电动汽车电压等级划分与安全性研究

朱永扬，陆春，周荣，刘桂彬（.河北工业大学，天津 30030；.中国汽车技术研究中心，天津 300300）



电动汽车电压等级划分与安全性研究

朱永扬1，陆春2，周荣2，刘桂彬2
（1.河北工业大学，天津 300130；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

电动汽车电压等级的划分对汽车行业的发展，新技术的推动有着重要的意义。对于B级电压进一步细分为B1级和B2级电压，B1级电压是否可降低防护要求引起了广泛关注。文章通过对B1级电压的单点故障、多点故障安全性研究，说明其安全性条件，为安全电压等级划分的技术内容与发展趋势提供参考。

电动汽车；电压等级划分；安全性研究

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.010

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-28-04

1、电压等级划分的背景介绍

2001版ISO 6469-3将电动道路车辆电压等级划分为A级电压和B级电压，其中B级电压为交流25V、直流60V及其以上[1]。对B级电压的保护包括基本防护和故障防护；对A级电压只需基本的功能防护。电压等级划分明确了不同的车辆电路系统可满足不同的安全要求，降低了对A级低压电路系统不必要的保护成本，对汽车工业的发展起到了积极作用。

随着对车辆舒适性需求的提升，车辆用电器增多，厂家推出42V系统车辆构架。虽然42V系统最大交流工作电压超过A级安全电压，但最终国际标准组织验证证明了其安全性，这一结论的确定也使B级电压交流最低值从2001版的25V修改为2011版的30V[2]。不过42V系统因投入成本大、节能减排效果不佳而失败。随后各大汽车制造商开发了与12V系统共存的 48V系统，总投入成本较低，节油量明显提升（10%～15%）。48V系统的直流部分与交流部分相对电平台之间的电压均符合现行标准对A级电压的要求，无需特殊的安全防护；但交流部分在最高工作电压下两相之间的电压会超过交流30V，属于B级电压[3]，发生多点失效时有接触触电危险。因此该部分需正常条件及故障条件下的物理防护保护，绝缘电阻等保护，但因负极接地，无法满足标准要求，造成实际应用和标准发生冲突。为持续推广48V系统，欧洲相关标准法规已对高压母线和绝缘电阻的适用范围进行了重新定义，使得48V系统得以豁免绝缘电阻的要求[4]，可见技术发展同样影响着标准法规。为进一步解决各国车辆准入方面的差异性，推动新科技的发展，电压等级划分再次引起高度关注。本文主要讨论将现行标准的B级电压分为B1级和B2级电压的理论依据及安全性验证，以便更加明确安全电压等级的界限，为相关的标准调整进行可行性研究。

2、电压等级划分依据

现行6469-3的修改主要体现在B级电压等级划分上，参考低电压目录（LVD）和IEC 61140建议将B级高电压划分为B1级感知中等电压和B2级危险高电压，具体范围见表1。对 B1级电压的保护可通过限制电路电压以及基本保护（如遮拦，外壳，绝缘）实现，相比B2级电压或细分前的B级电压，B1级电压不需要高压标记，降低了基本保护的选项要求，也不再需要故障防护，见表2。这不仅降低了车辆的电路安装与保护复杂程度，还大大节约了车辆对部分组件不必要的防护成本，利于市场良性竞争、推动新技术的发展。

表1　ISO 6469-3修订中讨论的电压等级划分

表2　不同电压等级保护措施详细表

3、B1级电压及其电路系统安全性研究

3.1B1级电压触电安全分析与计算

对B级电压细分为B1级感知中等电压以及B2级危险高电压，最受关注的是 B1级电压降低防护后的安全性问题。根据LVD和IEC相关标准可知，B1级电压在经过多年的实际使用经验中得知其正常操作条件下为安全电压，不会产生危险，本文主要讨论故障条件下的安全情况。故障条件下的失效接触主要分为三种情形，即：接触直流系统的正极与接地负极、接触交流系统相线与接地负极、接触交流系统的两条相线，其接触情况与接触位置电压变化见下图。

