EV、HEV和PHEV车安全操作概述

路建强

EV、HEV和PHEV车安全操作概述

路建强

随着汽车行业的快速发展，环保和能源问题日渐严峻。为解决这些问题，高性能的环保车成了汽车发展的必然，改变了传统汽车以燃油为主的时代，各大汽车研发生产企业纷纷推出了纯电动汽车（EV）、油电混合动力车（HEV）、外插充电式混合动力车（PHEV）及燃料电池车（FCV）。纯电动汽车（EV）、油电混合动力车（HEV）的动力输出方式如图1、图2所示。我国的汽车维修企业在对上述车型的维修准备还处于初期状态，甚至空白等待阶段，尤其是安全保护设施和人员安全作业知识、培训方面需要全面投入，本文就EV、HEV、PHEV和FCV汽车的安全性和汽车维修企业如何做好安全操作进行全面阐述。

1 国内外EV、HEV、PHEV车辆系统的电气安全参照标准

目前国内外的电动汽车安全标准已全面覆盖汽车设计和维修领域，其中著名的有SAE（Society of Automotive Engineers美国工程师协会）安全系列标准和UL美国保险商实验室（Underwriter Laboratories Inc.）发布的安全系列标准，例如关于高电压线束SAEJ1654和SAEJ1673的设计指导标准，高压连接器 SAEJ1742标准；1996年UL美国保险商实验室发布了充电设备的标准UL 2202 Electric Vehicle Charging Equipment 和人员安全保护的标准UL 2231 Personnel Protection Systems for Electric Vehicle （EV）Supply Circuits；电动汽车耐撞的安全性则参照SAEJ1766及FMVSS 305。

在国家标准化管理委员会的协调和支持下， 国内的电动汽车相关标准有：《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》《电动汽车安全要求 第1部分：车载储能安全》《电动汽车安全要求 第2部分：操作安全和故障防护》《电动汽车安全要求 第3部分：人员触电防护》和《混合动力电动汽车安全要求》等标准。

2 EV、HEV和PHEV车的危险源

EV、HEV和PHEV车辆的电气安全包括对人体潜在危险的电气源（过大的电压、电流），因此从系统设计的角度需要考虑保护人员不能遇到这种危险。在正常的操作条件下，电气隔离通过物理分离（绝缘导线、外壳等保护机构）等方法保护人员的安全。在正常操作以外，环境条件和可能发生的意外事件都可能使得这种物理保护强度降低，尤其在能量转换中会有更大的潜在危险，以油电混合动力车为例，在动力输出和转换过程中，发动机、发电机、动力控制单元和蓄电池通过动力分配装置（POWER SPLIT DEVICE）实现动力输出和储备，核心部件动力控制单元通过交、直流转换和逆变提供车辆动力和电量储备。在动力传输和转换变化中，将产生650 V及以上电压，需要对隔离强度进行检测。所以纯电动车或混合动力车基本都采用危险电压自动断开、手动断开、互锁系统、专用工具和安全接地的多重保护，通过这些保护防止人员意外接触危险电压或防止不受控制的电压对人员进行伤害。但从车辆维修和维护的角度，也需要一些手段保证维修人员在物理保护丧失的情况下，对整个系统进行接触并进行调整。

我国明确规定交流电压为25 V或直流电压为 60 V即对人体产生潜在的威胁，参照美国工业安全标准为交流电压为30 V和直流电压为60 V即对人体产生潜在威胁，在车身警告标注时会略有不同。但由于电击对人体的危害程度主要取决于通过人体电流的大小和通电时间的长短。电流强度越大，产生致命危险就越大；持续时间越长，死亡的可能性越大。根据欧姆定律可以得知流经人体电流的大小与外加电压和人体电阻有关。人体电阻除人的自身电阻外，还应附加上人体以外的衣服、鞋、裤等电阻，虽然人体电阻一般可达5 000 Ω，但是影响人体电阻的因素很多，如皮肤潮湿出汗、带有导电性粉尘、加大与带电体的接触面积和压力及衣服、鞋、袜的潮湿油污等情况，均能使人体电阻降低，所以通常流经人体电流的大小是无法事先计算，维修人员操作时的保障就依靠防护用品了，常用的防护用品的相关参数见表1。

表1 常用的防护用品的相关参数

所有参与电能转换的核心部件都包裹在坚固的金属壳体内，系统耐高压能力体现在施加高电压以后不会产生绝缘击穿、跳火等现象。这类元件连接主要对象是线束、总线和连接器，在SAEJ2578中有详细的说明和测试标准。

