全。
4.2.2.1可靠熱管理系統設計
根據鋰離子電池結構及工作原理可知,無論在高溫或是低溫,都有引發電池熱失控的
風險,而電池熱管理系統的設計目標就是結合 BMS控制策略和調整功能,控制電芯工作在
舒適溫度范圍內、并降低電芯之間的溫差實現性能均衡,從而保證系統熱安全并延長系統
壽命。要實現以上目標,需從冷卻、加熱、保溫三個方面進行設計,同時還需保證整個系
統的氣密安全,不允許發生冷卻液泄露。需關注低溫冷卻管路可能引發的冷凝水,避免因
此而導致的絕緣、短路安全隱患。
(1)冷卻
a.根據指定的嚴苛工況下的系統發熱量確定電池包散熱形式及控制邊界,保證電池最
高溫度不超過允許使用溫度,且大多數時間能在舒適溫度范圍工作。
b.建議正常工況下電池系統內部采集的溫度點之間的最大溫差不超過 5℃,極限工況
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下最大溫差不超過 10℃,且能滿足極限工況的連續運行(例如持續高速工況加快充)。
c.為適應不同工況,散熱系統可按有無 chiller以及風扇擋位分為多種回路:
·風冷散熱系統中,能夠對風扇狀態進行檢測并判定是否工作正常;當風扇或冷卻系
統其它部件出現故障時能及時報警并采取保護措施(如限制充放電功率等);
·液冷系統中,能夠對壓縮機、水泵等部件進行檢測并判定是否工作正常;當冷卻系
統出現故障時能及時報警并采取保護措施(如限制充放電功率等)。
(2)加熱
a.在指定環境溫度下,實現在規定時間內將電池系統加熱到規定溫度,使系統能夠快
速達到允許充放電的工作溫度。
b.電池系統最低溫度低于最小允許充電溫度時,建議對電池加熱之后再進行充電。
c.加熱過程中盡量降低電池系統內部采集的溫度點之間最大溫差。
d.以電池包內置加熱部件(如 PTC 等)進行加熱的設計中,應具備相應的安全設計
(如引入二次熱熔保護機制),當加熱部件溫度過高時,能夠切斷加熱部件電源,防止加
熱元件出現干燒進而引燃電池。
(3)保溫
a.將電池系統由常溫環境分別轉入高溫和低溫環境靜置,在規定時間內系統中的電池
最高/最低溫度不超過目標值。
b.高溫環境保溫時,建議減小電池系統內部采集的溫度點之間溫差。
(4)氣密安全
a.對于液冷系統,應采用相應的措施防止管路、接頭等部位發生泄漏,并在生產過程
中采取相應的檢測工藝以確保產品安全。
b.當液冷系統發生泄漏至可能產生安全隱患的閾值的時,建議具有檢測手段能及時檢
測并報警。
4.2.2.2電池系統熱擴散防護設計
引起熱失控風險的因素有很多,如極端的環境溫度、過充過放、內短外短、電池制造
缺陷等等。既然無法完全避免熱失控風險,那就需要采取相關的防護設計來降低熱失控發
生時的危害。熱量傳遞是熱失控擴散蔓延的重要原因,因此傳熱特性會直接影響熱失控擴
散速率。此外,電池間的電連接也會影響熱失控擴散。現行的熱擴散測試標準和法規可參
見《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》,測試對象為模組和電池包,要求單個電池
發生熱失控時,引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前 5 分鐘,應提供一個熱事件
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報警信號,同時建議系統應具備避免熱失控事件傳播到相鄰電池的能力。可見,熱擴散防
護必須從電芯、模組、系統三個方面進行考慮。
(1)電芯級
a.相鄰電芯間建議具備一定的隔熱設計(如增加絕熱氈、氣凝膠等隔熱阻燃材料),
延緩熱蔓延。
b.電芯防爆設計(如防爆閥等)指向建議避免直接朝向相鄰電芯,防止產生鏈式反應。
電芯的開閥保護時間,需要在單電芯、模組中保持一致性,開閥的條件應在一定的偏差范
圍內。
(2)模組級
a.模組間建議考慮合適的間距,具備一定的防止熱蔓延的能力;建議采用隔熱設計(如
隔熱罩等),抑制熱量在相鄰模組間的蔓延。
b.設計合理的電連接孔、泄氣孔及火焰導向孔,防止蔓延。
c.對于不具備單體熔斷功能的電芯,模組建議采用可熔斷連接設計,防止電芯內短路
時其他并聯電池產生電流倒灌,引發熱失控。
(3)系統級
a.電池殼體(包括上蓋、底板以及密封條等附件)應采用阻燃材料,以避免明火引燃
整車;
b.電池包內部高壓線束(包括主回路高壓線束、電池電壓采集線束等)建議具有熔斷
保護,防止在熱失控期間因線束受損短路引起的二次傷害。
4.2.2.3電池關鍵部件阻燃設計
為延緩熱失控擴散,延長乘員逃生時間,電池系統的零部件應盡量選用阻燃等級較高
