纯电动汽车安全技术分析.doc

1、 金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业综合项目成果（2016 届）题 目 纯电动汽车安全技术分析 学 院 机电工程学院 专 业 汽车检测与维修技术 班 级 汽修 131 学 号 201323020020067 姓 名 彭宜伟 指导教师 周梅芳 2015 年 11 月 8 日金华职业技术学院毕业综合项目成果目 录摘要1引言 11 纯电动汽车电安全分析11.1 纯电动汽车电伤害11.2 动力电池安全对纯电动汽车的重要性21.3 纯电动汽车会出现哪些意外事故 22 纯电动汽车安全事故32.1 纯电动汽车安全事故分析2

2、.2 在线绝缘检测设计32.3 运行安全性设计42.4 危险工况的安全性设计42.5 运行实时监控系统4 3 纯电动汽车使用过程注意事项 4 4 结论5谢辞 5参考文献 5纯电动汽车安全技术分析机电工程学院 汽车检测与维修技术专业 彭宜伟摘要 本论文主要是对纯电动汽车电气系统结构的介绍和分析，对纯电动汽车电气系统的安全性进行分析，电动汽车在充电及运行过程中，可能出现意外事故，造成动力系统的窜动、挤压、短路、开裂、漏电、热冲击、爆炸、燃烧等，由此对乘员产生机械伤害、电伤害、化学伤害、电池爆炸伤害以及燃烧伤害等，并可能引发更大的连发性事故以及二次伤害。国内几家主要的电动汽车研究院所曾先后出现过整车

3、乃至整个实验室瞬间烧为灰烬的事故。因此，电动汽车的安全性研究及其防范技术正在引起世界各国相关专家的高度重视，并投入了大量的人力物力进行研究。 本文重点分析了电动汽车动力系统可能对乘员产生的各种伤害，包括电动汽车的电伤害、电动汽车电池的燃烧爆炸伤害、电池电解液的泄漏和电池有害气体释放引发的伤害等方面，具体分析了它们产生的原因和可能引起的后果；研究了电动汽车几种常用动力电池的安全特性，包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池，以及它们各自可能存在的安全隐患和产生安全问题的机理。 关键词：纯电动汽车；电气系统；电安全。引言随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面

4、的问题越来越突出。为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和能源供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，即可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源安全。目前发展电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量动力电池、高压驱动电机等高压电气系统，由此而造成的高压电伤害完全有别于传统汽车。因此，随着电动汽车产业化进程的推进，对电动汽车电安全的研究刻不容缓。当今纯电动汽车发展的趋势越来越快，现在常见的汽车品牌的纯电动

5、汽车已经十分常见，如：比亚迪、三菱、众泰等。更是因为这样纯电动汽车的安全方面存在的问题也十分严重，故安全不容忽视，本文主要阐述纯电动汽车安全方面存在哪些问题以及如何应对。1 纯电动汽车电安全分析纯电动客车电气系统主要包括低压电气系统、CAN 网络通信系统和高压电气系统。低压电气系统采用 24V 电源，一方面为灯光、刮水器等常规低压电器供电，另一 方面为整车控制器（VCU）和电池管理系统（BMS）以及电 机控制器、DC/AC 等高压电气设备的控制回路供电；CAN 网络系统用来实现整车控制器、BMS 和电机控制器之间 的通信；高压电气系统主要由动力电池、驱动电机及其控 制器、辅助电机及其控制器以及

6、充电机等大功率、高电压 电气设备组成。纯电动客车的高压电气系统是区别于传统车的部分，也是纯电动客车安全性的研究重点1.1 纯电动汽车电伤害纯电动汽车的电压和电流等级都较高，纯电动大客车的电池组电压一般在 300600V, 电流可达几百安培。人体能承受的安全电压的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。人体电阻主要是由体内电阻、体表电阻、体表电容组成。人体电阻随着条件的不同在很大范围内变化，但是人体电阻一般不低于 1 k。我国安全电压多采用 36 V，大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200 的情况，这就要求人体可接触的电动汽车任意两个带电部位的电压要小于 36 V。根据国际电

