混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車電氣安全測(cè)試METRAHIT IM E-DRIVE

電動(dòng)汽車中的高壓技術(shù)

如今，混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車（乘用車）中的高壓系統(tǒng)由高達(dá)500 V的儲(chǔ)能單元提供。預(yù)計(jì)未來電壓水平將增加兩倍。而部分商用車已經(jīng)在使用工作電壓高達(dá)1000 V的技術(shù)。但是，在涉及對(duì)人類健康和生命的電氣危害時(shí)，只有低于60VDC和30VAC的電壓值才被認(rèn)為是安全的。由于電動(dòng)汽車系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這些安全限值，因此近年來進(jìn)行了廣泛的危害分析 。且歐盟已經(jīng)發(fā)布了對(duì)制造商具有約束力的規(guī)定，從而在最大程度上消除高壓在生產(chǎn)，開發(fā)，維護(hù)和維修過程中造成的危害。

用戶和維修人員面臨的危險(xiǎn)

使用電氣設(shè)備和系統(tǒng)所涉及的危險(xiǎn)總是由與電流流經(jīng)人體，電弧，電磁干擾和靜電電荷相關(guān)的危險(xiǎn)引起的。其他潛在但仍可避免的危險(xiǎn)可能是由于不合格的人員在車輛上執(zhí)行不當(dāng)?shù)碾姎夤ぷ饕约败囕v技術(shù)缺陷造成的。

IUE（德國(guó)電氣事故檢查研究所）確定，在涉及高達(dá)1000V的所有電氣事故中，約有40%發(fā)生在故障排除和維修工作期間。

圖 1：以橙色標(biāo)識(shí)的高壓元件

機(jī)動(dòng)車中高壓系統(tǒng)引起的電氣危害

盡管法律指導(dǎo)原則要求車輛具備很高的電氣安全性， 但是對(duì)于在研發(fā)，生產(chǎn)和服務(wù)中從事混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車工作的人員來說，仍然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

觸摸由于內(nèi)部故障而通電的高壓組件可能會(huì)導(dǎo)致電流流過人體。如果接觸點(diǎn)在胸腔附近，即使大約30至50 mA的直流電也可能使呼吸肌肉組織收縮，從而導(dǎo)致呼吸停止。如果在50 Hz  的交流下觸電時(shí)間大于2秒，即使電流僅為10 mA也可引起心室顫動(dòng)甚至心臟驟停。

在混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車方面，需要考慮哪些電氣危害？

■ 電弧 可能導(dǎo)致燒傷甚至死亡

■ 殘余電壓或非絕緣電纜

■ 絕緣故障，導(dǎo)致電流失控

歐洲 UNECE R100 的電氣安全要求

01、乘客艙和后備箱中的所有帶電部件必須符合 IPXXD 防護(hù)等級(jí)，所有其他區(qū)域必須滿足  IPXXB 防護(hù)等級(jí)。

02、所有暴露的導(dǎo)電部件（如導(dǎo)電屏障和導(dǎo)電外殼）都必須可靠地接地，以確保防止因間接接觸而引起的電擊。 在這方面，事故預(yù)防法規(guī)和UNECE R100都規(guī)定了任何兩個(gè)可接觸的導(dǎo)電部件之間的最大電阻必須小于100mΩ @0.2 A。

03、使用高壓符號(hào)識(shí)別高壓元件

02、高壓母線電纜必須配備橙色外護(hù)套。

02、絕緣電阻：

■ 直流線路為 100 Ω / V

■ 交流線路為500 Ω / V

測(cè)試是否符合UNECE R100安全要求的測(cè)量方法和儀器

檢查接地連接的電阻  – 要求：< 100 m Ω @0.2A

在 0.2 A 時(shí)，接地電阻必須 小于100 m Ω。  因此，電阻測(cè)量?jī)x器必須能產(chǎn)生至少0.2 A的測(cè)量電流，并且還能夠測(cè)量毫歐范圍內(nèi)的電阻。

事故預(yù)防法規(guī)和UNECE R100規(guī)定測(cè)量電流至少為 0.2 A。由于電阻隨著安培數(shù)的增加而增加，汽車制造商還指定使用更高的電流值（例如 1A）進(jìn)行測(cè)試。

使用普通的2線測(cè)量方法無法充分精確地測(cè)量小電阻值。 該方法測(cè)量已知電流源I通過待測(cè)量的電阻Rt的壓降，然后使用歐姆定律計(jì)算：R = U / I。然而，該電壓不是在電阻Rt上測(cè)量的，而是在電阻總和或電流源處測(cè)量的，即在Rt + Rcbl上，其中Rcbl = Σ（電纜，連接頭）。這使得該測(cè)試方法誤差較大。

