解析動(dòng)力電池系統安全設計

　　觸電防護是動(dòng)力電池系統電氣安全設計的重要內容，一般來(lái)講，可以通過(guò)兩類(lèi)途徑來(lái)實(shí)現：一是直接接觸防護，如絕緣設計、屏護防護（遮攔/外殼，IPXXB/IPXXD等）；二是間接防護，包括等電位連接、電氣隔離（電氣間隙、爬電距離）。這里談?wù)剬Φ入娢坏囊恍├斫馀c認識。

　　什么是等電位連接？

　　在電工術(shù)語(yǔ)中，等電位連接，也叫保護接地，《雷電與避雷工程》一書(shū)對等電位的定義如下：“等電位連接是把建筑物內、附近的所有金屬物，如混凝土內的鋼筋、自來(lái)水管、煤氣管及其它金屬管道、機器基礎金屬物及其它大型的埋地金屬物、電纜金屬屏蔽層、電力系統的零線(xiàn)、建筑物的接地線(xiàn)統一用電氣連接的方法連接起來(lái)（焊接或者可靠的導電連接）使整座建筑物內部的金屬物成為一個(gè)良好的等電位體。”

　　在國標GB/T18384-3：2015《電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分》中，將等電位連接（電位均衡）定義為：電氣設備外露可導電部分之間電位差最小化。

　　為什么要求等電位連接？

　　在電氣安全技術(shù)不斷地發(fā)展和更新的進(jìn)程中，人們注意到，大量電氣事故是由過(guò)大的電位差引起的，比如雷擊傷亡事故就是因為雷電所產(chǎn)生的上萬(wàn)伏特電壓直接加諸到人體和大地之間，巨大的電位差產(chǎn)生瞬間大電流，造成受雷擊的人因呼吸停頓或心臟麻痹而傷亡。與雷擊事故相比，全球有更多的人因為遭受民用電或工業(yè)用電的電擊而傷亡，其原理與雷擊事故相同，均是由于帶電物體在人體不同部位產(chǎn)生了巨大的電位差，進(jìn)而造成嚴重傷害。

　　國際上非常重視等電位連接的作用，它對用電安全、防雷以及電子信息設備的正常工作和安全使用，都是十分必要的。等電位連接后，可防止系統電源線(xiàn)路中的故障電壓導致電擊事故，同時(shí)可減少電位差、電弧、電火花發(fā)生的機率，避免接地故障引起的電氣火災事故和人身電擊事故。

　　等電位連接的作用主要如下：

　　防止人身遭受電擊：將電氣設備在正常運行時(shí)不帶電的金屬導體部分與接地極之間作良好的金屬連接，以保護人體的安全，防止人身遭受電擊。

　　保障電氣系統正常運行：電力系統接地一般為中性點(diǎn)接地，中性點(diǎn)的接地電阻很小，因此中性點(diǎn)與地間的電位差接近與零。

　　防止雷擊和靜電的危害：雷擊時(shí)會(huì )產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，物料在生產(chǎn)和運輸過(guò)程中因摩擦而引起的靜電，都可能造成電擊或是火災的危險。

　　在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品中，如果整個(gè)電池組的最大電壓超過(guò)60V（DC），就已經(jīng)超過(guò)了人體安全電壓的范圍，必須進(jìn)行等電位連接，以確保使用安全。

　　在等電位連接的情況下，即使電池組的正極或負極與電池組殼體的絕緣因故障而失效，由于車(chē)輛上所有的裸露金屬部件都已經(jīng)通過(guò)等電位連接達到了同一電位，因此人體接觸這些金屬部件時(shí)，不會(huì )有電流產(chǎn)生，人體在車(chē)輛上面仍然是安全的，不會(huì )發(fā)生電擊事故。

　　與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的等電位連接標準有哪些？

　?、貵B/T 18384-3電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分：人員觸電防護

　?、贓N 1987-3 Electrically propelled road vehicles-Specific requirements for safety-Part3：ProtecTIon of users against electrical hazards

　?、跧SO 6469-3 Electrically propelled road vehicles-Safety specificaTIon-Part3：ProtecTIon of persons against electric shock GB/T 18384-3對等電位連接的設計要求、測試要求在標準6.3.1和6.9中做了明確規定。

