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TÜV莱茵彭波：新能源动力电池系统测试技术分析与研究——电气安全专题
2019-04-27 22:44:09· 来源：彭波 NE时代
今天的主题主要是从电气安全角度看如何设计车辆，如何避免触电的危险。本文为励展博览集团及NE时代于4月25日-26日联合主办的 第三届AWC2019新能源汽车三电系统开
今天的主题主要是从电气安全角度看如何设计车辆，如何避免触电的危险。
本文为励展博览集团及NE时代于4月25日-26日联合主办的 "第三届AWC2019新能源汽车三电系统开发与测试技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。
演讲人：彭波 TÜV莱茵大中华区交通服务专家
演讲主题：新能源动力电池系统测试技术分析与研究——电气安全专题
彭波：谢谢主办方，大家下午好！我叫彭波，来自德国莱茵TÜV。今天我跟大家演讲的主题是：电动汽车的高压电气安全。刚才曾总有提到新能源汽车里面有高压，有高压就有触电危险。而我今天的主题主要是从电气安全角度看如何设计车辆，如何避免触电的危险。
在讲电气安全之前，请大家看几张图片。在座的肯定有华南地区过来的车企朋友，华南地区每年到这个时候都有极端暴雨天气，从而导致车有水浸现象，甚至整个车库的车辆全部被淹掉。如果电动车泡在仓库里面，会发生什么事情？或者说作为一个普通民众，买了一部电动车，被水浸后他还敢碰吗？
讲一个亲身经历：我前段时间去办事情，正好坐的是一部纯电动公交车。当走在一个有点水浸的地方,司机突然把车停在那里不动了。我问司机怎么不开了，旁边小车敢开你为什么不敢开啊？他说这个车是纯电的，里面好几百伏电压，万一进水怎么办？ 我说没事的，我说车辆做了涉水测试的，小车做100mm，客车做了300mm的涉水测试的。他一看水可能接近30厘米了，他不走。我就说师傅走吧，车里所有高压部件都做了IP67的防水测试，他说不懂什么IP67？我说就是水进不到部件里面去，师傅还是不走。他说开这纯电动公交车两三年了，中间还修过。我说即使你不相信什么防水，就真的有水进入，车辆的监测系统第一时间会断电的，没事的。他问我干什么的，我说研究这个车高压安全的。他说他有一个问题，这个车每天都在公交车站里面充电，开来开去，充来充去，但是有一点，现在所谓的防水也好，断电也好，但是这个能量去哪里？我说在电池里，出了问题所有能量锁在了储能电池里面。他说既然在这里面，一遇水就有触电风险，最终还是没有开，就这样不了了之。我想跟他说，我们的纯电池做了很多研究和测试，以及从结构上确保，当出现意外时真正能够锁在里面，不会把它泄露出来，不会有危险，但是他还是不走。从这个故事中我们可以看出，民众对于新能源车电气安全问题还是带有非常大的问号，更不要说燃烧、充电异常等一系列事故。
下面这张图更加极端，这是我在月初去广州一家知名医院时抓拍的。医院里面写得非常清晰：本建筑内禁止停放电动车辆或者充电！你让买这些电动车的民众情何以堪啊？从种种迹象看，电气安全问题在社会上还是有很多的质疑，这还值得我们深入研究。
刚才我举了一个小例子跟大家谈了电气安全问题。目前，无论是国际还是中国国内的一些背景，其实国家工信部也非常重视这些问题，特别是最近这么多问题出来了。在中国这块做得还算比较领先的，至少比较积极地推动这些事情，也做了很多工作，比如今年初颁发了《电动汽车安全指南》。大家应该都知道，电动汽车安全指南出来了，两百多页，对电动汽车OEM有比较好的指导作用。目前没有一个真正关于电动汽车的GB标准，现有标准也就GB7258里有提到一些电动汽车的电气安全要求。针对电动汽车安全新的 GB标准也将颁发，现在正在报批阶段，预计今年会公布，在2020年强制执行。
