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電車試驗(yàn)：電機(jī)系統(tǒng)與電驅(qū)動(dòng)總成安全——高壓安全

2022-02-08 11:34:48·  來(lái)源：汽車測(cè)試網(wǎng)  
　
相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車而言， 電動(dòng)化汽車一般有高達(dá)上百伏的電氣系統(tǒng)，超過(guò)了直流安全電壓范圍（直流60V），如不進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與防護(hù)，將可能帶來(lái)人員電擊等高壓
相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車而言， 電動(dòng)化汽車一般有高達(dá)上百伏的電氣系統(tǒng)，超過(guò)了直流安全電壓范圍（直流60V），如不進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與防護(hù)，將可能帶來(lái)人員電擊等高壓安全問(wèn)題。在高壓安全方面應(yīng)主要考慮如下技術(shù)要求和措施，如絕緣電阻、耐電壓、高壓安全標(biāo)識(shí)、高壓接觸防護(hù)、等電位連接、高壓放電、高壓接口安全、漏電保護(hù)和碰撞后安全等。
一、絕緣電阻要求
1、電機(jī)定子繞組對(duì)機(jī)殼絕緣電阻要求
應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.1 條的規(guī)定。
2、電機(jī)定子繞組對(duì)溫度傳感器絕緣電阻要求
應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.2 條的規(guī)定。
3、電機(jī)控制器絕緣電阻要求
B 級(jí)電壓的電機(jī)控制器，應(yīng)符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.7.3 條的規(guī)定并滿足如下要求：
1）動(dòng)力端子對(duì)外殼，冷態(tài)及熱態(tài)絕緣電阻均不小于1MΩ；
2）動(dòng)力端子對(duì)低壓端子（非地），冷態(tài)及熱態(tài)絕緣電阻均不小于1MΩ；以上測(cè)量應(yīng)按照最高工作電壓選擇兆歐表，測(cè)試方法按照GB/T 18488.2-2015 中5.7.5的規(guī)定進(jìn)行。
4、絕緣檢測(cè)要求
通常電池包內(nèi)部集成的絕緣檢測(cè)功能可以針對(duì)整車高壓系統(tǒng)的直流側(cè)絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。建議電機(jī)控制器具有交流側(cè)絕緣檢測(cè)功能。
二、耐電壓要求
按照電驅(qū)動(dòng)總成的最高工作電壓設(shè)定測(cè)試電壓并考慮冷態(tài)、熱態(tài)，制定不同要求，具體如下：
1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組的匝間沖擊耐電壓要求
應(yīng)符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.1 條的規(guī)定，最高工作電壓是指三相交流線電壓有效值。
2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的工頻耐電壓要求
應(yīng)符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.1 條的規(guī)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(shù)文件要求執(zhí)行。
3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組對(duì)溫度傳感器的工頻耐電壓要求
應(yīng)符合GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.2 條的規(guī)定。溫度傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體的工頻耐電壓測(cè)試要求和限值同5.2.8.2.2 條的規(guī)定。