对上述接触情况，按接触方式与接触面积的概率统计进行如下假设：

表3　接触情形概率统计假设

从接触位置电压变化图可知单点失效的接触电压都属于直流电压，流经人体的电流特性相同，按直流电流伤害计算。直流电压为75V时人体电流最大，危险性最高，所以计算此时人体电流值，验证最大工作电压下安全性。因目前尚未得到准确的直流人体阻抗值，但知在同等电压有效值情形下由于交流的集肤效应使得直流人体阻抗值大于交流阻抗值，这里使用交流阻抗值进行计算，得到电流值大于实际电流值，可作为安全性评价的依据。不同电压下人体电阻值见表 4、表5、表6。不同人口比例下的电阻值代表在这一人口比例下所选取的最大人体阻抗值，也就是说剩下所有人的阻抗值大于这一选取值[5]。

表4　湿润情况下手到手大接触面积交流（50/60HZ）路径人体阻抗值

表5　湿润情况下手到手中等接触面积交流（50/60HZ）路径人体阻抗值

表6　湿润情况下手到手小接触面积交流（50/60HZ）路径人体阻抗值

人体接触电流路径分两部分，即体表部分和心脏部分，二者并联，如图3所示。因左右手接触面积不同，人体总阻抗值等于不同接触表面到中心点的阻抗值之和的一半，即：，代入上述阻抗值得，则。由接触电流/持续时间区域图4知人体电流处于DC-2区域，为可感知安全电流范围，所以 B1级电压电路单点故障时接触直流系统不会造成人体接触电流过大的伤害。

当交流系统发生多点故障时，人体同时接触交流系统的不同相线而成为交流回路的一部分，对于交流 50HZ、不同电压电路下人体阻抗值见上表5、表6。则最大交流电压50V，频率50HZ条件下人体接触总阻抗值为：，代入数据得，则，由接触电流/持续时间区域图5知所得电流处于AC-2区域，为可感知安全电流范围，所以B1级电压电路多点故障时接触交流系统不会造成人体接触电流过大的伤害。

根据IEC 60479-1人体阻抗值随交流电压的频率增加而降低，当交流频率为1000HZ时，人体阻抗值为50HZ的0.32，但各电流安全区域因交流频率的增加而右移，影响系数参考IEC 60479-2，因此需重新确定此时的人体电流安全情况。同上述方式重新计算后的1000HZ交流50V人体接触电流情况见下图，可见人体电流仍处于安全电流区域内。

将上述计算结果分析总结如下表：

表7　最大电压接触时人体阻抗、电流值

对 B1级电压电路故障情况的人体电流分析计算结果说明，当系统电路发生上述条件下的单点或多点故障时，由于受 B1级最大电压限制，无接触触电危险。若此关于电压等级划分的范围及其分级依据最终得到国际标准组织的认可，则目前的48V系统以及将来可能更高的B1电路系统均可免除故障防护，只需基本防护即可保证车辆使用及故障过程中的安全，进而能够有效的降低厂家的生产成本，更加合理的利用资源，以提升车辆的舒适性，降低车辆的燃油消耗与污染物排放，还有利于促进各国对车辆准入标准的统一性。

3.2B1级电压划分不足之处

虽然在上述假设条件下，B1级电压电路不会出现电流伤害，但实际中无法保证故障接触同假设情形一致。当实际故障接触不同于假设条件时，能否继续保证人身安全，还需要进一步研究。考虑到安全性验证计算时人体阻抗值选取只覆盖了50%的人群，即实际发生故障时只能确保50%的车辆室内外人员的绝对安全，作为安全性计算存在一定的局限性。