7、工标准 2的要求，人体没有任何感觉的阈值是 2 mA。这就要 求如果人或其他物体构成动力蓄电池系统（或“高电压” 电路）与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不能 超过 2 mA，即人直接接触电气系统任一点的时候，流过 人体的电流应当小于 2 mA 才认为车辆绝缘合格。 因此，在电动汽车的开发中，要注意高压电气系统的绝缘设 计，严格控制绝缘电阻值，使泄漏电流在安全的范围内。 1.2 动力电池安全对纯电动汽车的重要性 电动汽车的关键部分是动力电池，对于电动汽车动力电池安全性的研究是分析电动汽车安全性的前提。近年来，锂离子电池在纯电动车上得到了广泛的应用。所以从锂离子电池来分析动力电池组的安全性

8、。锂离子电 池在正常使用过程中不会出现安全问题，但电池的滥用 会导致电池的热效应加剧，这是锂离子电池出现安全问 题的导火索，最终表现为电池的“热失控”，从而引起安全事故。导致热失控有以下几种情况1) 过充放电。在电池充电末期，电池内部离子的浓度增加，扩散性能下降，浓差极化增加，电池接受能力下降，电池再充电就会出现过充电。过充时如果电池的散热较好，或者过充电流很小，此时电池的温度较低，过充后只发生电解液的分解，电池仍然安全；如果此时电池的散热较差，或者由于高倍率充电导致电池温度很高而引发化学反应，往往导致安全问题3。同样，在电池放电末期提供大电流的能力下降，当电池剩余电量不足而又需要大电流放电时

9、，就会使电池过放电。过放电过程如下：当电池负极的锂离子完全脱出以后，为了维持电流，电池负极表面电极电位低的物质继续被氧化，同时正极材料 LiPF6 中的锂离子有可能发生还原反应4。在发生 过放电时，由于电池负极的锂离子减少，脱出能力下降， 极化电压增加，当电池的放电电压达到集流体（铜）的溶 解电压的时候，集流体会发生氧化和溶解，使得电池负 极的活性物质脱落，容易造成电池内部短路。2）过电流。电池过电流主要有以下几种情况： 低温环境下充放电。在低温环境下，由于电池的 导电性和扩散性下降，特别是电池负极的锂离子嵌入和 脱出能力下降，电池可接受电流的能力下降，容易导致 电池出现过电流。 电池老化、电

10、池的性能下降（包括容量降低、内阻增加、倍率特性下降等）后，仍按照原来电流充电。 电池并联成组。在充电过程中，由于电池一致性 的差异，单体电池的内阻各不相同，分配到各单体电池 的充电电流不同，可能会导致分配到某些单体电池电流 远大于充电电流。 电池的内外部短路。电池短路会在瞬间产生很 大电流，电池内部温度急剧升高，而使电池发生泄漏、起火等安全事故。3）电池过温。上述提到的过充、过放、过电流会导致电池过温，以下几种情况也会引起电池过温： 电池的热管理系统失效。表现为电池箱内电池温度传感器损坏、检测控制电路失效或散热风扇损坏。 电池温度采样点有限。电动汽车上电池数量众多，很难对每个单体电池都实现温度

11、检测。 温度采样点受限制。由于电池本身结构的原因，BMS 对电池的温度采样点一般都在电池正负极接线柱上，或者通过贴片采集电池外壳的温度，不能反映实际的电池内部温度。 工作环境温度高。如果电池靠近驱动电机或空气压缩机等发热部件，会导致电池过温。1.3 纯电动汽车会出现哪些意外事故 电动汽车在充电及运行过程中，可能出现意外事故，造成动力系统的窜动、挤压、短路、开裂、漏电、热冲击、爆炸、燃烧等，由此对乘员产生机械伤害、电伤害、化学伤害、电池爆炸伤害以及燃烧伤害等，并可能引发更大的连发性事故以及二次伤害。国内几家主要的电动汽车研究院所曾先后出现过整车乃至整个实验室瞬间烧为灰烬的事故。因此，电动汽车的安

12、全性研究及其防范技术正在引起世界各国相关专家的高度重视，并投入了大量的人力物力进行研究。 本文重点分析了电动汽车动力系统可能对乘员产生的各种伤害，包括电动汽车的电伤害、电动汽车电池的燃烧爆炸伤害、电池电解液的泄漏和电池有害气体释放引发的伤害等方面，具体分析了它们产生的原因和可能引起的后果；研究了电动汽车几种常用动力电池的安全特性，包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池，以及它们各自可能存在的安全隐患和产生安全问题的机理。 文章以湖南大学汽车碰撞实验室相关实验设备为试验研究平台，模拟实车运行工况，进行了电动汽车动力电池安全性试验研究，分析研究了动力电池在危险工况下的性能变化及其对电动汽车安