　　有些客戶(hù)制定的等電位連接要求比GB/T18384-3：2015和ISO6469-3更嚴格一些，要求等電位連接的阻抗必須小于0.01歐姆。

　　那么，對于動(dòng)力電池系統來(lái)講，如何進(jìn)行等電位連接的設計？

　　設計思路：

　　設計原理：

　　設計方案：

　　首先，要求電池箱的殼體必須與車(chē)輛的地（車(chē)輛殼體）實(shí)現等電位連接，可以采用地線(xiàn)連接的方式，也可以采用粗螺栓連接的方式，這取決于車(chē)輛的整體設計方案。

　　要點(diǎn)：

　　1）地線(xiàn)連接，地線(xiàn)顏色為黑色；

　　2）粗螺栓連接

　　其次，電池箱殼體上面的所有可接觸的導電金屬部件（比如蓋板、支架、水冷管等），都必須與殼體是等電位連接的，這可以通過(guò)焊接、壓接、螺栓連接等各種方式實(shí)現。如果等電位連接是通過(guò)壓接或螺栓連接來(lái)實(shí)現的，那么接觸面不能?chē)娖峄蜃鼋^緣處理，否則接觸阻抗很大，無(wú)法滿(mǎn)足要求。針對等電位連接的螺栓，其類(lèi)型和扭矩等也有相應的規格要求。

　　要點(diǎn)：

　　1）焊接，焊接可靠性；

　　2）壓接，接觸面不能做噴漆或絕緣處理，否則接觸阻抗大，無(wú)法滿(mǎn)足要求；

　　3）螺栓連接，接觸面不能做噴漆或絕緣處理，否則接觸阻抗大，無(wú)法滿(mǎn)足要求；

　　類(lèi)型和扭矩有相應規格要求。

　　再次，對于等電位連接所用的導體（比如接地線(xiàn)等），要求其顏色是黑色，便于維修和拆卸時(shí)辨認。用于等電位連接的導體截面積和接觸面的面積都必須保證不低于高壓線(xiàn)束的截面積，這主要是考慮絕緣失效時(shí)，高壓電流有可能流經(jīng)等電位回路，如果等電位連接的截面積不夠大，很可能因過(guò)流而發(fā)熱，并進(jìn)而引起火災。

　　要點(diǎn)：

　　1）用于等電位連接的導體截面積和接觸面面積都必須保證不低于高壓線(xiàn)束截面積

　　2）連接點(diǎn)需特殊處理，避免不同材料間的電位差帶來(lái)的腐蝕作用。

　　當然，在產(chǎn)品設計時(shí)，等電位連接的技術(shù)實(shí)現不會(huì )僅局限于客戶(hù)的技術(shù)要求，應根據產(chǎn)品的具體情況，采取充分的措施和手段，來(lái)保證電位連接的要求，進(jìn)而保證產(chǎn)品的使用安全。

　　這里有兩點(diǎn)強調下：

　?。?）有些同事對于等電位與接地容易混淆，這里闡述下：

　　共同點(diǎn)：要求必須滿(mǎn)足連接電阻足夠小，使連接的兩導體之間無(wú)電位差，同時(shí)對線(xiàn)體的表面的顏色也有要求（不同領(lǐng)域的顏色要求不一樣）；

　　不同點(diǎn)：接地沒(méi)有嚴格要求接地線(xiàn)的載流能力，而等電位對連接導線(xiàn)有明確的載流要求：大于但不低于主功率線(xiàn)束的截面積，即載流能力等于或大于主功率線(xiàn)束。

　?。?）有些電動(dòng)大巴電箱與車(chē)身底盤(pán)間采用絕緣墊連接，這是有風(fēng)險的。通常，BMS的絕緣監測子系統一端連接在高壓上（高壓正或高壓負），另一端連接在 24V地（即車(chē)身底盤(pán)）。BMS通過(guò)采集高壓正/負和車(chē)身底盤(pán)間的電勢差來(lái)判斷絕緣是否失效。當電箱進(jìn)水，電箱與高壓間的絕緣電阻失效時(shí)，

　　由于電箱與車(chē)身間采用絕緣墊，箱體未與BMS相連，所以BMS只能檢測高壓與車(chē)身的絕緣失效，不能檢測箱體與高壓的絕緣失效。

　　如何進(jìn)行等電位連接的設計和檢驗？

　　對于等電位連接的驗證，GB/T18384-3：2015給出的測試方法在標準7.4部分：

　　GB/T18384-3：2015的測試示意和實(shí)例如下圖所示：