圖 2：2 線和 4 線 測(cè)量

4線法測(cè)量，也稱為開爾文測(cè)量，是一種合適的測(cè)量方法。在這種情況下，用兩根導(dǎo)線將測(cè)量電流施加到被測(cè)器件上，并且直接在被測(cè)器件上使用兩根單獨(dú)的導(dǎo)線測(cè)量壓降。相對(duì)于測(cè)量電流I，電流IU流經(jīng)具有高內(nèi)阻的電壓表，可以忽略不計(jì)。與被測(cè)器件上的壓降相比，測(cè)量電纜上的壓降也可以忽略不計(jì)。此外，當(dāng)前的電流源 I 獨(dú)立于 Rt。因此，僅測(cè)量電阻Rt兩端電壓。然后計(jì)算電阻為Rt = U / I。

測(cè)量絕緣電阻的程序

在電動(dòng)汽車上，高壓電纜和高壓接頭上的絕緣處理能夠防止直接接觸從而確保人員的安全。

因此，必須對(duì)高壓線路的每個(gè)部件或組件的絕緣電阻進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量。電動(dòng)汽車上的電氣系統(tǒng)按照電源和負(fù)載劃分成兩個(gè)部分，絕緣電阻值分別測(cè)量計(jì)算

01、高壓負(fù)載使用外部直流源的測(cè)量方法：

測(cè)量?jī)x器在待測(cè)高壓負(fù)載的端子和車輛地之間施加較高直流電壓。通過檢測(cè)兩部分之間的漏電流，進(jìn)而計(jì)算出絕緣電阻。

這些測(cè)量?jī)x器被稱為絕緣電阻測(cè)試儀。

02、動(dòng)力電池包對(duì)地絕緣借助自身電源的測(cè)量方法：

使用  Ri ≥10 MΩ的  電壓表進(jìn)行此測(cè)量。

首先，測(cè)量電池正負(fù)極電壓（Vb）以及正負(fù)極對(duì)地（分別為V1和V2）的電壓。如果V1≥V2，  則在負(fù)極和地之間連接一個(gè)已知的參考電阻，并測(cè)量電壓V1'。

電阻計(jì)算如下：

Ri = Ro * （Vb/V1' – Vb/V1） 或 Ri = Ro * Vb * （1/V1' -1/V1）

絕緣電阻計(jì)算如下：

Rins = Ri/Vb

圖3：通過車輛電池的測(cè)量方法

如果 V2 > V1，則測(cè)量和計(jì)算  類似，但參考電阻接在正極和地之間：Ri = Ro * Vb * （1/V2' – 1/V2）

第二種測(cè)量方法不需要任何外部電壓源，但需要多次測(cè)量。

手持式絕緣微歐表METRAHIT IM E-DRIVE 一體化儀器

Gossen Metrawatt的新能源汽車專用萬用表METRAHIT IM E-Drive是一款非常合適的測(cè)試儀器。 它將四臺(tái)儀器的功能融合在一起：萬用表、用于測(cè)試接地電阻的毫歐表、用于測(cè)量絕緣電阻的絕緣測(cè)試儀和帶有附加線圈適配器的匝間短路測(cè)試儀。

毫歐測(cè)量不僅可以滿足UNECE R100 規(guī)定的200mA 電流的要求，而且還能提供更高測(cè)量（1A），從而提高測(cè)量可靠性。由于連接處的材料和溫差會(huì)影響熱電壓測(cè)量結(jié)果，所以它配備了自動(dòng)熱電壓補(bǔ)償功能。

使用 METRAHIT H+E CAR 的4線或開爾文夾或者開爾文探針能輕松實(shí)現(xiàn)可靠的毫歐測(cè)試。

絕緣電阻測(cè)量通過它的絕緣表功能來完成，能提供50、100、250、500和 1000V的可選測(cè)試電壓。 任何干擾電壓都會(huì)被自動(dòng)檢測(cè)并顯示。

通過測(cè)試探頭上的啟動(dòng)/停止鍵方便地實(shí)現(xiàn)單手啟動(dòng)和停止測(cè)量以及數(shù)據(jù)保存。

圖4：Mercedes GLC 350 e使用 500 V 測(cè)試電壓測(cè)試絕緣電阻

（作者：杜露）