13、全性的影响；通过分析研究动力电池放电时的放电特性，探讨以非恒流放电方式替代目前采用的恒流放电方式的有效方法对电动汽车用动力电池的实际使用性能进行评价，并初步建立起相应的符合实际使用工况的电动汽车用动力电池放电性能评价方法体系。 在总结上述分析研究成果的基础上，参考现有的国内外电动汽车安全理论、相关安全研究成果和安全标准，本文建立了电动汽车可能存在的安全事故模式、检测方法和防护体系，开发完成了电动汽车氢气浓度测控系统。2 纯电动汽车安全事故4 月 26 日下午 6 时许，深圳一辆五洲龙电动大巴在充电时发生燃烧，据交警初步调查，判断是动力电池发生爆炸，最终这辆大巴被烧成骨架。目前事故已经处理完毕，

14、虽然没有人员伤亡，但这一事故仍旧引发了公众对纯电动车安全性的质疑。自电动汽车四项标准实施以来，纯电动车起火的事故频频见诸报端。2011 年 4 月 11 日，浙江杭州一辆众泰纯电动出租车自燃，事后众泰首批纯电出租车全部停运。同年 7 月 18 日，上海一辆电池+电容双电纯电动公交车发生自燃，事故分析显示，起火原因与电池组有关。2012 年 5 月 26 日凌晨，深圳滨河大道发生一起车祸，一辆比亚迪 e6 纯电动出租车在被碰撞后起火燃烧，三条生命葬身火海。有专家指出，起火的罪魁祸首亦是电池。而风靡全球的特斯拉，同样因为电池安全系统的缺陷，发生了多起起火事故。目前国内正在使用的新能源汽车并不多，相

15、对而言如此高密度的安全事件，让消费者很难对其产生信任。公众尤为担忧的问题是：发生碰撞后，纯电动车是不是比传统燃油车更容易起火、更不安全？起火的快与慢、局部还是整车、人员伤亡概率等问题，都是公众对汽车安全性评价的重要因素。2.1 纯电动汽车安全事故分析从多起安全事件的原因分析，纯电动汽车最大的安全隐患来自锂电池，因此，提高电池本身的安全水平，是提升电动汽车安全性的核心。然而，我国动力锂电池生产企业却并没有牢牢抓住锂电池安全性内在因素的特征，从制造环节解决动力电池内在安全性问题和电池组的整体防护问题。目前，很多企业仍旧是以手工或半自动化的方式生产锂电池，使产品安全性、稳定性和一致性难以得到保障。加

16、之利润下滑和亏损现象普遍存在，不少企业也难以进行必要的研发投入以保障电池的安全性国家 863 电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬指出，中国电池企业多年来一直处于低水平重复投资的状态，动力电池系统集成能力弱，安全难以保障。清华大学汽车工程开发研究院常务副院长宋健也表示，不管是磷酸铁锂电池还是锰酸锂电池，目前都没有从本质上解决电池的安全性问题。从原理来讲，高压电伏是威胁电动车安全性能的主要因素，但到现在为止，世界上还没有任何一项技术能从根本上系统地解决这些问题。在节能减排的大潮之下，推广纯电动汽车的初衷固然是好的，但纯电动汽车属于新兴产业，国内外技术及标准都未成熟，相应的安全体系并不健全。按

17、照目前的实际情况，纯电动汽车仍处在技术探索阶段，大规模地推广，催熟式的普及，显然不合适。通用汽车电池专家马克威尔布鲁格曾指出，如果由于工艺上的问题，两个电极接到一起，造成内部短路就会出问题。在其他电子产品上出现这个问题的概率是千万分之一，但一辆车的电池组由几千个电池组成，发生问题的概率就会升到几千分之一。众所周知，安全可靠的纯电动汽车离不开优质的锂电池产品。然而，在锂电池技术尚未完全成熟、市场还未普遍认可的情况下，由政府主导推动应用，却是中国新能源汽车正在走的一条道路。受政策支持，我国车企对纯电动汽车都摩拳擦掌，欲大显身手一番。与大型车企在纯电动汽车推进上的谨小慎微不同，中国的众多后来者在未经

