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TüV萊茵彭波：新能源動力電池系統(tǒng)測試技術(shù)分析與研究——電氣安全專題

2019-04-27 22:44:09·  來源：彭波 NE時代  
　
今天的主題主要是從電氣安全角度看如何設(shè)計車輛，如何避免觸電的危險。本文為勵展博覽集團及NE時代于4月25日-26日聯(lián)合主辦的 第三屆AWC2019新能源汽車三電系統(tǒng)開
今天的主題主要是從電氣安全角度看如何設(shè)計車輛，如何避免觸電的危險。
 
本文為勵展博覽集團及NE時代于4月25日-26日聯(lián)合主辦的 "第三屆AWC2019新能源汽車三電系統(tǒng)開發(fā)與測試技術(shù)大會" 演講嘉賓的現(xiàn)場實錄。
 
演講人：彭波 TÜV萊茵大中華區(qū)交通服務(wù)專家 
 
演講主題：新能源動力電池系統(tǒng)測試技術(shù)分析與研究——電氣安全專題
 
彭波：謝謝主辦方，大家下午好！我叫彭波，來自德國萊茵TÜV。今天我跟大家演講的主題是：電動汽車的高壓電氣安全。剛才曾總有提到新能源汽車里面有高壓，有高壓就有觸電危險。而我今天的主題主要是從電氣安全角度看如何設(shè)計車輛，如何避免觸電的危險。
 
在講電氣安全之前，請大家看幾張圖片。在座的肯定有華南地區(qū)過來的車企朋友，華南地區(qū)每年到這個時候都有極端暴雨天氣，從而導(dǎo)致車有水浸現(xiàn)象，甚至整個車庫的車輛全部被淹掉。如果電動車泡在倉庫里面，會發(fā)生什么事情？或者說作為一個普通民眾，買了一部電動車，被水浸后他還敢碰嗎？
 
講一個親身經(jīng)歷：我前段時間去辦事情，正好坐的是一部純電動公交車。當走在一個有點水浸的地方,司機突然把車停在那里不動了。我問司機怎么不開了，旁邊小車敢開你為什么不敢開啊？他說這個車是純電的，里面好幾百伏電壓，萬一進水怎么辦？ 我說沒事的，我說車輛做了涉水測試的，小車做100mm，客車做了300mm的涉水測試的。他一看水可能接近30厘米了，他不走。我就說師傅走吧，車里所有高壓部件都做了IP67的防水測試，他說不懂什么IP67？我說就是水進不到部件里面去，師傅還是不走。他說開這純電動公交車兩三年了，中間還修過。我說即使你不相信什么防水，就真的有水進入，車輛的監(jiān)測系統(tǒng)第一時間會斷電的，沒事的。他問我干什么的，我說研究這個車高壓安全的。他說他有一個問題，這個車每天都在公交車站里面充電，開來開去，充來充去，但是有一點，現(xiàn)在所謂的防水也好，斷電也好，但是這個能量去哪里？我說在電池里，出了問題所有能量鎖在了儲能電池里面。他說既然在這里面，一遇水就有觸電風(fēng)險，最終還是沒有開，就這樣不了了之。我想跟他說，我們的純電池做了很多研究和測試，以及從結(jié)構(gòu)上確保，當出現(xiàn)意外時真正能夠鎖在里面，不會把它泄露出來，不會有危險，但是他還是不走。從這個故事中我們可以看出，民眾對于新能源車電氣安全問題還是帶有非常大的問號，更不要說燃燒、充電異常等一系列事故。
 
下面這張圖更加極端，這是我在月初去廣州一家知名醫(yī)院時抓拍的。醫(yī)院里面寫得非常清晰：本建筑內(nèi)禁止停放電動車輛或者充電！你讓買這些電動車的民眾情何以堪啊？從種種跡象看，電氣安全問題在社會上還是有很多的質(zhì)疑，這還值得我們深入研究。
 
