2.5 触电防护

触电防护的基本原则是使危险的带电体不会被有意或者无意地触及。常用措施有以下几种：通过设立、张贴专用警示标识提醒人员注意并远离高压部件；通过对带电工作部分及可导电部分增加的绝缘防护等措施来避免人体受到伤害；通过保护高压系统本身的回路来避免人员触电受伤；以及通过实时监测高压系统绝缘状态，在故障发生的第一时间做出响应，来避免人员受到伤害。

2.5.1 警示标识

1. 高压电警告标识

高压电警告标识是警示高压危险的标识。GB 18384—2020规定，电动汽车上B级电压的所有高压部件都应该具有高压标识，高压警告标识符号如图2-5所示。符号的底色为黄色，边框和箭头为黑色。放置高压电警告标识的作用是确保人员人身安全，避免他人在未经允许或在不知情的情况下触碰高压部件而发生危险。

2. 高压电线颜色标识

高压电线外皮和高压线束波纹管都是通过橙色提示高压危险，且高压电线还应有图2-6所示的高压警告标识。

2.5.2 接触防护

接触防护措施主要有绝缘、屏护、间距三种措施：绝缘是利用绝缘材料对带电导体进行封闭和隔离；屏护是一种对电击危险因素进行隔离的方法，例如采用遮栏、护罩、护盖、箱闸等把带电导体同外界隔离，以避免人体触及或接近带电体而发生触电事故；间距是指带电体与地面之间、带电体与其他设备和设施之间、带电体与带电体之间必要的安规间隙，以防止人触及或接近带电体造成触电事故。

1. 直接接触防护

直接接触防护是通过绝缘材料、外壳或遮栏来实现人体与B级电压带电部件的物理隔离，电动汽车主要是通过外壳/遮栏、高压接插件、维修开关装置及充电插座几个部分的设计来实现全面直接接触保护。

（1）外壳或遮栏接触防护设计

电动汽车高压部件的外壳或遮栏应起到隔绝人体触摸到高压部件内部带电部分的作用。对于乘用车产品，所有的高压部件在安装正确后均应满足IPXXD防护等级要求。

（2）高压接插件接触防护设计

高压接插件在装配完好时，应满足IPXXD防护等级要求。现应用在电动汽车上的高压接插件通常在打开后非耦合状态下满足IPXXB防护等级要求，且具备高压互锁功能。在接插件被打开后，高压系统通过下高压电及主动泄放方式，能将回路电压降低到安全电压以下。打开后不满足IPXXB的接插件则需要其他机械装置的设计，保证在拆卸高压接插件前需拆下该机械装置，或者需要满足打开后1s内将回路电压降低到安全电压以下的要求。

（3）高压维修断开装置接触防护设计

高压维修断开装置在装配完好时，应当满足IPXXD防护等级要求。当高压维修开关处于被打开或拔出的状态时，一般情况下B级电压带电部分应满足IPXXB的防护等级要求且触发高压互锁功能，或满足在分离后1s内其B级电压带电部分的电压降低到安全电压以下的要求。

（4）充电插座接触防护设计

交流充电插座在未耦合的状态下须满足IPXXB防护等级要求，同时需要设计一些控制策略，使其在被拔出后1min内将B级电压回路降低到AC 30V（有效值）或DC 60V以下，或者电路存储总能量小于0.2J。但是目前直流充电插座在未耦合状态下无法满足IPXXB防护等级要求。

2. 间接接触防护

在高压电气设备、线路等出现故障的情况下，原不带电的外露可导电部分可能变为带电状态，这时会有触电的风险。为避免发生此类人身触电事故而采取的防护措施，称为间接接触防护。电动汽车间接接触防护措施有以下设计要求：

（1）绝缘电阻设计要求

在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻应不小于100Ω/V，交流电路绝缘电阻应不小于500Ω/V。如果直流和交流的B级电压电路可导电地连接在一起，则应满足绝缘电阻不小于500Ω/V的要求。

若交流电路有附加防护，则组合电路绝缘电阻要求不小于100Ω/V。附加防护方法需满足线路有两层及以上的绝缘层、遮栏或者外壳，或者满足电路布置在外壳里或遮栏后，且这些外壳或遮栏应能承受不小于10kPa的压强，不会发生明显的塑性变形。