18、多年技术沉淀就匆匆忙忙将产品推向了市场，这无异于是拿人的生命安全在作试验。2.2 在线绝缘检测设计电动汽车的运行情况非常复杂，在运行过程中难免会出现部件间的相互碰撞、摩擦、挤压，导致高压电路与车辆底盘之间的绝缘性能下降。电源正负极引线将通过绝缘层和底盘构成漏电流回路。当高压电路和底盘之间发生多点绝缘性能下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆的电气火灾5- 6。因此，高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能实时检测是电气安全技术的核心内容。国内对电动汽车绝缘电阻的检测已有了一些研究7- 11。图 1 是一种采用低频信号注入法的绝缘监控仪，绝缘监控仪内部产生一个正负对称的方波信号，并通过

19、 L+、L- 和 KE、E 端子与直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻 RF 构成测量回路，测量回路中的电流在取样电阻 Rm 上会产生一个取样电压，这个电压信号被内置的微处理器采集。通过运算，可以得出绝缘电阻的大小。微空比，并通过 PWM+/PWM- 端口对外输出，整车控制单元采集 PWM 信号后，将其占空比折算成绝缘电阻值，一方面可以送给仪表进行显示；另一方面也可以在整车控制程序中设置相应的阈值工作点，用于判定是否需要进行维护保养以及是否需要切断高压回路和禁止电机启动。2.3 运行安全性设计1） 故障报警。电动汽车在运行过程中，如果出现异常情况，需要仪表或指示器以声或光报警的形式提醒驾驶员，让驾

20、驶员注意车辆的异常情况，以便及时处理，避免发生安全事故。主要包括驱动电机转速高于限值、驱动电机温度高于限值、电机控制器温度高于限值、绝缘值低、SOC 低于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值、辅助系统通讯异常等信息。限值是指整车厂（或零部件厂）规定的值（如控制器厂家规定：控制器温度65 时报警，75 时降功率，85 时停机）。2） 降功率运行。电动汽车在运行过程中，如出现系 统过电流、驱动电机转速高于限值、驱动电机温度高于限 值、电机控制器温度高于限值、SOC 值过低、系统电压低 于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值等情 况时，控制系统应降功率运行电机，以确保整车的安全。3）

21、停车。电动汽车在运行过程中，如出现系统电压 低于限值、单体电池电压低于限值、电池温度高于限值、 驱动电池温度高于限值、档位开关失效、踏板故障、电机 控制器严重故障（控制器温度高于限值、控制器模块故障等）、严重绝缘故障、辅助系统（助力油泵、空气压缩 机）严重故障、电机严重故障（电机温度高于限值、电机传感器失效）等严重故障时，控制系统应立即停止车辆，确保财产和人身安全。2.4 危险工况的安全性设计由于动力电池的能量密度远远低于燃油的能量密度，使得电动汽车的质量有较大增加，碰撞中需要车辆耗散的动能明显增加，产生的事故后果也更为严重。同时由于电动汽车集成了大量的高压电气设备和线束，所以纯电动汽车在发生

22、危险工况下的电安全设计非常重要。1）高压线束走向要求布置在车辆骨架内侧，以提高对高压线束和人员的保护作用。2）电动汽车设计时，充分考虑电池箱的设计和固定，并进行相关的计算机模拟分析（受力分析、碰撞分析），确保碰撞时，动力电池箱不能窜入乘客舱内。3）电池箱与车体应实现二次绝缘，箱内要设置烟雾温度报警系统，以便能及时对事故作出正确处理，确保人身和财产安全。4）车辆安装碰撞传感器和绝缘电阻检测装置。当车辆发生碰撞或绝缘电阻过低时，主动切断高压回路，实现电池组与外部电路的电隔离。5）主回路和电池箱内安装快速熔断器。当发生过电流事故时，主回路熔断器能迅速切断动力电池和电气设备的连接，并能最大限度地保护电

23、池箱内部的短路。6）在主回路和电池箱上安装手动断电装置。当发生事故时，可以手动切断各电池箱之间的电连接，将车 辆整体电压降至安全电压范围内。2.5 运行实时监控系统 纯电动汽车运行实时监控系统能采集车辆运行的各种信息，包括电池信息、驱动系统信息和车辆信息，跟 踪记录每辆车的运行情况，以远程诊断的方式及时发现车辆故障，缩短故障响应时间，减少维修时间，并通过对 车辆运行参数的评估，对故障进行预测，预防和杜绝重 大事故的发生，确保电动汽车的安全性。纯电动汽车运行实时监控系统具有以下功能：实时 监控电池 / 电机安全运行状态、采集车辆运行数据、车辆 远程监控、GPS 定位、数据存储管理、统计分析等功能。