剛才我舉了一個小例子跟大家談了電氣安全問題。目前，無論是國際還是中國國內(nèi)的一些背景，其實國家工信部也非常重視這些問題，特別是最近這么多問題出來了。在中國這塊做得還算比較領(lǐng)先的，至少比較積極地推動這些事情，也做了很多工作，比如今年初頒發(fā)了《電動汽車安全指南》。大家應(yīng)該都知道，電動汽車安全指南出來了，兩百多頁，對電動汽車OEM有比較好的指導(dǎo)作用。目前沒有一個真正關(guān)于電動汽車的GB標準，現(xiàn)有標準也就GB7258里有提到一些電動汽車的電氣安全要求。針對電動汽車安全新的 GB標準也將頒發(fā)，現(xiàn)在正在報批階段，預(yù)計今年會公布，在2020年強制執(zhí)行。
 
我今天的主題主要從建立企業(yè)電氣安全規(guī)范、電氣安全風(fēng)險評估、建立電氣安全實驗室、碰撞后電氣安全四個維度給大家分享TÜV萊茵的電動汽車電氣安全解決方案。談到任何設(shè)計，任何要求，最主要的是需求。需求是什么？作為主機廠來說一定會提需求給到零部件供應(yīng)商，無論是BMS也好，動力電池、電機也好，它會提需求，它的需求來源于它的規(guī)范。所以規(guī)范是至關(guān)重要，企業(yè)規(guī)范不僅僅需要包含所有法規(guī)，同時需要考慮主機廠自身對該部件的要求。
 
第二，有了規(guī)范之后，我們會做整車或者零部件電氣安全風(fēng)險評估，比如：十年之后防水會出現(xiàn)問題，或者使用過程中出現(xiàn)惡劣工況之后會出現(xiàn)漏電的情況。
第三，有了規(guī)范，我們對應(yīng)的是測試及驗證，我們推出的第三個服務(wù)就是：協(xié)助主機廠建立電氣安全實驗室。
 
第四，碰撞之后的電氣安全。
 
剛才那一頁主要針對主機廠，這一頁針對零部件供應(yīng)商。對于零部件供應(yīng)商，我們的解決方案是，從設(shè)計到測試，到報告、到最后頒發(fā)證書。這是我們最近幾年推出的標識，就是中國認證，你的高壓部件在某個方面，比如電氣安全這個緯度做得ok，有相關(guān)制造法規(guī)出來，有OEM主流的要求，我們可以頒發(fā)一份TÜV公司認證的標識，相當于為零部件供應(yīng)商做背書。這個標識是我們做得比較好的，比如華為、OPPO、小米都有快充，我們已經(jīng)頒發(fā)了很多類似的快充安全證書。快充4.2C充電電源安全嗎？我們可以專門定制一份中國的認證證書。我們要看一下標準，對高壓零部件來說，我們要有一份認證標準。大概可以看一下，這是萊茵公司內(nèi)部的標準，是專門針對汽車零部件推行的標準。這里面囊括了很多要求，不一一贅述。比如標識，有一些過壓、欠壓等等，還有非正常工況以及連接，以及結(jié)構(gòu)、材料阻燃等等。相對來說這是比較完整的一套從電氣安全的緯度寫的一份標準。首先，在設(shè)計端要有一套剛才看的標準。滿足這個標準情況下，我們可以根據(jù)標準做相關(guān)測試，最終報告，最終實現(xiàn)有一個mark給客戶。
 
具體高壓安全、電氣安全涉及到哪些條目？對于一份規(guī)范來說，首先是主機廠的需求。對供應(yīng)商來說主機廠有哪些要求要滿足。有了主機廠需求之后，才有了零部件的電氣安全的需求。提需求也不能憑空地提需求，它的需求來源于現(xiàn)有的一些國家標準，比如GB或者GBT標準或者行業(yè)相關(guān)標準，31498、7258，以及電動汽車安全指南等等，這些都是我們的最低門檻，一定要滿足的。同時，我們還要考慮國際標準，ISO標準，比如最近像6469，19453等等一系列標準。這些標準更新得非?？?，特別是6469在2018年完成了更新。ISO 6469-1正在和ISO12405合并，把以前的標準更新整合。以后純電池標準也會越來越清晰，制定規(guī)范時都要把這些標準制定進去。同時，我們還要考慮除了這些GB標準，ISO標準之外，還要考慮主機廠的特殊需求。著重強調(diào)一點，目前電氣安全的新鮮事物，特別是傳統(tǒng)造車企業(yè)，他們之前沒有高壓的，都是低壓48伏，現(xiàn)在有高壓了，目前整個業(yè)界都是百花齊放的，每個企業(yè)都有自己的標準，有的完善，有的不完善。相對來說比較完善的標準是德國五大車廠的標準：LV123 (VW80303)。
 