（2）电位均衡设计要求

用于防护与B级电压电路直接接触的外露可导电外壳或遮栏等，应传导连接到电平台间，满足外露可导电部分与电平台间的连接阻抗应不大于0.1Ω，且任意两个可以被人同时触碰到的外露可导电部分，即距离不大于2.5m的两个可导电部分之间的电阻应不大于0.2Ω。电位均衡通路中，如果是采用焊接连接方式，则默认为满足上述要求。

（3）电容耦合设计要求

B级电压电路中，任何B级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时存储的能量应不大于0.2J。0.2J为对B级电压电路正极侧Y电容或负级侧Y电容最大存储电能要求。此外，若有B级电压电路相互隔离，则0.2J为单独对各相互隔离的电路的要求。

（4）充电插座设计要求

车辆交流充电插座和直流充电插座均应有端子将电平台与电网的接地部分连接，此外，充电时传导连接到电网的电路的绝缘电阻，在充电口断开时应不小于1MΩ。

3. 兼顾直接和间接接触防护的措施

兼顾直接接触防护和间接接触防护措施主要有：安全电压、剩余电流动作保护、双重绝缘、加强绝缘及电气隔离。

（1）安全电压

安全电压又称安全特低电压，是属于既能避免直接接触电击，又能避免间接接触电击的防护措施。其保护原理是限制系统可能会作用于人体的电压至安全范围内，从而使触电时流经人体的电流受到抑制。

一般来说，当人体流过AC 0.5mA电流时就会产生生理反应，但此大小的电流不会对人体产生任何生理性伤害；当人体长时间通过5mA的交流电流时，则会产生强烈的类似于肌肉收缩的反应，不过依旧不会造成生理性伤害；当人体较长时间通过超过10mA的交流电流时，将会产生病理性反应，如呼吸困难、心跳加快等。当通过人体的电流增加到一定值、持续通过时间累积到一定程度时，人体有可能发生致命的心室纤维性颤动，进而死亡。

当人体通过2mA的直流电流时，就会有明显刺痛的感觉，但不会造成生理性伤害。长时间通过20mA以上的直流电流时，则会造成肌肉和心脏功能紊乱，严重危害人体健康。

（2）剩余电流动作保护

剩余电流动作保护又称为漏电保护，是由剩余电流动作继电器、低压断路器或交流接触器等组成的剩余电流动作保护装置（Residual Current Protective Device，RCD）。RCD是在正常运行条件下能接通、承运和分断电流，以及在剩余电流达到规定值时能使触头断开的机械开关电器或组合电器。剩余电流是指流过剩余电流动作保护装置主回路瞬时电流的向量和（用有效值表示）。剩余电流动作保护装置是一种低压安全保护电器，主要用于防止人身电击，避免因接地故障引起的火灾。当电气设备发生漏电时，将会出现异常的电流和电压信号。保护装置通过检测异常电流或异常电压信号，经过信号处理，执行相关机构动作，借助开关设备迅速切断电源。

剩余电流动作保护装置的组成示意图如图2-7所示，其主要由检测元件、中间环节（放大元件和比较元件）和执行机构三个基本环节组成。此外，还有辅助电源和试验装置。

（3）双重绝缘和加强绝缘

基本绝缘指带电部分对防触电起基本保护作用的绝缘，位于带电体与不可触及金属件之间；附加绝缘是在基本绝缘损坏的情况下，可防止触电的独立绝缘，位于不可触及金属件与可触及金属件之间；双重绝缘是指由基本绝缘和附加绝缘两部分组成的绝缘；加强绝缘是基本绝缘经改进，在机械性能和电气性能上具备了与双重绝缘同等防触电能力的单一绝缘，其在构成上可以包含一层或多层绝缘材料。

双重绝缘和加强绝缘的安全条件：

1）绝缘电阻。绝缘电阻在直流电压为500V的条件下进行测试，要求基本绝缘的绝缘电阻不低于2MΩ，附加绝缘的绝缘电阻不低于5MΩ，加强绝缘的绝缘电阻不低于7MΩ。交流耐压试验要求基本绝缘试验电压为2 U +1000V（最小1500V），附加绝缘试验电压为2 U +2250V（最小2750V），加强绝缘试验电压为2 U +3250V（最小3750V），其中 U 为高压系统最高工作电压。对于可能产生谐振电压的情况，试验电压应比2倍谐振电压高出1000V。耐压试验持续时间为1min，试验过程中不得出现闪络或击穿现象。