或者不燃燒的材料,這樣即使在熱失控的極端環境下,這些零部件至少不會進一步加劇反
應。
(1)電池系統內部有機材料(如結構膠、導熱膠等)應采用阻燃等級較高的材料。
(2)應重點評估電池包內薄片非金屬材料的阻燃等級。
(3)其他與電芯直接接觸材料,以及電氣件、熱管理部件等應選用阻燃等級較高或
者不燃燒的材料。
(4) 在電芯熱失控以后,建議評估噴發物對模組周圍帶來的絕緣下降引起的短路造
成的二次加熱。
4.2.3電氣安全
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4.2.3.1絕緣要求
4.2.3.1.1電氣絕緣
(1)電池系統的絕緣設計應滿足 GB/T18384或企業要求;
(2)通過絕緣材料來提供觸電防護的,則電氣系統的帶電部分應當全部用絕緣體覆
蓋;
(3)絕緣材料應能承受電動汽車及其系統的溫度等級和最大工作電壓;
(4)絕緣體應有足夠的耐電壓能力,進行耐電壓試驗不應發生絕緣擊穿或電弧現象。
4.2.3.1.2電氣間隙、爬電距離
(1)電池系統高壓系統的電氣間隙和爬電距離參考 GB/T 16935.1-2008;
(2)根據耐壓等級、環境污染等級確定電氣間隙;
(3)根據環境污染等級、材料 CTI值、工作電壓、工作海拔高度等確定爬電距離;
(4)當主電路與控制電路或輔助電路的額定絕緣電壓不一致時,其電氣間隙和爬電
距離可分別按照其額定值選取。主電路或控制電路導電部分之間具有不同額定值時,電氣
間隙與爬電距離應按照最高額定絕緣電壓選取。
4.2.3.1.3電位均衡
(1)所有組成電位均衡電流通路的組件(導體、連接部分)應能承受單點失效下的
最大電流;
(2)電位均衡通路中任意兩個可以被人同時觸碰到的外露可導電部分之間的電阻應
不超過 0.1Ω ,滿足標準 GB/T 18384.3-2015要求。
4.2.3.2電連接可靠性安全設計
電池系統內的電連接設計包括模組內電連接設計和模組外電連接設計。模組內電連接
設計包括:電芯間電連接、溫度及電壓采樣;
(1)電芯間電連接
電芯間電連接需要滿足過流要求,材質一般是銅、鋁或者鎳,應注意避免銅鋁間電化
學腐蝕。
(2)溫度采樣
a.作為檢測電池狀態的一個重要手段,在設計時主要關注兩個方面:排布位置和連接
可靠。
b.排布位置建議可采集到模組內最高及最低溫度。
c.采樣線可考慮防短路措施。
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(3)電壓采樣
由于電壓采樣直接與電芯正負極相連,若連接位置阻抗過大,會影響電壓的采樣精度,
因此,電壓采樣需選擇阻抗較小且比較安全可靠的連接方式,采樣線需要考慮防短路措施。
(4)模組外電連接設計
包括模組間電連接設計、模組與電氣件間的電連接設計、電氣件間電連接。
模組外電連接一般使用鎖螺栓或螺母作為對外電連接端口,在設計時應注意避免電電
連接部位受載,同時應保證螺栓連接可靠性。
(5)為了電池系統維護的方便性和安全性,建議系統要設計有專門的維修接口,如
用于熔斷器的更換,以及電池系統內單體電池狀態調整接口。
4.2.3.2.1系統過電流能力
(1)電池系統內部主回路各連接部分應具有在整個生命周期內承受系統最大持續電
流的能力。
(2)電連接面積選擇考慮溫升和老化要求。
4.2.3.2.2電氣連接可靠性
(1)電池系統內部主回路各電連接部分應具有有效的設計,建議采用螺紋膠鎖死,
以保證在整個生命周期內保持連接阻抗的可靠性。
(2)電池系統內部主回路各電連接部分的連接阻抗應具備明確的指標及檢測方法,
以便在生產及維護時進行檢測;
(3)電池系統內線束高低壓連接端子與電線連接應牢固,應滿足 QC/T 29106汽車電
線束技術條件中的規定;
(4)連接器需要具有一個鎖緊裝置以避免分離或接觸不良。高壓連接器應具有高壓
互鎖功能。
4.2.3.2.3接地要求
高壓零部件接地一方面是為了改善 EMC,另一方面是為了滿足安全需要。高壓零部件
接地需滿足如下要求:
(1)所有與高壓部件靠近的金屬導體必須接地,如:冷卻板、接插件固定板、靠近
高壓線的冷卻管道所連接的水口、BMU(HVM)外殼、EDM金屬底板、金屬托盤等;
(2)所有接地點表面應保證導電性,不應有導電性差的漆及氧化物,防止接地不良;
(3)所有接地點應保證一定的安裝扭矩;
(4)電池系統內部接地建議采用專用的接地螺栓螺母或使用編織導線,電池系統與
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車底盤接地線推薦使用編織導線,同時接地端子需鍍錫;