我今天的主题主要从建立企业电气安全规范、电气安全风险评估、建立电气安全实验室、碰撞后电气安全四个维度给大家分享TÜV莱茵的电动汽车电气安全解决方案。谈到任何设计，任何要求，最主要的是需求。需求是什么？作为主机厂来说一定会提需求给到零部件供应商，无论是BMS也好，动力电池、电机也好，它会提需求，它的需求来源于它的规范。所以规范是至关重要，企业规范不仅仅需要包含所有法规，同时需要考虑主机厂自身对该部件的要求。
第二，有了规范之后，我们会做整车或者零部件电气安全风险评估，比如：十年之后防水会出现问题，或者使用过程中出现恶劣工况之后会出现漏电的情况。
第三，有了规范，我们对应的是测试及验证，我们推出的第三个服务就是：协助主机厂建立电气安全实验室。
第四，碰撞之后的电气安全。
刚才那一页主要针对主机厂，这一页针对零部件供应商。对于零部件供应商，我们的解决方案是，从设计到测试，到报告、到最后颁发证书。这是我们最近几年推出的标识，就是中国认证，你的高压部件在某个方面，比如电气安全这个纬度做得ok，有相关制造法规出来，有OEM主流的要求，我们可以颁发一份TÜV公司认证的标识，相当于为零部件供应商做背书。这个标识是我们做得比较好的，比如华为、OPPO、小米都有快充，我们已经颁发了很多类似的快充安全证书。快充4.2C充电电源安全吗？我们可以专门定制一份中国的认证证书。我们要看一下标准，对高压零部件来说，我们要有一份认证标准。大概可以看一下，这是莱茵公司内部的标准，是专门针对汽车零部件推行的标准。这里面囊括了很多要求，不一一赘述。比如标识，有一些过压、欠压等等，还有非正常工况以及连接，以及结构、材料阻燃等等。相对来说这是比较完整的一套从电气安全的纬度写的一份标准。首先，在设计端要有一套刚才看的标准。满足这个标准情况下，我们可以根据标准做相关测试，最终报告，最终实现有一个mark给客户。
具体高压安全、电气安全涉及到哪些条目？对于一份规范来说，首先是主机厂的需求。对供应商来说主机厂有哪些要求要满足。有了主机厂需求之后，才有了零部件的电气安全的需求。提需求也不能凭空地提需求，它的需求来源于现有的一些国家标准，比如GB或者GBT标准或者行业相关标准，31498、7258，以及电动汽车安全指南等等，这些都是我们的最低门槛，一定要满足的。同时，我们还要考虑国际标准，ISO标准，比如最近像6469，19453等等一系列标准。这些标准更新得非常快，特别是6469在2018年完成了更新。ISO 6469-1正在和ISO12405合并，把以前的标准更新整合。以后纯电池标准也会越来越清晰，制定规范时都要把这些标准制定进去。同时，我们还要考虑除了这些GB标准，ISO标准之外，还要考虑主机厂的特殊需求。着重强调一点，目前电气安全的新鲜事物，特别是传统造车企业，他们之前没有高压的，都是低压48伏，现在有高压了，目前整个业界都是百花齐放的，每个企业都有自己的标准，有的完善，有的不完善。相对来说比较完善的标准是德国五大车厂的标准：LV123 (VW80303)。
刚才谈到了如何制定标准？我们的依据条目有直接网络、间接网络、系统检测类的等等。像法规级别的话，目前停留在标识，像18384就是这个要求。18384加起来20来页，相对来说非常泛，只是提要求，怎么做没告诉你。我们做规范显然不能这么做，一定要写详细的要求，如何做，如何验证。今天上午讲到动力电池这一点，我们要做非常多的研究和要求。绿色部分是今年ISO标准里面新增加进去的，也被中国新国标采纳了，新电动汽车安全要求里面也都有所采纳了。还有一些国外的要求，比如对特殊高压部件，它要检验监控。BMS里面肯定有检验监控。还有逆变器，DCDC等等，它都有特有要求。车辆部件有一些特殊要求，比如OBC的要求，过冷保护、接触电流等等这些要求，这些要求加起来相对比较完善，从而可以帮助主机厂和零部件供应商完善自己企业的标准。这样做出来是比较完整的需求端，就比较清晰了。我相信在座各位没有一个不知道等电位的，我给大家做一个深入的探讨，法规要求，要保证你的车辆从生产下线到使用的生命周期范围内，它都要保证它的等电位。法规这句话只是一个最低门槛，我们如何做？