2）外壳防护和机械强度。在正常工作以及打开门盖和拆除可拆卸部件时，具有双重绝缘和加强绝缘的设备能保证人体不会触及仅靠基本绝缘与带电体隔离的金属部件，其外壳上不得有易于接触上述金属部件的孔洞。若利用绝缘外护物实现加强绝缘，则要求外护物必须用钥匙或工具才能打开，同时外护物上不得有金属件穿过，并具有足够的绝缘水平和机械强度。

（4）电气隔离

电气隔离是指在电路中避免电流直接从某一区域流到另外一区域的方式，也就是在两个区域间不建立电流直接流动的路径。虽然电流无法直接流过，但能量仍然可以经由其他方式传递，例如电磁感应、电磁波，或是利用光学、声学，或用机械的方式进行传递。

电气隔离原理图如图2-8所示。图中a、b表示两个人，从触电危险性可以看出，正常情况下，由于N线（或PEN线）直接接地，使得流经人体a的电流沿系统的工作接地和重复接地构成回路，因此人体a被电击时的危险性增大；而流经人体b的电流只能沿绝缘电阻和分布电容构成回路，降低了被电击的危险性。

电气隔离的安全条件有：

1）电气隔离的回路，交流电压有效值不得超过500V。

2）电气隔离的回路必须由隔离的电源供电。

3）被隔离回路的带电部分保持独立，严禁与其他电气回路、保护导体或大地有任何电气连接。应有可有效防止被隔离回路因故障接地或串联其他电气电路的措施。

4）软电线电缆中易受机械损伤部分的全长应可见。

5）被隔离回路应采用独立的布线系统。

6）隔离变压器二次侧线路电压过高或线路过长都会降低电路对地的绝缘水平，电压与线路长度的乘积不应超过100000V·m，布线系统的长度不应超过200m。

电气隔离的主要作用是减少两个不同电路之间的相互干扰。例如，某个实际电路工作的环境较差，容易造成接地等故障，如果不采用电气隔离，直接与供电电源连接，一旦该电路发生接地，整个电网就有可能受其影响而无法正常工作。采用电气隔离后，该电路接地时就不会影响到整个电网的工作，同时还可以通过绝缘检测装置监测该电路对地的绝缘情况。一旦该电路发生接地，绝缘检测装置就可以及时发出警报，提醒管理人员采取适当措施解决故障，从而避免危险的发生。

2.5.3 短路防护

1. 汽车电路及线路短路故障的分析

汽车线路短路是指汽车电路中的电流未流经用电设备而直接正负极搭接，搭接回路中的负载只有导线电阻，且导线电阻很小可忽略不计，使得电路中的电流非常大，从而损坏电源或使导线过热发生火灾。电动汽车短路故障可分为低压线路短路和高压线路短路两类。

电动汽车低压线路短路故障，主要分为4种，如图2-9和表2-2所示。

电动汽车高压线路短路故障，主要分为3类：动力蓄电池包短路、电驱动总成负载短路以及其他高压用电设备短路，或高压线束正负极接反短路。电动汽车高压线路短路后，会产生远远大于额定电流的短路电流，轻则烧掉高压回路的熔丝，造成整车故障，重则会出现烧车，危及人的生命财产安全。

2. 短路的原因分析

1）对于车龄较长车辆上的导线或者距离高温零件较近的导线，容易因线路绝缘胶皮老化剥落，使金属导线搭铁。

2）线束固定不牢与金属车身或零件刮擦，导致绝缘层破坏，使金属导线搭铁。

3）加装或改装不当、使用截面积过小的导线，导致线路超负荷，易过热烧坏绝缘层，造成短路。

4）电源供电异常，造成半导体元件损坏，导致短路。

5）导线插接件连接接触不良、搭铁点固定螺栓松动，引发局部过热烧坏绝缘层导致短路。

6）熔断器型号选型过大，造成线路中电流过大时不能及时断开，导致大电流烧坏线路绝缘层引发短路。

7）电动汽车中高压零部件在汽车发生碰撞后使高压正负极搭接，造成短路。

3. 电动汽车高压线路短路防护

1）高压回路加装合适的熔断器。当回路发生短路后，熔断器因大电流的作用熔断切断高压回路，进而保护高压用电设备及高压线线缆。

2）增加高压导线的绝缘能力。选择绝缘能力强及寿命长的导线，防止因老化或过热熔化导致导线接触造成的短路。

3）增加正负极铜排之间的电气间隙及爬电距离。

2.5.4 高压回路主动监测与防护

纯电动汽车工作电压在几百伏以上，工作电流达数十安培甚至数百安培，当发生高压安全故障时，高电压和大电流不仅危及乘客人身安全，还会影响低压电器的正常工作。因此，对纯电动汽车开展高压回路电安全监测与防护工作具有极其重要的意义。