(5)接地線應盡可能短;
(6)電池系統內接地點應與車身電底盤連接。
4.2.4電池系統安全性測試方法
電池系統級驗證主要是驗證電池系統完整的性能和功能,可考慮以下幾個方面:
(1)按照《電動汽車用動力蓄電池安全要求》國標要求,通過振動、機械沖擊、模
擬碰撞、擠壓、濕熱循環、浸水、熱穩定性、溫度沖擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流
保護、外部短路保護、過充電保護、過放電保護測試。
(2)建議進行帶載振動試驗,充分發掘連接異常及溫升異常,評估安全可靠性(振
動時充放電)。
(3)建議進行動態 IP模擬測試(振動、沖擊整車涉水等)。
(4)建議采用同一測試樣品在環境溫度、環境濕度、振動狀態下同步進行多因素應
力綜合評估,評估完成后對該測試樣品再進行 IP防護等級評估,應能夠滿足 IP防護等級
的要求。
4.2.5電池系統生產安全要求
4.2.5.1生產過程中安全防護要求
(1)嚴格按照工藝流程裝配,裝配過程中避免出現壓線等現象,防止操作中短路。
(2)生產及轉運過程中應對單體、模組、系統及關鍵部件(熔斷器、接觸器等)進
行必要的防護,避免因磕碰、跌落等造成安全隱患。
(3)生產及轉運過程中裸露的 BMS或采集板應進行有效的靜電防護。
(4)電池系統宜具備手動維修開關或 Fuse。生產及轉運過程中,電池系統上的維修
開關應當拔掉插頭并蓋上防護蓋,確保切斷電池系統對外的高壓輸出,電池系統上的高壓
連接器應裝有防護蓋,確保操作人員安全。
(5)對模組、殼體的連接硬點進行必要的防護,避免因部件變形造成緊固點失效。
(6)對柔性或易變形部件(如密封墊、發泡硅膠)等進行工裝防護,避免因部件變
形造成失效。
(7)電池系統內部應對帶電部件及連接點進行有效的防護,滿足 GB 4208 中規定的
IPXXB防護等級要求,防止在生產或維護過程中因人員誤觸導致的安全隱患。
(8)裝配過程中使用的工裝及工具與產品接觸部分宜采用絕緣材質或做好絕緣防護,
避免裝配過程產生短路風險。
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(9)生產及裝運過程各零部件應固定牢固,避免運動過程中摩擦損壞導致短路。
(10)接通高壓電前,必須進行高壓電部件殼體接地檢查,確認高壓電部件的裝配和
連接可靠。
(11)對高壓電部件進行拆裝前,必須進行斷電操作,確認已斷開緊急開關和 12V電
源。
(12)在高壓部件的拆卸、安裝或其他操作時,操作人員需要取得低壓電工證資質,
佩戴高壓絕緣手套,穿絕緣靴,同時必須做好自身的絕緣保護措施,身上不得帶有任何金
屬物品。
4.2.5.2合理的下線檢測
序列 測試類別 測試項目 測試目的
1 線束測試 線束測試 檢測電池系統低壓接口所有針腳是否正確
2 CAN通訊 檢測產品通訊是否正常
3 絕緣電阻 檢查產品的絕緣電阻性能
4 絕緣耐壓 檢查產品的絕緣耐壓性能
5 絕緣檢測功能 檢查 BMS的絕緣檢測功能 靜態測試
6 高壓互鎖功能 檢查 BMS的高壓互鎖功能
7 軟件版本 檢查軟件版本是否正確
8 硬件版本 檢查硬件版本是否正確
9 壓差 檢查未充放電前壓差是否滿足要求
10 總壓 檢查電池系統總壓是否滿足要求
11 充電功能 檢查充電是否正常
12 充放電測試 放電功能 檢查放電是否正常
13 總電壓精度 檢查 BMS電壓精度值是否滿足要求
14 電流精度 檢查 BMS電流精度值是否滿足要求
15 直流內阻測試 DCR測試 檢查電池系統直流內阻值是否滿足要求
4.3動力電池運輸要求
明確電池系統在運輸過程中的包裝、存儲等條件的安全要求,防止運輸過程中存在的
安全隱患,或因自身的安全問題造成對環境或周圍人員、財產的損壞。
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4.3.1運輸檢測標準
電池系統運輸檢測可參照聯合國《關于危險貨物運輸的建議書——試驗和標準手冊》
第 3部分 38.3款(簡稱 UN38.3)內容要求。
4.3.2包裝及運輸要求
4.3.2.1包裝要求
(1)電池系統的包裝應符合防潮防震的要求,應采取措施防止電池系統與同一包裝
內導電物質相互接觸。
(2)電池系統內部所有零部件應按照正常生產要求進行固定。
(3)電池系統所有接口需進行獨立保護,防止碰撞和短路。所有電氣接口設置絕緣
阻燃防護罩,確保接口處無金屬部分裸露在外。
(4)電池系統設有維修開關(MSD)的,包裝前確保維修開關已經取下,且維修開關接