首先，我们做等电位之前要明白，为什么要做等电位？做等电位目的是什么？等电位失效之后会出现什么状况？等电位会对人体起到间接的保护，失效情况下会起到保护作用。车辆的框架就是等电位最大的载体，所有高压部件的等电位都是连接到车身框架去的，除了等电位保护之外，还有一点，跟蓄电池的负极是连接在一起的。连接的目的就是要保证车辆相同的等电位，电压是一个相对的概念。比如展馆的市电就是220伏的电压，它是相对的。车身不一样，它不像室电比较固定。车在行驶中，电压会从400伏降到200多伏。电压在变，它的环境比我们想象中复杂。假设它出现问题，会出现什么状况？当我们在充电和行驶过程中，出现漏电情况的时候，对人体来说直接有一个触电危险。所有这些监控，无论电压监控、电阻监控，还是温度监控，其实都是靠蓄电池供电。我的等电位如果做得不够好，所有这些电压就会失效，工作就会紊乱了。比如出现碰撞时，就不会把继电器断开，该断的时候没有断，导致恶劣情况出现，烧起来了。
如何做等电位？目的很清楚，保护人体，还有一个是整车要有一套完整的、统一的电系统，目标所有高压都要等电位。功能就是在整个EOL保持等电位在100毫欧内。怎么做？主要从以下四个方面做。
首先，车辆是一个IT系统，它是相对独立的系统，而且它在移动。车辆行驶过程中假设出现漏电了，在维修时碰到高压部件，如果我的等电位做得够好，这一段的电位够小，也就是说没有电压差，相当于没有电流流过人体，这样自然而然就起到保护人体的作用。这也就是为什么像小鸟停在几万伏高压电下面都不会电到它，因为流过小鸟身体内部的电流微乎其微，这也是保护人体的重要的机理，起到间接保护作用。当绝缘失效情况下，这个地方已经漏电的情况下，我碰到它就不会有问题，因为我们有等电位。
第一，我们作为零部件供应商和主机厂提需求时，它有一个有意义的100mohm。除了高压部件之外，要考虑振动，整个生命周期长时间的老化，各种各样的问题，比如我们做到40mohm，以及两个高压部件之间要做到小于100mohm，新国标里面提的是200 mohm，不管是多少mohm，这是主机厂根据车辆情况研究出来的。你要做到100mohm有100的设计，各方面都不一样。至少100mohn是经过一百年历史研究过来的，它对人体保护作用是比较可靠的。
第二，等电位线。用多粗多细，用多少都有要求，主要看高压部件自身流过的电流有多大，再确定等电位，这个是有相关标准作为支持的。因为等电位线对EMC的影响是非常直接的，所以用什么样的线，除了安全因素之外，还要考虑EMC的要求。目前主流是用扁平编织线来做。
第三，如何做等电位连接才不会松动？我的蓄电池外壳和车身框架怎么做才能防止松动，这也是非常重要的话题。我们要求根据标准，比如拆装十次之后不滑丝。等电位的螺钉一定要拧在金属里面，不能拧非金属里面。不同物质物理性质不一样，长时间在极寒极热的环境下物理性质不一样，所以不允许这种情况出现。就在开始我讲过一个故事，防水的问题。大家知道动力电池的防水靠什么来实现的？电池包在壳体里面，动力电池防水靠什么实现的？靠密封圈，所有防水都要靠密封圈实现，靠机器压接，密封性足够好就能提高防水作用。我为什么提这个要求？这也是很多主机厂或者供应电池的供应商提出的问题，它们经常弄在动力电池外壳的螺钉上面去了，这样有没有问题？有问题，它的螺钉是不允许跟这些非金属材料来传递的，因为非金属会热胀冷缩，一定会松，所以等电位就会出问题，这是显而易见的。