4、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工頻耐電壓測(cè)試電壓及測(cè)試次數(shù)的要求
按照GB 755 要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工頻耐電壓應(yīng)僅對(duì)成品電機(jī)進(jìn)行測(cè)試， 驗(yàn)收時(shí)避免對(duì)繞組重復(fù)進(jìn)行全值耐電壓測(cè)試。如果應(yīng)客戶需求進(jìn)行第二次或多次耐壓測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)為前一次測(cè)試電壓值的80%，直到測(cè)試電壓降至1500VAC 最低試驗(yàn)電壓，測(cè)試時(shí)間為1 分鐘。
對(duì)于完全重繞的繞組，等同新電機(jī)對(duì)待，采用全值耐電壓測(cè)試。
對(duì)于部分重繞的繞組或經(jīng)過(guò)大修后的電機(jī)進(jìn)行耐電壓試驗(yàn)，則推薦采用下述細(xì)則：
1）對(duì)部分重繞繞組的試驗(yàn)電壓值為新電機(jī)試驗(yàn)電壓值的75%。試驗(yàn)前，對(duì)舊的繞組應(yīng)仔細(xì)地清洗并烘干。
2）對(duì)經(jīng)過(guò)大修的電機(jī)，在清洗和烘干后，應(yīng)承受1.5 倍額定電壓的試驗(yàn)電壓，如額定電壓為100VAC 及以上時(shí)，試驗(yàn)電壓至少為1000VAC，如果額定電壓為100VAC 以下時(shí)，試驗(yàn)電壓至少為500VAC。
5、電機(jī)控制器工頻耐電壓要求
在產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)，電機(jī)控制器需按照GB/T 18488.1-2015 中5.2.8.2.3 條的規(guī)定進(jìn)行工頻耐壓測(cè)試。對(duì)于有Y 電容的電機(jī)控制器，允許出廠檢驗(yàn)進(jìn)行直流耐壓測(cè)試，測(cè)試值為規(guī)定的工頻耐壓值的1.414 倍。
控制器整機(jī)裝配完成后必須先進(jìn)行絕緣和耐電壓檢測(cè)，測(cè)試通過(guò)以后才允許上高壓運(yùn)行。
耐電壓測(cè)試要求如下：
1）電壓等級(jí)要求參照GB/T 18488.1-2015 中表2 的規(guī)定。
2）試驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T 18488.2-2015 中5.8.4 條的規(guī)定。
3）漏電流限值按照技術(shù)文件要求執(zhí)行。
因耐壓測(cè)試對(duì)某些器件產(chǎn)生一定的損傷，會(huì)影響到器件的使用壽命，所以應(yīng)盡量減少耐壓測(cè)試的次數(shù)。如果應(yīng)客戶需求進(jìn)行第二次或多次耐壓測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)為前一次測(cè)試電壓值的80%，直到測(cè)試電壓降至1500VAC 最低試驗(yàn)電壓，測(cè)試時(shí)間為1 分鐘。
三、屏蔽與接地
1、電機(jī)與電機(jī)控制器間高壓線束屏蔽與接地要求
高壓多相連接系統(tǒng)應(yīng)帶有屏蔽層，屏蔽層兩端與高壓部件外殼有效接地，實(shí)現(xiàn)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(yīng)符合GB/T 25087-2010 中6.3 條要求，并且滿足整車電磁兼容要求。
2、控制器直流母線屏蔽與接地要求
高壓連接系統(tǒng)應(yīng)帶有屏蔽層，屏蔽層電機(jī)控制器端與控制器外殼有效接地，實(shí)現(xiàn)電纜360 度全方位屏蔽，接地電阻不大于40mΩ。
3、位置傳感器線束屏蔽與接地要求
位置傳感器線束應(yīng)采用雙絞線，并外套屏蔽層，建議屏蔽層兩端良好接地。
4、CAN 總線屏蔽要求
建議電機(jī)控制器CAN 通訊線束使用屏蔽雙絞線，屏蔽層在電機(jī)控制器端應(yīng)良好接地；或者按照技術(shù)文件要求執(zhí)行。
5、電機(jī)、電機(jī)控制器及其他功率控制器接地要求
驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器及其他功率控制器產(chǎn)品金屬外殼的接地電阻應(yīng)不大于100mΩ。