口處有絕緣材料進行包裹保護。
(5)包裝箱應考慮運輸環境條件(公路運輸、鐵路運輸、水路運輸等情況),包裝箱
需經過堆碼試驗、跌落試驗等試驗合格。
(6)包裝箱應易于制造、裝配,便于儲運、機械裝卸。
(7)包裝箱內應在指定位置裝入隨同電池系統提供的文件和物料。
(8)包裝箱應設置產品標簽,包含下列內容:名稱、物料編碼、客戶名稱、制造廠
名或商標等、生產日期、SN、每箱的數量、凈重和毛重、堆碼重量極限。
4.3.2.2運輸要求
(1)電池系統建議在 40%SOC以下狀態運輸,以 30%SOC為宜;
(2)根據聯合國《關于危險貨物運輸的建議書-規章范本》(簡稱 TDG)的內容要求,
電池系統在運輸過程中應避開易燃、易爆、易腐蝕危險品;
(3)電池系統與包裝箱必須完全定位鎖死,包裝箱與運輸工具也需通過轉運架等完
全鎖死;在運輸過程中,應防止劇烈震動、沖擊、日曬、雨淋;
(4)包裝和運輸過程中,要避免人員對動力電池系統的踩踏和不良接觸;
(5)運輸器具滿足運輸試驗要求;
(6)運輸器具要求絕緣,防止意外短路;
(7)消防設備能滿足運輸車輛發生緊急事故的需求。
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4.4動力電池售后保養要求
明確電池系統在使用過程中的維護保養的措施、項目、頻次等基本要求,及推薦建議
等,對其安全狀態進行跟蹤,及時排除安全隱患。
4.4.1動力電池保養、檢測規范
4.4.1.1日常維護
(1)充放電
建議在適當的環境溫度、SOC狀態下對電池系統進行充放電。
(2)存放
長期存放時,電池系統電量要處在適當狀態,并定期進行深度充放電;存放區域遠離
熱源、化學腐蝕等場地。
(3)行駛
建議用戶養成良好的駕駛習慣,避免猛踩油門,形成瞬間大電流放電。
4.4.1.2定期保養
為保證電池系統安全運行,建議電動汽車定期前往售后服務中心檢查(建議每 5000
公里/每半年)。
對電池系統的定期保養與檢測,必須由專業人員操作,且保養與檢測場所應備有與電
池系統接口配套的絕緣保護蓋,在操作前需對電氣接口安裝絕緣保護蓋,確保操作人員安
全。
定期保養與檢測可選擇如下項目:
(1)均衡充電——可利用維護接口使用診斷工具讀取電池系統內部電芯電壓一致性
狀態,根據電芯電壓差異情況使用專門的維護儀、或者車載充電機進行均衡充電保養。
(2)氣密性檢測——檢測電池系統殼體防護狀態,使用專用檢測工裝對電池系統外
部接口進行封堵,向殼體內部注入氣體,通過保壓法進行測試。
(3)絕緣性能檢測——檢測電池系統絕緣性能,可通過 2種方式進行。
·車輛“啟動”狀態下,使用診斷工具讀取 BMS軟件上報的絕緣值;(推薦)
·車輛“下電”狀態下,使用絕緣測試儀檢測電池系統高壓輸出端對接地點的絕緣值。
(4)外觀檢查——檢查電池系統外殼及表面部件(接插件、壓力閥、緊固螺栓)是
否存在變形、破損、裂紋、松動等情況。如發現異常,視情況進行開箱檢查。
(5)故障碼檢查——使用診斷工具讀取電池系統內部故障碼,對當前故障和歷史故
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障進行評估,對功能、安全相關的故障碼做進一步的診斷。
(6)冷卻系統檢查及維護,如風冷系統近出風口的過濾系統清理,保證散熱通道的暢
通。水冷系統的冷媒進行定期檢測更換,避免由于冷媒的變性造成冷卻系統的冷卻性能及
功能下降。
4.4.2動力電池年檢項目及方法
為保證電動汽車電池系統安全運行,建議對電池系統進行定期年檢。
電池系統年檢項目可包含“電池系統保養、檢測規范”等相關檢測,同時可視需要增
加電耗測試(整車)和容量測試等項目。如針對續駛里程衰減較明顯的車輛,可使用專業
測試設備檢測電池系統容量、內阻、溫升等參數。
若在年檢中發現特定故障,可開箱檢查電池系統內部狀態,重點關注箱內環境(是否
有進水、泄漏)、零部件表面狀態(生銹、霉變)、接插件狀態、模組外形(是否有鼓包變
形)、高壓連接點緊固狀態等等。如應重點關注碰撞事故歷史車輛以及長年限、長里程車
輛。
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5 電機系統與電驅動總成安全
5.1 總體要求
隨著國家能源戰略導向、四階段油耗以及碳排放積分法規出臺,電動汽車將在未來占
據更大市場。電動汽車以混合動力和純電動汽車為主。在混合動力汽車中,除了傳統發動
機以外還有驅動電機系統,用以聯合驅動和制動能量回收。在純電動汽車中,電機則是唯
一的動力驅動裝置。
從電驅動總成發展趨勢和構型特點上看,乘用車驅動電機向高速化、高壓化和集成化