1. 过电流保护

过电流保护是指当电流超过预定最大值时，触发保护装置动作的一种保护方式。当流经被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置被触发启动，并依据时限保证动作的选择性，使空开跳闸或做出限制电流措施的同时给出警告信号。相较于低压回路，高压回路中电流过大的危害更大，超过预定值就会烧坏元器件或设备，严重时可能引起火灾甚至危害人的生命。所以过电流问题需引起重视，并做好保护措施。

电驱动总成是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程及可靠性的根本保证，是电动汽车的心脏，下文着重对电驱动总成过电流原因进行分析，同时介绍过电流保护方案。

电驱动总成过电流故障产生的主要原因如下：

1）电动汽车电机控制器输出端三相线发生短路，导致过电流。

2）电动汽车出现冲击负载或者电动汽车爬坡出现驱动电机堵转时，驱动电机的两相长时间接通，相线电感饱和，导致过电流。

3）电动汽车急加速（急减速/急制动）时，车子本身负载惯性较大，升速（降速）时间设定太短，电机控制器的工作频率上升太快，原来同步电机处于转子产生的磁场和定子产生的旋转磁场同步的状态下，当出现急加速或急减速时，电机的转子因惯性较大，仍在高速旋转，转子产生的磁场与定子的旋转磁场出现转差过大，导致绕组切割磁感线过快，产生过大的感应电动势，从而导致产生过电流。

4）电机控制器电源侧缺相、输出侧断线、电动机内部故障引起过电流故障。

5）电机控制器的容量选择与负载特性不匹配，引起电机控制器功能和工作异常，产生过电流。

对车用电机控制器的过电流保护主要从硬件和软件处理两方面进行。硬件处理主要包括对传感器的选择，例如：传感器灵敏度和精确度；对DSP处理器能力的选择；电流信号检测和处理能力，主要是包括滤波、判断和保护。软件处理主要是基于得到过电流信号后通过程序的比较分析及执行相应的安全策略而进行的保护。

2. 高压互锁检测

高压互锁（Hazardous Voltage Interlock Loop，HVIL）在电动汽车中应用广泛，通过低压信号来检查整个高压系统回路的完整性及连续性，识别回路的异常断开，并及时断开高压输入端的控制电器件。

高压互锁的设计原则：

1）HVIL回路必须能够有效、实时、连续地监测整个高压回路的通断情况。

2）所有高压插接器应具备机械互锁装置，且高压插接器断开前，HVIL首先断开，高压插接器接合后，HVIL再接通。

3）所有高压插接器在非人为的情况下，不能被接通或断开。

4）高压互锁回路在特殊情况下，应可以直接通过BMS监测并在监测到HVIL异常时直接断高压回路。

5）在识别到HVIL有异常时，车辆必须有报警指示，比如以仪表指示灯亮起或发出警告鸣声等形式提醒驾驶员车辆异常。

图2-10所示为一种常见的高压互锁检测方案，虚线为高压互锁插件示意，其中AB段为铜导线，该导线位于高压互锁插接件中；A′与B′右侧部分为高压互锁检测电路，AA′端与BB′端为高压插件接触端；AD0与AD1端为模拟信号采集端，车辆控制芯片通过采集AD0与AD1端的电压值实现高压互锁插件连接状态的检测；在检测电路达到稳态的情况下，AD0端的电压与A′端的电压相等，AD1端的电压与B′端的电压相等。高压互锁故障检测电路实际上是检测A′与B′端的电压，并依据该电压进行故障状态判断。

3. 接触器状态检测

接触器（又称继电器）是一种小电流控制大电流的元器件，其作用有三：一是开关作用；二是负荷过载断电保护作用；三是故障断电保护作用。

电动汽车高压回路中的接触器主要有动力蓄电池包接触器和直流充电口接触器。接触器工作状态可分为导通及断开两种。

电动汽车最常见的故障就是高压总成内部接触器烧结，烧结主要表现为接触器在吸合后一直保持吸合状态，收到命令后不进行动作。而电动汽车内部低压电路控制高压电路的接触器一旦烧结，就会造成车辆无法启动、电驱动功能受限、停车后无法充电等故障。高压接触器烧结可以通过专用诊断仪、万用表及车辆本身的BMS检测，其中通过BMS进行烧结检测的原理如图2-11所示。