電機(jī)機(jī)座、控制器殼體等與底盤或者車身地之間應(yīng)有永久、可靠和良好的電氣連接。
接地線端子的連接應(yīng)可靠鎖緊并具備防松功能。
6、等電位連接
下圖是純電動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的典型高壓拓?fù)洹．?dāng)高壓部件正負(fù)極均出現(xiàn)絕緣問(wèn)題（如正負(fù)極同時(shí)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(jī)系統(tǒng)可導(dǎo)電外殼（遮攔）與整車底盤應(yīng)實(shí)現(xiàn)可靠的等電位連接。

圖5-1 電機(jī)系統(tǒng)典型高壓拓?fù)?/span>
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(guò)導(dǎo)體：如可導(dǎo)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(jī)控制器直接通過(guò)螺栓與電平臺(tái)相連或者焊接在車身上

圖5-2 等電位連接形式
等電位連接要求：
1）阻值要求；電機(jī)系統(tǒng)的可導(dǎo)電外殼（遮攔）與整車底盤之間的電阻應(yīng)小于等于100mΩ。
2）短路電流：等電位連接應(yīng)承載短路電流直至過(guò)流保護(hù)做出動(dòng)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(shí)間末。
4）連接要求：對(duì)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(yīng)耐腐蝕超過(guò)其指定壽命時(shí)間，并且不允許自動(dòng)松開(kāi)。
5）接地端子不應(yīng)兼作他用。
6）接地端子的螺栓和整車地應(yīng)有足夠截面，接地螺栓最小直徑按GB 14711-2013 表3（同下表1）的規(guī)定，接地導(dǎo)線截面積按GB 755-2008 表19（同下表2）的規(guī)定。
表5-1 保護(hù)接地螺栓最小直徑

表5-2 接地導(dǎo)線截面積

7、接地標(biāo)志要求
接地點(diǎn)應(yīng)有明顯的接地標(biāo)志。若無(wú)特定的接地點(diǎn)，應(yīng)在有代表性的位置設(shè)置接地標(biāo)志。
接地標(biāo)志依據(jù)GB/T 4026-2019 標(biāo)以保護(hù)接地圖形符號(hào)“ ”，必要時(shí)再應(yīng)用字母符號(hào)“PE”標(biāo)志。這些標(biāo)志不應(yīng)放在螺栓、可拆卸的墊圈或用作連接導(dǎo)線的可能拆卸的零部件上。
四、高壓接插件和連接器
1）B 級(jí)電壓部件的遮攔和外殼應(yīng)依據(jù)GB 18384-2020，滿足IPXXB 防護(hù)等級(jí)要求。
2）選用的配對(duì)耦合高壓接插件物理結(jié)構(gòu)上的連接引導(dǎo)部分應(yīng)不同，以滿足防錯(cuò)插功能。
五、高壓放電
在電機(jī)系統(tǒng)從高壓回路斷開(kāi)后，由于電機(jī)控制器內(nèi)部存在儲(chǔ)能器件，如直流母線支撐電容等，電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部高壓并不會(huì)立即消失，而是慢慢下降，在常規(guī)維護(hù)或者售后維修時(shí)可能導(dǎo)致高壓電擊，造成人員傷亡。因此，為避免如上事故，電機(jī)系統(tǒng)需同時(shí)具備主動(dòng)放電和被動(dòng)放電功能，即使主動(dòng)放電失效，被動(dòng)放電依然有效，且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須降到安全電壓以下，具體要求如下：
1、主動(dòng)放電要求
在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中使用的電機(jī)控制器輸入端電壓通常高于安全電壓，為保護(hù)人身安全，要求在電機(jī)控制器的直流側(cè)電容須配有放電電路，以快速降低直流側(cè)電容的電壓。電驅(qū)動(dòng)總成必須具備主動(dòng)放電功能。主動(dòng)放電可以通過(guò)電機(jī)繞組或者外接專用放電電阻實(shí)施。