方向發展,現有主流產品最高轉速不超過 16000rpm,未來轉速將達到 18000rpm或更高。
直流母線電壓 150~350~800VDC 左右,電機輸出功率在 30kW~250kW 之間,輸出扭矩在
100Nm~500Nm 之間,配套合適速比的減速器或者變速器后電驅動總成輸出扭矩(輪端)
2000Nm~5000Nm;電機輸出與車輪驅動軸同軸或者平行布置。
對于商用車來說,當前最主流的驅動形式是電機直接驅動,含電機匹配固定速比減速
器的動力總成(輕型商用車應用廣泛),重型商用車通常采用電機匹配兩檔或者多檔變速
器的動力總成。 商用車驅動電機通常輸出功率在 50kW~300kW 之間,專用工程車輛驅動
功率需求可達 400kW以上。不同載荷的商用車所需要的驅動電機轉矩從 400Nm~5000Nm不
同,商用車電機系統的直流母線電壓通常在 350VDC~800VDC 之間或者更高。商用車最主
要的驅動系統布置型式仍然是類似傳統商用車的動力總成通過傳動軸與主減速器連接的
形式,輪邊驅動、集成式電驅動橋在商用車也有廣泛應用。
在動力總成中,電機不僅是一個動力源、傳動部件,同時還是安全件和法規件。電機
作為動力源,同發動機相比,電機可以四象限運行,以轉矩控制模式為主。在軟件功能或
者硬件失效情況下,電驅動總成可能出現非預期的轉矩輸出,比如轉矩輸出過大或反向等
故障,造成意外的人員傷害。作為傳動件,電機是傳動鏈上的一環,電機轉矩波動或由于
PI 參數調整不當,可能導致傳動系扭振造成整車舒適性方面的問題。在高壓安全方面,
除 48V 電機外,車用電機工作電壓都超過了安全電壓 60V,有的可達到 500V 甚至更高,
存在高壓安全風險。整車上公告要求電機按照 GB/T 18488 試驗,在企業準入和補貼申領
等環節都需要采集電機的編碼和殼體拓印等信息,因此電機是法規件。電驅動總成通常位
于整車的底部,運行環境惡劣;電機大部分工況處于高速旋轉狀態,特別是乘用車驅動電
機的工作轉速遠高于傳統燃油車的發動機工作轉速,由此帶來的機械安全問題尤其需要重
視。電機穩態工作溫度通常在 120℃左右,部分工況下甚至達到或超過 160℃,電機控制
76

器的最高工作溫度也會達到 100℃以上,電驅動總成溫度監測、防止永磁同步電機高溫退
磁、防止高溫接觸燙傷等方面的要求亟待規范。電驅動總成在復雜的環境里工作,需要整
個壽命期內適應各種氣候環境。特別是在夏季內澇嚴重地區和冬季極寒地區,電驅動總成
的防護安全要求更加苛刻。相比于傳統燃油車,復雜電磁環境是電驅動總成需要面對的另
一個挑戰,這對電驅動總成的電磁兼容性提出了更高的要求。電驅動總成高壓、大電流、
高溫等工作特點導致了電驅動總成的維護保養與傳統燃油車動力總成相比有很大不同,維
護保養過程中的人身安全需要特別關注。
綜上,電驅動總成安全應從高壓安全、機械安全、熱安全、防護安全(含電磁輻射與
抗擾等)、安全保護策略、功能安全、維護保養安全等七個方面進行全面考慮。
5.2 高壓安全
相對于傳統內燃機汽車而言, 電動汽車一般有高達上百伏的電氣系統,超過了直流
安全電壓范圍(直流 60V),如不進行合理的設計與防護,將可能帶來人員電擊等高壓安
全問題。在高壓安全方面應主要考慮如下技術要求和措施,如絕緣電阻、耐電壓、高壓安
全標識、高壓接觸防護、等電位連接、高壓放電、高壓接口安全、漏電保護和碰撞后安全
等。
5.2.1 絕緣電阻要求
5.2.1.1電機定子繞組對機殼絕緣電阻要求
應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.7.1條的規定。
5.2.1.2電機定子繞組對溫度傳感器絕緣電阻要求
應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.7.2條的規定。
5.2.1.3電機控制器絕緣電阻要求
B級電壓的電機控制器,應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.7.3條的規定并滿足如下
要求:
1)動力端子對外殼,冷態及熱態絕緣電阻均不小于 5MΩ ;
2)動力端子對低壓端子(非地),冷態及熱態絕緣電阻均不小于 5MΩ ;
以上測量應按照最高工作電壓選擇兆歐表,測試方法按照 GB/T 18488.2進行。
5.2.1.4絕緣檢測要求
通常電池包內部集成的絕緣檢測功能可以針對整車高壓系統的直流側絕緣情況進行
監測和報警。建議電機控制器具有交流側絕緣檢測功能。
77

5.2.2耐電壓要求
按照電驅動總成的最高工作電壓設定測試電壓并考慮冷態、熱態,制定不同要求,具