尽管电动车设计中设置了单个、多个电气故障的安全保护设计，但是人们还是很关心单个故障和多个电气件故障产生的安全隐患会对操作人员产生的伤害，电动车（EV/ HEV/PHEV）设计要求任何一个单个软/硬件故障，或受过培训的人员在不遵守某一项安全规定，不能使电动车对人员有安全威胁。从某种角度而言，这是一个非常高的要求，即在发生单项故障时系统需要有安全保护，这说明电动车电气故障有安全保护但潜在的电能释放危险依然存在。

电动车电路的自动切断和手动切断在设计中要求同时存在，同时电动车在危险电压总线放电状态，除了电源切断外还在总线和各总成间设计访问盖互锁，危险电压闭锁回路，充电接口的互锁等方式。另外，除电路切断的安全保护外，熔丝熔断是保护线路和元件及人员的最后屏障，当然可以根据熔丝盒电路说明，用排除法检查熔断源。尤其高压系统危险电压自动断开保护是所有保护的核心，在系统意外故障发生的时候，整个系统需要自动将整个系统的供电源和负载进行电气分离。在清除了这些意外的条件以后，系统产生一个回复的信号，将整个系统重新连接起来。以下有几个典型的自动断开的功能输入条件：汽车碰撞传感器，检测高电压绝缘故障，危险电压闭锁回路断开，电池输出过流。需要注意的是，这个工作是在整车控制器内完成的，是考虑将各种条件汇聚之后实施的安全保护措施。

EV、HEV和PHEV车发生电气故障时会自动断开电源并显示故障警告、故障代码，这是系统自动断路器工作生成的。自动断路器一般靠近高压蓄电池（高压源），以减少在断电时候继续蓄能的电路。自动断路器具有自诊断的能力，将其内部的故障检测出来并予以显示，如果不能正常工作则整个车需要特殊处理（手动断电或其他）。

故障处理后，对复位自动断路器复位要求操作者施加额外的信号，需要进行和危险电压之间的电气隔离。

这是由于自动断路器需要处在常开的状态下，在故障安全的条件下保证整个输出源被切断。自动断路器即使是在相应的供电电压过低的情况下也能操作。自动断路器需要提供一个输出信号，提前通知其他用电负载，使之能在断电之前有响应提前进行操作。

在故障自动断开操作无法确定时，可以使用手动断开危险电压。手动断开位置和类型一般分单极和双极，如果是单极断开开关，将会处于高压蓄电池中心位置；双极断开开关，则可以同时作用于断开高压蓄电池的正极和负极。操作手动断开不需要专用的工具，仅仅依靠人员施加一定程度的力就可以完成。但要求操作者注意断开开关也需要进行和危险电压之间的电气隔离，穿戴好防护隔离用具。

3 EV、HEV和PHEV车的维修过程中的注意事项

经过上述分析，参考与安全相关的标准，结合具体的模块的功能和必须采取的基本方法，详细阐述EV、HEV和PHEV车的维修过程中的注意事项，希望能给维修企业实施安全生产起到帮助指导作用。

（1）识别颜色。所有高压部件和连接导线均为橙色（图3），在关键部件严禁触碰和拆卸位置会标注警告标记（图4），请仔细阅读标记要求并按要求操作。

（2）安全检测。触电的危险的大小评估是取决于通过人体的电流值和持续发热时间。这种身体有害电流的影响，如果直流不超过10 mA或交流不超过2 mA连续流动是安全的。安全运作通过电气隔离的方式，在不确定维修设施和动力元件安全的状态下，可以用绝缘电阻（insulation resistance）检测方法证明安全性。绝缘电阻是指绝缘物在规定条件下的直流电阻，通常情况下加直流电压于电介质，经过一定时间极化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻称绝缘电阻。绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。对于低压电气装置的交接试验，常温下电动机、配电设备和配电线路的绝缘电阻不应低于0.5 MΩ（对于运行中的设备和线路，绝缘电阻不应低于1 MΩ/kV）。低压电器及其连接电缆和二次回路的绝缘电阻一般不应低于1 MΩ，在比较潮湿的环境不应低于0.5 MΩ，二次回路小母线的绝缘电阻不应低于10 MΩ。I类手持电动工具的绝缘电阻不应低于2 MΩ。在电动机额定负载工作到稳定状态时，其绕组与机壳之间的绝缘电阻Rm（单位为MΩ）应符合下列公式所表示的关系：