按照GB/T 18488.1-2015 中5.5.3 條的要求，當(dāng)B 級(jí)電壓系統(tǒng)斷電后，應(yīng)在3s 內(nèi)將直流母線電壓降至安全水平（直流電壓60 V 以下）。
2、被動(dòng)放電要求
電驅(qū)動(dòng)總成還應(yīng)具備被動(dòng)放電的功能，在直流側(cè)接入被動(dòng)放電元器件實(shí)施。即使主動(dòng)放電功能無(wú)法完成，被動(dòng)放電裝置仍可對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行放電。此功能必須始終有效，而非被觸發(fā)后才有效。
當(dāng)B 級(jí)電壓系統(tǒng)斷電后，應(yīng)在2min 內(nèi)將直流母線電壓降至安全水平（直流電壓60 V以下）。
六、高壓防觸電防護(hù)與警告
電驅(qū)動(dòng)總成上應(yīng)具有高壓警示標(biāo)志，高壓警示標(biāo)志應(yīng)滿足GB 18384-2020 中5.1 條的內(nèi)容。

圖5-3 高壓警示標(biāo)志
電驅(qū)動(dòng)總成的B 級(jí)電壓部件的遮攔、外殼、接插件都應(yīng)通過(guò)以下兩種方式或其中一種滿足直接接觸防護(hù)的要求。
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 4208-2017 中規(guī)定的IPXXB 防護(hù)等級(jí)的要求。
如果遮攔或外殼可以徒手打開(kāi)， 則其可以打開(kāi)的部分應(yīng)具備高壓互鎖裝置，滿足本文5.2.7 章節(jié)的高壓互鎖要求。
七、高壓互鎖
高壓互鎖（High Voltage Inter-lock，簡(jiǎn)稱HVIL），是用低壓信號(hào)監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設(shè)計(jì)方法。該互鎖回路首尾連接在自動(dòng)斷開(kāi)裝置上，當(dāng)高壓電氣回路上任何一個(gè)高壓防護(hù)罩或插接件從回路上斷開(kāi)，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)低壓電信號(hào)，高壓立即被斷開(kāi)，且高壓系統(tǒng)不能再次上電。對(duì)于滿足防護(hù)等級(jí)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(méi)有互鎖措施，應(yīng)能保證先觸發(fā)高壓系統(tǒng)的切斷并保證外殼拆掉前有足夠的時(shí)間使高壓系統(tǒng)電壓低于60Vdc。高壓互鎖形式多樣，可以用公母端接插件對(duì)配、微動(dòng)開(kāi)關(guān)或機(jī)械互鎖等。推薦乘用車產(chǎn)品具備高壓互鎖功能，建議商用車產(chǎn)品選用高壓互鎖功能。如果高壓接線系統(tǒng)具備高壓互鎖功能，系統(tǒng)的功率端子和信號(hào)端子應(yīng)滿足：
1）高壓連接系統(tǒng)連接時(shí)，功率端子先接通，信號(hào)端子后接通；
2）高壓連接系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)，信號(hào)端子先斷開(kāi)，功率端子后斷開(kāi)。
八、高壓接觸防護(hù)
可拆卸的電機(jī)控制器外殼，必須符合復(fù)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(jìn)行外殼拆除：
拆除三個(gè)以上螺栓或兩種不同型號(hào)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(jī)控制器安裝在前機(jī)艙內(nèi)，完全裝配好的電機(jī)控制器防護(hù)等級(jí)應(yīng)滿足ISO20653 規(guī)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(yīng)保證執(zhí)行兩個(gè)獨(dú)立的操作后才能接近帶電部件，第一步操作必須觸發(fā)高壓系統(tǒng)的切斷并保證，第二步操作時(shí)高壓部件電壓已經(jīng)低于60Vdc 或低于30Vac，人員觸電防護(hù)同時(shí)應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)GB 18384-2020 的規(guī)定。
九、碰撞后安全
如果整車使用過(guò)程中發(fā)出碰撞，電驅(qū)動(dòng)總成需根據(jù)整車控制器指令執(zhí)行以下一個(gè)或多個(gè)保護(hù)措施：