體如下:
5.2.2.1驅動電機繞組的匝間沖擊耐電壓要求
應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.8.1條的規定,最高工作電壓是指三相交流線電壓
有效值。
5.2.2.2驅動電機繞組對機殼的工頻耐電壓要求
應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.8.2.1條的規定。最高工作電壓是指三相交流線電
壓有效值。漏電流控制值按照技術文件要求執行。
5.2.2.3驅動電機繞組對溫度傳感器的工頻耐電壓要求
應符合 GB/T 18488.1-2015中 5.2.8.2.2條的規定。溫度傳感器對驅動電機殼體的工
頻耐電壓測試要求和限值同 5.2.8.2.2條的規定。
5.2.2.4驅動電機工頻耐電壓測試電壓及測試次數的要求
按照 GB 755要求,驅動電機的工頻耐電壓應僅對成品電機進行測試, 驗收時避免對
繞組重復進行全值耐電壓測試。如果應客戶需求進行第二次或多次耐壓測試時,試驗電壓
值應為前一次測試電壓值的 80%,直到測試電壓降至 1500VAC最低試驗電壓,測試時間為
1分鐘。
對于完全重繞的繞組,等同新電機對待,采用全值耐電壓測試。
對于部分重繞的繞組或經過大修后的電機進行耐電壓試驗,則推薦采用下述細則:
1)對部分重繞繞組的試驗電壓值為新電機試驗電壓值的 75%。試驗前,對舊的繞組
應仔細地清洗并烘干。
2)對經過大修的電機,在清洗和烘干后,應承受 1.5 倍額定電壓的試驗電壓,如額
定電壓為 100VAC及以上時,試驗電壓至少為 1000VAC,如果額定電壓為 100VAC以下時,
試驗電壓至少為 500VAC。
5.2.2.5電機控制器工頻耐電壓要求
在產品認證時,電機控制器需按照 GB/T 18488.1-2015中 5.2.8.2.3 條的規定進行工頻
耐壓測試。對于有 Y 電容的電機控制器,允許出廠檢驗進行直流耐壓測試,測試值為規定
的工頻耐壓值的 1.414倍。
控制器整機裝配完成后必須先進行絕緣和耐電壓檢測,測試通過以后才允許上高壓運
行。
78

耐電壓測試要求如下:
1)電壓等級要求參照 GB/T 18488.1-2015 中表 2 的規定。
2)試驗過程和實驗方法參照 GB/T 18488.2-2015 中 5.8.4 條的規定。
3)漏電流限值按照技術文件要求執行。
因耐壓測試對某些器件產生一定的損傷,會影響到器件的使用壽命,所以應盡量減少
耐壓測試的次數。如果應客戶需求進行第二次或多次耐壓測試時,試驗電壓值應為前一次
測試電壓值的 80%,直到測試電壓降至 1500VAC最低試驗電壓,測試時間為 1分鐘。
5.2.3屏蔽與接地
5.2.3.1電機與電機控制器間高壓線束屏蔽與接地要求
高壓多相連接系統應帶有屏蔽層,屏蔽層兩端與高壓部件外殼有效接地,實現電纜兩
端 360 度全方位屏蔽,每端接地電阻不大于 40mΩ 。高壓屏蔽電纜屏蔽層應符合 GB/T
25087-2010中 6.3條要求,并且滿足整車電磁兼容要求。
5.2.3.2控制器直流母線屏蔽與接地要求
高壓連接系統應帶有屏蔽層,屏蔽層電機控制器端與控制器外殼有效接地,實現電纜
360度全方位屏蔽,接地電阻不大于 40mΩ 。
5.2.3.3位置傳感器線束屏蔽與接地要求
位置傳感器線束應采用雙絞線,并外套屏蔽層,建議屏蔽層兩端良好接地。
5.2.3.4 CAN總線屏蔽要求
建議電機控制器 CAN通訊線束使用屏蔽雙絞線,屏蔽層在電機控制器端應良好接地;
或者按照技術文件要求執行。
5.2.3.5電機、電機控制器及其他功率控制器接地要求
驅動電機、電機控制器及其他功率控制器產品金屬外殼的接地電阻應不大于 100mΩ 。
電機機座、控制器殼體等與底盤或者車身地之間應有永久、可靠和良好的電氣連接。
接地線端子的連接應可靠鎖緊并具備防松功能。
5.2.3.6等電位連接
下圖是電機系統的典型高壓拓撲。當高壓部件正負極均出現絕緣問題(如正負極同時
與外殼短路或局部漏電)的情況下,為滿足人員防觸電要求,電機系統可導電外殼(遮攔)
與整車電平臺應實現可靠的等電位連接。
79

 逆變器電池
  Q1 Q3 Q5
C C C
  電機
G G G
  短路保護裝置:熔斷器   Q2 Q4 Q6
C C C
  U
V
W
  M
NTC sensor
 
  電池殼體   G G   G   電機殼體:通過螺栓與變速箱及發動
 機殼體相連
NTC sensor
IGBT-Module
逆變器殼體
PWM