我们在生产过程中，有些时候不方便用螺钉时，要用到一种冲压技术。不打螺钉，这个时候对车身框架要有要求，至少要四个螺圈。当我的厚度不够的情况下怎么办，会采取一种冲压技术，把车身框架冲压一下，使得更加厚一点。比如这种是不应该做的，也就是说它原本没有螺纹，通过螺钉引入过程中形成了螺纹，这种结构是不允许的。还有直接螺纹也不允许，这个螺钉会破坏掉原有的螺纹结构，也就是一致性。很多都是自切螺钉的，这个地方有一圈螺槽，引出来螺纹已经被破坏掉了。为什么采取这种结构？有些供应商要控制你用过去的拆装零件。这种对等电位是不允许用，因为考虑到维修，所以在选螺钉时要非常注意。
还有一种情况是，车身框架也好，高压部件外壳也好，我们要做电镀或者喷漆处理，但是做等电位又要保持连接，这个时候会面临一个问题，我们要把漆挂掉。或者有两种方式，一种喷之前贴身五片，不让它碰到，或者喷好漆之后，有一种叫刮漆处理，有些螺钉带刮漆作用的。如果电镀之前做的话成本增加，而且效果不一定好，该怎么电镀怎么电镀，用刮漆的话就直接解决这个问题了。
第四，最后一点，为了比能量密度也好，钢也好，铝也好，不管怎么样要求要达到。我们做等电位的时候，不同金属之间有电腐蚀，比如铜和铝，铝会变成三氧化二铝，结合着空气和水，会发生化学反应，会加剧电腐蚀。相关标准里面有提到，不同金属之间的电腐蚀如果超过0.6V以上，它的电腐蚀就不能做等电位，这个在IEC60950有提到。法规也好，工信部也好，有的等电位要做到100毫欧。任何一条我们在做的时候都要花非常大的心思去研究和处理，才能保证等电位。
顺便讲一下，当主机厂建立好规范之后，大家一定要验证、测试，我们可以协助你们去建立像主机厂的测试室，基本上都是一些常规测试，标识、防护、等电位、等电阻、低电压、低电能等等测试，这些都是电气安全的常规测试。我们可以协助主机厂、零部件供应商帮你们建立相关的测试实验室。
最后是碰撞电气安全。碰撞的确是主机厂非常重视的部分。假设我们的车辆碰撞之后，就在那里冒烟，如果你是工程师你会怎么办，你会继续测还是等它烧？如果我们不懂，没有相关的预案和规范，我一定让它烧，我要保住自己的人身安全，其实主机厂也是一样。莱茵针对电动汽车行业有一个触点培训，大概两天，培训BGI 8686，我们会有理论考试。第二阶段我们会做碰撞相关的标准，会有一个GB/T 31498等等与碰撞相关的标准的培训。最终有一个测试场地、设备、操作等等，理论到实践。第三阶段就是具体的碰撞测试，我们会协助主机厂做相关碰撞。我们会现场教他们出现什么问题要怎么分类，出现这种情况怎么操作，哪些专门负责温度变化，哪些负责救火，哪些人负责测试，参与拆除设备。如果处理不当，烧一个假人一两百万，所以我们要尽可能做好预案，减少损失。最终，我们会对协助整个实验室建立一套高压安全碰撞之后的规范，这样就避免了后续出现异常情况，这样就做到心中有数，最后会发一个莱茵的证书。
这是一个成功案例：我们帮助广本碰撞科做了这个事情。我们从理论、到实践、到评估，到最终测试，帮他们建立了一套规范。这是我们的总裁帮他们颁发证书，最终建立了一套电动汽车高压安全的操作规范。这个成功案例是关于小米手机快充的2.0。当然零部件供应商也是一样，我们有自己的一套标准，如果零部件供应商跟你的客户或者主机厂谈的时候，谈电气安全，这是非常好的背书。这是三星、华为、小米，这些都有跟我们在做深度的合作，我们会颁发一个证书给到他们做背书。我们公司有近150年的历史，在汽车行业已经有超过100年的服务汽车安全的历史，所以这点对他们来说还是比较有用的，当然这是在通讯里面，在汽车领域也是一样的。
最后，再总结一下我们公司在电气安全这方面有哪些服务？第一，莱茵会建立企业电气安全规范；第二，电气安全风险评估；第三，建立电气安全实验室；第四，碰撞后电气安全，等四个方面的服务。
这些就是我今天跟大家分享的电气高压安全的内容。谢谢大家！
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