Rm≥U/（1 000+P/100）；

式中U——被试电动机绕组的额定电压，单位为V；

P——被试电动机的额定功率，单位为kw。

（3）绝缘检测。首先通过感应式测电笔检测有无漏电情况，通过测电笔的电流(也就是通过人体的电流)很小，通常不到1 mA，这样小的电流通过人体时，对人没有伤害，而这样小的电流通过测电笔的氖泡时，氖泡会发光。若显示带电指示灯亮，需要绝缘电阻检测，在安全状态下才能作业。

（4）严禁徒手接触高压部件和拔插高压线接口（图5）。

（5）必须严格按照使用绝缘专用工具和防护用具，在作业前必须在作业车辆上显著位置摆放警示牌如图，作业人员严禁穿戴金属饰件，如手表、项链、耳环，防止金属皮带扣裸露；使用绝缘手套，换穿绝缘鞋，戴绝缘帽。

（6）严格使用专用绝缘配套工具操作（图6），严禁使用非绝缘工具进行维修操作。

（7）必须严格按照维修手册电源拆卸步骤操作：安全插头拔出后等待5 min～10 min再开始操作。操作顺序如图7所示。

（8）防止高压蓄电池泄漏威胁。高压蓄电池总成密封在坚固的金属壳体内，有助于防止高电压蓄电池的损坏。但在当蓄电池总成损坏或凝胶电解液泄露时，需要知道如何减轻损坏程度和如何预防人身不被伤害。

4 EV、HEV和PHEV车的维修过程中事故应急处理

（1）一旦凝胶电解液溢出或泄露，需要采取以下措施：

1）消除附近区域的所有火源，包括烟火、明火、火焰、火花等；

2）禁止碰触泄露物质；

3）用沙子、土或不可燃材料覆盖并吸收电解液；

4）将损坏的蓄电池和被污染的吸收材料放入金属容器并按隔绝方法远离人员。

（2）如果发现EV、HEV车高压蓄电池产生浓烟、明火，应及时注意严格按消防要求操作。锂离子聚合物蓄电池内含有胶质体电解液，在温度大于150 ℃时会排出气体，并产生火花。这种燃烧为聚燃反应，应急处理很难控制，应立即撤除现场无关人员。燃烧释放物为氟化氢、一氧化碳、二氧化碳等有害气体，工作人员需要及时穿戴自给式呼吸器（SCBA）和全套防护用具。

（3）对于高电压蓄电池的火灾，可以采用干粉灭火器灭火；二氧化碳灭火器灭火；水喷淋灭火，但水量要大，注意防止泄漏物的扩散和污染；泡沫灭火器灭火，注意遮蔽泡沫的扩散。高压设备上可以喷水，车辆的高电压系统不同于传统的12 V电器系统，和车身底盘不是整体，绝缘非常好。接近车辆起火点后，消防人员可以使用大水灭火。

（4）如果车辆和蓄电池组严重损坏，凝胶电解液产生泄漏，必须防止和严禁人员接触，一旦发生人员在非保护状态接触电解液，必须立即采取以下安全措施：

1）急救人员要注意保护自己，清楚使用的材料符合绝缘和隔离要求；

2）将受害人移至新鲜空气的空旷区域；

3）如发生受害人呼吸停止，请立即实施人工呼吸法施救；

4）呼吸困难的立即输氧；

5）脱掉并隔离被污染的衣物和鞋子。

（5）车辆跨接起动处理。

1）人员准备：按标准要求穿戴好防护用具，如护目镜、绝缘手套、绝缘鞋等，在维护车辆周围设置防护栏和安全警示牌。被跨接车辆出现蓄电池电解液冻结和液位低的状态，严禁跨接，否则会引起蓄电池损坏甚至爆炸。

2）打开（通常在后行李箱内的）辅助蓄电池盖确认辅助蓄电池类型（12 V），检查确认负极位置和类型。

3）如果实施跨接起动（辅助蓄电池在另一车辆上，蓄电池类型相同），则需保持跨接车辆距离，禁止两车互相接触。

4）先跨接辅助蓄电池正极，再跨接辅助蓄电池正极，切勿使跨接线端子接触到其他物体，在跨接端子时切勿将身体接触或靠在蓄电池上。

5）跨接完成后起动跨接辅助车辆的发动机，并使发动机以2 000 r/min的转速运转，然后起动亏电车辆发动机，将点火开关转至“混合动力准备就绪”位置，汽油发动机随之起动，LDC给12 V辅助蓄电池再充电。

2016-10-20）