R≤40mΩ R≤40mΩ R≤40mΩ

電底盤(車架)
圖 1 電機系統典型高壓拓撲
等電位連接形式可采用如下三種方式連接,如圖所示:
1)通過導體:如可導電的支架
2)電線束:如等電位連接線,顏色為棕色
3)直接連接:電機控制器直接通過螺栓與電平臺相連或者焊接在車身上
圖 2 等電位連接形式
等電位連接要求:
1)阻值要求;電機系統的可導電外殼(遮攔)與整車電平臺之間的電阻應小于 100m
Ω 。
2)短路電流:等電位連接應承載短路電流直至過流保護做出動作。
3)壽命:等電位的電阻需保持直至高壓元件的指定壽命時間末。
4)連接要求:對于與車身地緊固的等電位連接形式,等電位連接線及螺栓應耐腐蝕
超過其指定壽命時間,并且不允許自動松開。
5)接地端子不應兼作他用。
6)接地端子的螺栓和整車地應有足夠截面,接地螺栓最小直徑按 GB14711-2006表 3
(同下表 1)的規定,接地導線截面積按 GB 755-2008表 19(同下表 2)的規定。
80

表 1 保護接地螺栓最小直徑
電機額定電流 A 保護接地螺栓最小直徑 mm
≤20 4
>20~200 6
>200~630 8
>630~1000 10
>1000 12
表 2 接地導線截面積
相線截面積/mm² 接地導線或防護導線 相線截面積/mm² 接地導線或防護導線
截面積/mm² 截面積/mm²
4 4 95 50
6 6 120 70
10 10 150 70
16 16 185 95
25 25 240 120
35 25 300 150
50 25 400 185
70 35
5.2.3.7接地標志要求
接地點應有明顯的接地標志。若無特定的接地點,應在有代表性的位置設置接地標志。
接地標志依據 GB/T 4026-2010標以保護接地圖形符號“ ”,必要時再應用字母符號
“PE”標志。這些標志不應放在螺栓、可拆卸的墊圈或用作連接導線的可能拆卸的零部件
上。
5.2.4高壓接插件和連接器
1)B 級電壓部件的遮攔和外殼應依據 GB/T 18384.3-2015,滿足 IPXXB 防護等級要
求。
2)選用的配對耦合高壓接插件物理結構上的連接引導部分應不同,以滿足防錯插功
能。
81

5.2.5 高壓放電
在電機系統從高壓回路斷開后,由于電機控制器內部存在儲能器件,如直流母線支撐
電容等,電機系統內部高壓并不會立即消失,而是慢慢下降,在常規維護或者售后維修時
可能導致高壓電擊,造成人員傷亡。因此,為避免如上事故,電機系統需同時具備主動放
電和被動放電功能,即使主動放電失效,被動放電依然有效,且在規定時間內必須降到安
全電壓以下,具體要求如下:
5.2.5.1主動放電要求
在電動汽車和混合動力汽車中使用的電機控制器輸入端電壓通常高于安全電壓,為保
護人身安全,要求在電機控制器的直流側電容須配有放電電路,以快速降低直流側電容的
電壓。電驅動總成必須具備主動放電功能。主動放電可以通過電機繞組或者外接專用放電
電阻實施。
按照 GB/T 18488.1-2015中 5.5.3條的要求,當 B級電壓系統斷電后,應在 3s內將
直流母線電壓降至安全水平(直流電壓 60 V以下)。
5.2.5.2被動放電要求
電驅動總成還應具備被動放電的功能,在直流側接入被動放電元器件實施。即使主動
放電功能無法完成,被動放電裝置仍可對直流側電容進行放電。此功能必須始終有效,而
非被觸發后才有效。
當 B級電壓系統斷電后,應在 2min內將直流母線電壓降至安全水平(直流電壓 60V
以下)。
5.2.6 高壓防觸電防護與警告
電驅動總成上應具有高壓警示標志,高壓警示標志應滿足 GB/T 18384.3 -2015中 5.1
條的內容。
圖 3 高壓警示標志
電驅動總成的 B級電壓部件的遮攔、外殼、接插件都應通過以下兩種方式或其中一種
滿足直接接觸防護的要求。
82

1)帶電部分的基本絕緣;
2)遮攔或外殼,防止接近帶電部分。
3)B電壓部件的遮攔、外殼、接插件至少要滿足 GB/T 4208中規定的 IPXXB 防護等
級的要求。
如果遮攔或外殼可以徒手打開, 則其可以打開的部分應具備高壓互鎖裝置,滿足本
文 5.2.7章節的高壓互鎖要求。
5.2.7高壓互鎖
高壓互鎖(High Voltage Inter-lock,簡稱 HVIL),是用低壓信號監視高壓回路完
整性的一種安全設計方法。該互鎖回路首尾連接在自動斷開裝置上,當高壓電氣回路上任
何一個高壓防護罩或插接件從回路上斷開,就會觸發一個低壓電信號,高壓立即被斷開,
且高壓系統不能再次上電。對于滿足防護等級 IPXXB的高壓接插件采用高壓互鎖措施;可