直流充电时，在充电确认阶段前，BMS通过烧结检测模块分别对直流充电正、负极接触器进行烧结检测。当检测直流充电正极接触器时，BMS控制直流充电负极接触器吸合，检测光耦元件是否导通，若导通则说明正极接触器烧结。检测负极接触器的原理如图2-11所示，需要注意，这时只能检测出发生在直流充电确认阶段前的烧结，若烧结发生在充电过程中，则在该充电过程中不报烧结故障。总结如下。

（1）直流充电正极接触器检测

正常情况：BMS控制负极闭合，正极断开；BMS通过烧结模块检测路径不为通路，则正极接触器正常。

故障情况：若正极接触器烧结，则正极接触器必然接通；BMS控制负极闭合，同时通过烧结模块检测高压路径通路，则确认正极接触器烧结。

（2）直流充电负极接触器检测

正常情况：BMS控制正极闭合，负极断开；BMS通过烧结模块检测路径不为通路，则负极接触器正常。

故障情况：若负极接触器烧结，则负级接触器必然接通；BMS控制正极闭合，同时通过烧结模块检测高压路径通路，则确认负极接触器烧结。

除此之外，常见的接触器检测方法分为外观检测、静态检测和动态检测三个步骤。

判断接触器好坏的检测步骤：

1）外观检查：首先检查接触器静触点，甚至是触点边缘外壳有无明显的高温氧化现象，其次是检查外壳和静触点有无明显的破裂现象，最后是看静触点内螺纹内部有无明显的烧蚀异物等现象。

2）静态检测：首先在线圈不通电的情况下，用万用表检测静触点是否导通，若导通，则说明烧结；然后用万用表测量线圈阻值，若阻值不在设计值要求范围内，则说明线圈电阻异常。

3）动态检测：若静态测试接触器为不烧结，同时线圈电阻正常，则对线圈供电，供电电压参照产品规格书要求值，万用表测试静触点两端是否导通，同时听有无闭合的响声，和摸接触器外壳有无明显的震感；若导通，且有响声、有震感，则为正常；若不导通，且有响声、有震感，则为闭合不导通；若不导通，且无响声、无震感，则为动作机构卡滞故障。

4. 绝缘监控

正常运行情况下，电动汽车动力系统是一个独立的系统，对车辆壳体完全绝缘。但是不排除由于车辆长时间运行后，高压线束老化或受潮导致的绝缘降低而使得车身带电。车辆复杂的工况，振动、温度和湿度的变化，以及酸碱气体的腐蚀等都会引起电动汽车上绝缘层的损坏，使得绝缘性能下降，从而产生漏电风险。因此，实时地检测车辆的绝缘性能对保证人身安全和车辆安全运行具有重要意义。

GB 18384—2020规定车辆应有绝缘检测功能：在车辆B级电压电路接通且未与外部电源传导连接时，能够持续或者间歇性地检测车辆的绝缘电阻值；当该绝缘电阻值小于制造商规定的阈值时，应通过一个明显的信号（例如声或光信号）装置提醒驾驶员。

目前，市面上常见的绝缘检测方法主要包括电流传感法、对称电压测量法、电桥平衡法、低频信号注入法等。其中电桥平衡法与低频信号注入法应用最为广泛，下面分别介绍这两种方法。

1）电桥平衡法系统的原理架构如图2-12所示。在电池包正负极串入较大电阻 R （兆欧级别）时，分别测量 U 、 U ₁ 、 U ₂ 的电压。 R 已知， U 、 U ₁ 和 U ₂ 都可测得，通过式（2-2）可求出 R ₊ 和 R _- ，进而得到电池包的绝缘阻值。

式中， R ₊ 为电池包正极对地绝缘电阻； R _- 为电池包负极对地绝缘电阻； R 为串入电池包正负极间的电阻（兆欧级别）； U 为电池包总电压； U ₁ 为V ₁ 表所测电压； U ₂ 为V ₂ 表所测电压。

2）低频信号注入法系统的原理架构图如2-13所示，进行低频信号注入法测试时，测试系统内部产生一个正负对称的方波信号，通过绝缘阻抗检测仪连接端子与直流高压系统和电平台之间的绝缘电阻构成测量回路。通过对采样电阻上分压的采集，计算得出绝缘电阻的大小。