剛才談到了如何制定標準？我們的依據(jù)條目有直接網(wǎng)絡(luò)、間接網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)檢測類的等等。像法規(guī)級別的話，目前停留在標識，像18384就是這個要求。18384加起來20來頁，相對來說非常泛，只是提要求，怎么做沒告訴你。我們做規(guī)范顯然不能這么做，一定要寫詳細的要求，如何做，如何驗證。今天上午講到動力電池這一點，我們要做非常多的研究和要求。綠色部分是今年ISO標準里面新增加進去的，也被中國新國標采納了，新電動汽車安全要求里面也都有所采納了。還有一些國外的要求，比如對特殊高壓部件，它要檢驗監(jiān)控。BMS里面肯定有檢驗監(jiān)控。還有逆變器，DCDC等等，它都有特有要求。車輛部件有一些特殊要求，比如OBC的要求，過冷保護、接觸電流等等這些要求，這些要求加起來相對比較完善，從而可以幫助主機廠和零部件供應(yīng)商完善自己企業(yè)的標準。這樣做出來是比較完整的需求端，就比較清晰了。我相信在座各位沒有一個不知道等電位的，我給大家做一個深入的探討，法規(guī)要求，要保證你的車輛從生產(chǎn)下線到使用的生命周期范圍內(nèi)，它都要保證它的等電位。法規(guī)這句話只是一個最低門檻，我們?nèi)绾巫觯?br />  
首先，我們做等電位之前要明白，為什么要做等電位？做等電位目的是什么？等電位失效之后會出現(xiàn)什么狀況？等電位會對人體起到間接的保護，失效情況下會起到保護作用。車輛的框架就是等電位最大的載體，所有高壓部件的等電位都是連接到車身框架去的，除了等電位保護之外，還有一點，跟蓄電池的負極是連接在一起的。連接的目的就是要保證車輛相同的等電位，電壓是一個相對的概念。比如展館的市電就是220伏的電壓，它是相對的。車身不一樣，它不像室電比較固定。車在行駛中，電壓會從400伏降到200多伏。電壓在變，它的環(huán)境比我們想象中復(fù)雜。假設(shè)它出現(xiàn)問題，會出現(xiàn)什么狀況？當我們在充電和行駛過程中，出現(xiàn)漏電情況的時候，對人體來說直接有一個觸電危險。所有這些監(jiān)控，無論電壓監(jiān)控、電阻監(jiān)控，還是溫度監(jiān)控，其實都是靠蓄電池供電。我的等電位如果做得不夠好，所有這些電壓就會失效，工作就會紊亂了。比如出現(xiàn)碰撞時，就不會把繼電器斷開，該斷的時候沒有斷，導(dǎo)致惡劣情況出現(xiàn)，燒起來了。
 
如何做等電位？目的很清楚，保護人體，還有一個是整車要有一套完整的、統(tǒng)一的電系統(tǒng)，目標所有高壓都要等電位。功能就是在整個EOL保持等電位在100毫歐內(nèi)。怎么做？主要從以下四個方面做。
 