拆卸的外殼采用高壓互鎖措施;如沒有互鎖措施,應能保證先觸發高壓系統的切斷并保證
外殼拆掉前有足夠的時間使高壓系統電壓低于 60Vdc。高壓互鎖形式多樣,可以用公母端
接插件對配、微動開關或機械互鎖等。推薦乘用車產品具備高壓互鎖功能,建議商用車產
品選用高壓互鎖功能。如果高壓接線系統具備高壓互鎖功能,系統的功率端子和信號端子
應滿足:
1)高壓連接系統連接時,功率端子先接通,信號端子后接通;
2)高壓連接系統斷開時,信號端子先斷開,功率端子后斷開。
5.2.8高壓接觸防護
可拆卸的電機控制器外殼,必須符合復雜拆卸,必須使用工具(非特指專用工具),
并采用下列兩種方式之一進行外殼拆除:
拆除三個以上螺栓或兩種不同型號螺栓才能除去外殼。
只能使用配套的專用工具才能除去外殼,電機控制器安裝在前機艙內,完全裝配好的
電機控制器防護等級應滿足 ISO20653規定的 IPXXB或 IPXXD。
其他的可選措施包括高壓互鎖或者延遲接觸:
延遲接觸:應保證執行兩個獨立的操作后才能接近帶電部件,第一步操作必須觸發高
壓系統的切斷并保證,第二步操作時高壓部件電壓已經低于 60Vdc 或低于 30Vac,人員觸
電防護同時應滿足 GB/T 18384.3 的規定。
5.2.9 碰撞后安全
如果整車使用過程中發出碰撞,電驅動總成需根據整車控制器指令執行以下一個或多
83

個保護措施:
1)電機控制器切斷負載電流,無功率輸出;
2)電驅動總成激活無負載狀態;
3)激活電驅動總成安全狀態;
4)對高壓電路主動放電。
具體指標要求如下:
1)當高壓系統切斷時,必須立即根據整車控制器要求開始高壓電路的主動放電;
2)在碰撞信號發出的 3s內,高壓電路的電壓必須降到 60Vdc以下。
5.2.10電驅動總成爬電距離和電氣間隙要求
電氣間隙為兩導電部件之間在空氣中的最短距離,與產品沖擊耐受電壓、污染等級、
海拔高度有關。
5.2.10.1電機爬電距離和電氣間隙要求
根據電機的耐壓等級和海拔高度,參考 GB14711-2013中 11章節的規定確定電動機的
爬電距離和電氣間隙,具體要求見 GB14711-2013表 4(工作電壓 31V~750V)及表 14(1000V
以上,這個電壓平臺在當前電動汽車領域應用較少)。當工作電壓在 750V~1000V 之間,
建議按照 GB14711-2013表 14工作電壓 1000V下的爬電距離和電氣間隙設計。
5.2.10.2控制器爬電距離和電氣間隙要求
1)電機控制器高壓系統的電氣間隙和爬電距離參考 GB/T 16935.1-2008;
2)根據耐壓等級、環境污染等級、工作海拔高度等確定電氣間隙;參考 GB/T
16935.1-2008附錄 F.2,海拔修正系數參考 GB/T 16935.1-2008,表 A.2
3)根據環境污染等級、材料 CTI 值、工作電壓等確定爬電距離;參考 GB/T
16935.1-2008附錄 F.4
4)當主電路與控制電路或輔助電路的額定絕緣電壓不一致時,其電氣間隙和爬電距
離可分別按照其額定值選取。主電路或控制電路導電部分之間具有不同額定值時,電氣間
隙與爬電距離應按照最高額定絕緣電壓選取。
5.2.11高壓接口安全要求
5.2.11.1防松脫設計要求
5.2.11.1.1可插拔高壓接插件要求
可插拔高壓接插件至少有兩級鎖止裝置,至少需要兩個不同的動作才能將其從相互的
對接端分離;接插件之間具備防錯插功能。可插拔高壓接插件應滿足 GB/T 37133-2018附
84

錄 A的要求。
5.2.11.1.2其它方式連接的要求
高壓連接系統的電纜壓接、螺紋連接、焊接等連接裝置,應無松脫、斷裂等連接缺陷。
5.2.11.2高壓連接系統防護要求
正常連接時高壓連接系統的防護等級應不低于 IP67。若高壓連接系統可不通過工具
手動斷開,則非連接狀態的高壓連接系統各部分的防護等級應滿足 IPXXB。
5.2.11.3高壓連接系統耐振動要求
高壓連接系統的耐振動要求應滿足 GB/T 37133-2018第 7.4條的要求。
5.2.12低壓線束連接安全要求
5.2.12.1低壓線束連接可靠性
低壓連接系統的耐振動要求應滿足 QC/T 29106-2014第 4.10條的要求。
5.2.12.2低壓插件碰撞保護要求
設計時低壓接插件應布置于不易受碰撞的地方或者應有一定的防碰撞保護,避免系統
在運輸、安裝、運行過程中受損。
5.2.12.3低壓線束密封性檢查要求
正常連接時低壓連接系統的防護等級應不低于 IP67。

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