下面计算假设接触面积不变情况下覆盖95%人群时的人体电流值，则75V直流单点故障接触时人体电流计算如下：，代入数值得，人体电流，此人体电流大于曲线b的最小摆脱门槛电流 26mA，当故障下的接触发生时，有触电甚至心室颤动的危险发生。

同理可计算最大交流电压50V、多点故障接触时人体电流情况，计算结果如下表。由表知频率为1000HZ的交流电路出现多点故障时，无法确保意外接触人员的安全，即 B1等级电压的电压上限值属于危险电压，应采用 B2级电压同等的保护。

接触电压（V）抗（Ω） 人体电流（mA） 　摆脱电流（mA）人体阻75V 　2213 　33.49 　26 50V 50HZ 　16950 　2.95 　5 50V 1000HZ 　5424 　9.22 　8.25

另外，电路发生故障时，人体接触电流的大小还与发生故障时的人体接触面积相关，通常接触面积越大，人体承受电压的能力下降，阻抗值也随接触面积增大而降低，导致人体接触电流值增大，超过安全摆脱电流的几率大大增加，触电风险增高，见图7。

4、结论

本文通过电动汽车电压等级的历史背景介绍了电压等级的变化情况，说明电压等级重新划分的重要性以及划分依据，并针对 B1级电压降低保护的合理性进行了研究。得出如下结论：

（1）安全电压分级对汽车行业的成本节约、生产安装，以及应对目前日趋严苛的汽车节能与排放问题而促进新技术的发展上，都具有重要的积极意义，安全电压等级的重新划分已经成为未来各国标准与法规的趋势。

（2）B级电压的细分不仅会影响48V系统的推广应用，同样对将来更高的系统技术的发展有至关重要的影响。

（3）对于B级电压细分为B1级电压和B2级电压，对B1级电压降低基本防护要求，免除故障防护要求，只能在一定的条件下保证车辆室内外人员的绝对安全，对于各种复杂的实际条件，还需要更多的试验及其数据计算来验证。

（4）对B级电压的细分特别是B1级电压的范围设定是否科学，是否完全有证可循，依然是目前各国政府和车辆制造商关注的焦点，对于此话题的讨论未来一段时间内还会继续。

[1]ISO 6469-3:2001 Electric road vehicles-Safety specifications —Part 3: Protection of persons against electric hazards.

[2]ISO 6469-3:2011 Electric road vehicles-Safety specifications —Part 3: Protection of persons against electric hazards.

[3]GB/T 18384.3-2015 电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2015.

[4]张英男，陆春，刘桂彬.48V系统对于电动汽车安全要求国家标准适用性分析.汽车实用技术，2015年第5期.

[5]IEC 60479-1:2005 Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects.

The Division of Voltage Class Limits and Safety Research for Electric Vehicles

Zhu Yongyang1,Zhou Rong2,Lu Chun2,Liu Guibin2
（1.Hebei University of Technology,Tianjin 300130; 2.China Automotive Technology & Research Center,Tianjin 300300）

The division of voltage class limits for electric vehicles has important significance for development of automobile industry and promotion of new technology.It has been caused wide public concern that whether the voltage class B1 should reduce protection requirements or not,since voltage class B further subdivided into B1 and B2.This paper analysis safety of first failure and second failure of circuit B1 system,and provide a reference for development of division of voltage class.

electric vehicles; division of voltage class limits; safety research

U463.6

A

1671-7988（2016）08-28-04

朱永扬（1991-），男，硕士研究生，就读于河北工业大学，主要研究方向为新能源汽车安全与标准研究。

简介：陆春（1987-），男，工程师，就职于中国汽车技术研究中心，主要研究方向为新能源汽车安全与标准研究。

周荣（1959-），男，教授级高级工程师，就职于中国汽车技术研究中心，主要研究方向为新能源汽车安全与标准研究。

刘桂彬（1965-），男，教授级高级工程师，就职于中国汽车技术研究中心，主要研究方向为新能源汽车安全与标准研究。