首先，車輛是一個IT系統(tǒng)，它是相對獨立的系統(tǒng)，而且它在移動。車輛行駛過程中假設(shè)出現(xiàn)漏電了，在維修時碰到高壓部件，如果我的等電位做得夠好，這一段的電位夠小，也就是說沒有電壓差，相當于沒有電流流過人體，這樣自然而然就起到保護人體的作用。這也就是為什么像小鳥停在幾萬伏高壓電下面都不會電到它，因為流過小鳥身體內(nèi)部的電流微乎其微，這也是保護人體的重要的機理，起到間接保護作用。當絕緣失效情況下，這個地方已經(jīng)漏電的情況下，我碰到它就不會有問題，因為我們有等電位。
 
第一，我們作為零部件供應(yīng)商和主機廠提需求時，它有一個有意義的100mohm。除了高壓部件之外，要考慮振動，整個生命周期長時間的老化，各種各樣的問題，比如我們做到40mohm，以及兩個高壓部件之間要做到小于100mohm，新國標里面提的是200 mohm，不管是多少mohm，這是主機廠根據(jù)車輛情況研究出來的。你要做到100mohm有100的設(shè)計，各方面都不一樣。至少100mohn是經(jīng)過一百年歷史研究過來的，它對人體保護作用是比較可靠的。
 
第二，等電位線。用多粗多細，用多少都有要求，主要看高壓部件自身流過的電流有多大，再確定等電位，這個是有相關(guān)標準作為支持的。因為等電位線對EMC的影響是非常直接的，所以用什么樣的線，除了安全因素之外，還要考慮EMC的要求。目前主流是用扁平編織線來做。
 
第三，如何做等電位連接才不會松動？我的蓄電池外殼和車身框架怎么做才能防止松動，這也是非常重要的話題。我們要求根據(jù)標準，比如拆裝十次之后不滑絲。等電位的螺釘一定要擰在金屬里面，不能擰非金屬里面。不同物質(zhì)物理性質(zhì)不一樣，長時間在極寒極熱的環(huán)境下物理性質(zhì)不一樣，所以不允許這種情況出現(xiàn)。就在開始我講過一個故事，防水的問題。大家知道動力電池的防水靠什么來實現(xiàn)的？電池包在殼體里面，動力電池防水靠什么實現(xiàn)的？靠密封圈，所有防水都要靠密封圈實現(xiàn)，靠機器壓接，密封性足夠好就能提高防水作用。我為什么提這個要求？這也是很多主機廠或者供應(yīng)電池的供應(yīng)商提出的問題，它們經(jīng)常弄在動力電池外殼的螺釘上面去了，這樣有沒有問題？有問題，它的螺釘是不允許跟這些非金屬材料來傳遞的，因為非金屬會熱脹冷縮，一定會松，所以等電位就會出問題，這是顯而易見的。
 
我們在生產(chǎn)過程中，有些時候不方便用螺釘時，要用到一種沖壓技術(shù)。不打螺釘，這個時候?qū)嚿砜蚣芤幸?，至少要四個螺圈。當我的厚度不夠的情況下怎么辦，會采取一種沖壓技術(shù)，把車身框架沖壓一下，使得更加厚一點。比如這種是不應(yīng)該做的，也就是說它原本沒有螺紋，通過螺釘引入過程中形成了螺紋，這種結(jié)構(gòu)是不允許的。還有直接螺紋也不允許，這個螺釘會破壞掉原有的螺紋結(jié)構(gòu)，也就是一致性。很多都是自切螺釘?shù)?，這個地方有一圈螺槽，引出來螺紋已經(jīng)被破壞掉了。為什么采取這種結(jié)構(gòu)？有些供應(yīng)商要控制你用過去的拆裝零件。這種對等電位是不允許用，因為考慮到維修，所以在選螺釘時要非常注意。
 
還有一種情況是，車身框架也好，高壓部件外殼也好，我們要做電鍍或者噴漆處理，但是做等電位又要保持連接，這個時候會面臨一個問題，我們要把漆掛掉。或者有兩種方式，一種噴之前貼身五片，不讓它碰到，或者噴好漆之后，有一種叫刮漆處理，有些螺釘帶刮漆作用的。如果電鍍之前做的話成本增加，而且效果不一定好，該怎么電鍍怎么電鍍，用刮漆的話就直接解決這個問題了。
 