1）電機(jī)控制器切斷負(fù)載電流，無(wú)功率輸出；
2）電驅(qū)動(dòng)總成激活無(wú)負(fù)載狀態(tài)；
3）激活電驅(qū)動(dòng)總成安全狀態(tài)；
4）對(duì)高壓電路主動(dòng)放電。
具體指標(biāo)要求如下：
1）當(dāng)高壓系統(tǒng)切斷時(shí)，必須立即根據(jù)整車控制器要求開(kāi)始高壓電路的主動(dòng)放電；
2）在碰撞信號(hào)發(fā)出的3s 內(nèi)，高壓電路的電壓必須降到60Vdc 以下。
十、電驅(qū)動(dòng)總成爬電距離和電氣間隙要求
電氣間隙為兩導(dǎo)電部件之間在空氣中的最短距離，與產(chǎn)品沖擊耐受電壓、污染等級(jí)、海拔高度有關(guān)。
1、電機(jī)爬電距離和電氣間隙要求
根據(jù)電機(jī)的耐壓等級(jí)和海拔高度，參考國(guó)標(biāo)GB 14711-2013 中11 章節(jié)的規(guī)定確定電動(dòng)機(jī)的爬電距離和電氣間隙，具體要求見(jiàn)GB 14711-2013 表4（工作電壓31V~750V）及表5（1000V 以上，這個(gè)電壓平臺(tái)在當(dāng)前電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用較少）。當(dāng)工作電壓在750V～1000V之間，建議按照GB 14711-2013 表5 工作電壓1000V 以上的爬電距離和電氣間隙設(shè)計(jì)。
2、控制器爬電距離和電氣間隙要求
1）電機(jī)控制器高壓系統(tǒng)的電氣間隙和爬電距離參考GB/T 16935.1-2008；
2）根據(jù)耐壓等級(jí)、環(huán)境污染等級(jí)、工作海拔高度等確定電氣間隙；參考GB/T
16935.1-2008 表F.2 和表F.7，海拔修正系數(shù)參考GB/T 16935.1-2008，表A.2；
3）根據(jù)環(huán)境污染等級(jí)、材料CTI 值、工作電壓等確定爬電距離；參考GB/T
16935.1-2008 表F.4；
4）當(dāng)主電路與控制電路或輔助電路的額定絕緣電壓不一致時(shí)，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(dǎo)電部分之間具有不同額定值時(shí)，電氣間隙與爬電距離應(yīng)按照最高額定絕緣電壓選取。
十一、高壓接口安全要求
1、防松脫設(shè)計(jì)要求
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(jí)鎖止裝置，至少需要兩個(gè)不同的動(dòng)作才能將其從相互的對(duì)接端分離；接插件之間具備防錯(cuò)插功能?？刹灏胃邏航硬寮?yīng)滿足GB/T 37133-2018 附錄A 的要求。
1.2 其它方式連接的要求
高壓連接系統(tǒng)的電纜壓接、螺紋連接、焊接等連接裝置，應(yīng)無(wú)松脫、斷裂等連接缺陷。
2、高壓連接系統(tǒng)防護(hù)要求
正常連接時(shí)高壓連接系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP67。若高壓連接系統(tǒng)可不通過(guò)工具手動(dòng)斷開(kāi)，則非連接狀態(tài)的高壓連接系統(tǒng)各部分的防護(hù)等級(jí)應(yīng)滿足IPXXB。
3、高壓連接系統(tǒng)耐振動(dòng)要求
高壓連接系統(tǒng)的耐振動(dòng)要求應(yīng)滿足GB/T 37133-2018 第7.4 條的要求。
十二、低壓線束連接安全要求
1、低壓線束連接可靠性
低壓連接系統(tǒng)的耐振動(dòng)要求應(yīng)滿足QC/T 29106-2014 第4.10 條的要求。
2、低壓插件碰撞保護(hù)要求
設(shè)計(jì)時(shí)低壓接插件應(yīng)布置于不易受碰撞的地方或者應(yīng)有一定的防碰撞保護(hù)，避免系統(tǒng)在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程中受損。
3、低壓線束密封性檢查要求
正常連接時(shí)低壓連接系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP67。
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