电动汽车动力系统的安全问题涉及面较广,关联技术较多。目前,行业上对安全有着多重角度的定义和分类,且随着电动汽车新技术的发展,新型安全问题如换电安全、信息对抗、网络安全、预期功能安全等也是行业关注的重点。本书中所指的电动汽车动力系统安全,主要是针对电动汽车所特有的高压电安全、电气控制安全、机械结构安全、电磁兼容性、动力蓄电池安全问题、功能安全等,并将这些安全问题融合到了电动汽车动力系统开发过程中的各个章节进行介绍。
高压电安全是指电动汽车中高压系统的电气安全,包括车载可储能装置的安全要求、电动汽车特殊操作和故障防护安全以及人员触电防护。车载储能装置的安全要求主要包括电芯及电池系统的电安全、热安全和机械安全等方面的要求;电动汽车特殊操作和故障防护安全主要包括电动汽车启动、运行、充电、热失控等方面的要求;人员触电防护主要包括标识、直接接触防护、间接接触防护和防水等方面的要求。目前,各车企主要依据电动汽车安全三大强标(GB 18384、GB 38031和GB 38032)进行高压安全设计,同时会参考部分国外标准法规(EVS-GTR 20、UN R100等)。
在对电动汽车各个模块进行电气控制时,可能因控制失效、硬件故障或其他原因导致系统安全问题,因此,电气控制安全需要从系统硬件和软件等方面来实现。在硬件上,系统首先需要满足其需求的电气性能要求和环境适用性要求,在此基础上,要考虑硬件失效导致的安全问题,对硬件进行失效分析,识别设计中潜在的风险,并采用一定的冗余设计避免硬件失效而产生安全风险。在软件层面,首先需明确软件安全要求定义、软件架构设计、软件单元设计等基本需求,在软件完成后需进行测试验证,验证安全性能及功能是否满足要求,一般通过台架测试、HIL(Hardware in the Loop)测试和整车实际测试实现。另外,在进行电气系统设计时,需要对其进行功能安全设计。
电驱动总成中,驱动电机在大部分工况下处于高速旋转状态,高频、高压、大功率环境下轴承易发生电腐蚀失效。此外,动力蓄电池系统、高压驱动系统和高压电缆等部件,在发生碰撞事故后可能会对乘员造成电击危害。因此,需要特别重视电动汽车动力系统的机械结构安全性能。
机械机构安全重点考虑高压系统的防护结构,主要包括电池包边框和托盘、电机外壳以及控制器外壳等,目前主流的高压防护结构采用的材料为铝。另外,为设计足够安全动力系统,还需要考虑动力系统模块本身的结构强度,以及与相关车辆结构的布置位置、尺寸大小和相关控件等要求。
当前我国电动汽车动力系统主要采用的是驱动电机系统,这种系统与传统的内燃机系统相比优势很大。加强对电动汽车用电机以及控制器的电磁兼容(Electric Magnetic Com-pliance,EMC)测试,有助于保证电动汽车的质量,提升电动汽车的性能。电动汽车动力系统是电动汽车的关键动力系统,包括动力蓄电池组、车载充电机、DC/DC变换器、动力总成控制器和驱动电机。动力系统在工作中由于电流在极短时间内跳动以及大功率半导体开关的快速移动,会发出强烈的辐射以及电磁干扰。例如绝缘栅双极型晶体管的开通和关断,虽然只有几十纳秒,但是在这几十纳秒中会产生强烈的电磁干扰。
动力系统电磁干扰会严重影响电动汽车的性能。为了减少电磁干扰,首先要加强电磁兼容性的测试,主要包括骚扰性能测试、抗扰性能测试和充电性能测试。骚扰性能是指其产生的电磁能量对其环境中外界事物的干扰力,包括对车载电器的骚扰、对外界环境的骚扰、对车载接收机的骚扰以及对人体的辐射骚扰。抗扰性能指的是对机动车辆的电子器组件抗电磁辐射能力。充电性能是指电动汽车在充电过程中的电磁兼容性能,包括整车可能受到来自电网络的电磁干扰,以及整车可能对充电网络带来的干扰。
续驶里程短、热安全性能不佳以及充电时间长等一直是电动汽车动力蓄电池的痛点,近年来快速充电(简称快充)技术成为各大电动汽车厂商争相发展的热点,而快充所伴随的大倍率充电给电池的安全防护设计提出了更高的要求。
针对动力蓄电池系统高化学能量、高电压的特点,安全防护设计主要考虑防火、防爆、防泄漏。在非正常状态或者典型的失效模式下,电池所存储的化学能通过本身不可控的方式释放,导致电池系统发生热扩散,引起火灾或爆炸。从物理层面,可以在动力蓄电池系统内部设计相关结构(如隔热胶、隔热棉、隔热陶瓷片等)防止热失控,也可通过关键部件的阻燃设计,来确保动力蓄电池系统的热安全。动力蓄电池在失效情况下除了会释放热量外,还会产生大量气体,当内部气体积攒到一定程度没有得到释放便会引起爆炸,所以动力蓄电池系统应具备有效的泄压装置,用于平衡内外部气压,防止因内部气压过高造成壳体变形,从而引起防护等级降低或失效。泄压装置安装的位置和方向应避免对乘员舱或车辆周边人员造成人身伤害,泄压位置需要根据电池包内部结构和整车布置设计。
另外,动力蓄电池含有电解液,液冷或直冷系统也存在易导电的冷却介质,若电池系统内部发生电解液或冷却介质泄漏,容易造成绝缘防护失效或者外部短路,从而导致整个电池系统发生热失控和热扩散,引起起火或者爆炸等安全风险。因此,动力蓄电池系统结构设计中应该考虑到提高热管理系统结构强度,同时可使用绝缘材料涂覆电池系统箱体,提升绝缘防护性能。