第四，最后一點，為了比能量密度也好，鋼也好，鋁也好，不管怎么樣要求要達到。我們做等電位的時候，不同金屬之間有電腐蝕，比如銅和鋁，鋁會變成三氧化二鋁，結(jié)合著空氣和水，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會加劇電腐蝕。相關(guān)標準里面有提到，不同金屬之間的電腐蝕如果超過0.6V以上，它的電腐蝕就不能做等電位，這個在IEC60950有提到。法規(guī)也好，工信部也好，有的等電位要做到100毫歐。任何一條我們在做的時候都要花非常大的心思去研究和處理，才能保證等電位。
 
順便講一下，當主機廠建立好規(guī)范之后，大家一定要驗證、測試，我們可以協(xié)助你們?nèi)ソ⑾裰鳈C廠的測試室，基本上都是一些常規(guī)測試，標識、防護、等電位、等電阻、低電壓、低電能等等測試，這些都是電氣安全的常規(guī)測試。我們可以協(xié)助主機廠、零部件供應(yīng)商幫你們建立相關(guān)的測試實驗室。
 
最后是碰撞電氣安全。碰撞的確是主機廠非常重視的部分。假設(shè)我們的車輛碰撞之后，就在那里冒煙，如果你是工程師你會怎么辦，你會繼續(xù)測還是等它燒？如果我們不懂，沒有相關(guān)的預(yù)案和規(guī)范，我一定讓它燒，我要保住自己的人身安全，其實主機廠也是一樣。萊茵針對電動汽車行業(yè)有一個觸點培訓(xùn)，大概兩天，培訓(xùn)BGI 8686，我們會有理論考試。第二階段我們會做碰撞相關(guān)的標準，會有一個GB/T 31498等等與碰撞相關(guān)的標準的培訓(xùn)。最終有一個測試場地、設(shè)備、操作等等，理論到實踐。第三階段就是具體的碰撞測試，我們會協(xié)助主機廠做相關(guān)碰撞。我們會現(xiàn)場教他們出現(xiàn)什么問題要怎么分類，出現(xiàn)這種情況怎么操作，哪些專門負責溫度變化，哪些負責救火，哪些人負責測試，參與拆除設(shè)備。如果處理不當，燒一個假人一兩百萬，所以我們要盡可能做好預(yù)案，減少損失。最終，我們會對協(xié)助整個實驗室建立一套高壓安全碰撞之后的規(guī)范，這樣就避免了后續(xù)出現(xiàn)異常情況，這樣就做到心中有數(shù)，最后會發(fā)一個萊茵的證書。
 
這是一個成功案例：我們幫助廣本碰撞科做了這個事情。我們從理論、到實踐、到評估，到最終測試，幫他們建立了一套規(guī)范。這是我們的總裁幫他們頒發(fā)證書，最終建立了一套電動汽車高壓安全的操作規(guī)范。這個成功案例是關(guān)于小米手機快充的2.0。當然零部件供應(yīng)商也是一樣，我們有自己的一套標準，如果零部件供應(yīng)商跟你的客戶或者主機廠談的時候，談電氣安全，這是非常好的背書。這是三星、華為、小米，這些都有跟我們在做深度的合作，我們會頒發(fā)一個證書給到他們做背書。我們公司有近150年的歷史，在汽車行業(yè)已經(jīng)有超過100年的服務(wù)汽車安全的歷史，所以這點對他們來說還是比較有用的，當然這是在通訊里面，在汽車領(lǐng)域也是一樣的。
 
最后，再總結(jié)一下我們公司在電氣安全這方面有哪些服務(wù)？第一，萊茵會建立企業(yè)電氣安全規(guī)范；第二，電氣安全風(fēng)險評估；第三，建立電氣安全實驗室；第四，碰撞后電氣安全，等四個方面的服務(wù)。
 
這些就是我今天跟大家分享的電氣高壓安全的內(nèi)容。謝謝大家！
 
關(guān)于公眾號轉(zhuǎn)載：本文系NE時代原創(chuàng)作品 
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