解析動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計

　　觸電防護是動力電池系統(tǒng)電氣安全設(shè)計的重要內(nèi)容，一般來講，可以通過兩類途徑來實現(xiàn)：一是直接接觸防護，如絕緣設(shè)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)語中，等電位連接，也叫保護接地，《雷電與避雷工程》一書對等電位的定義如下：“等電位連接是把建筑物內(nèi)、附近的所有金屬物，如混凝土內(nèi)的鋼筋、自來水管、煤氣管及其它金屬管道、機器基礎(chǔ)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(tǒng)的零線、建筑物的接地線統(tǒng)一用電氣連接的方法連接起來（焊接或者可靠的導電連接）使整座建筑物內(nèi)部的金屬物成為一個良好的等電位體。”

　　在國標GB/T18384-3：2015《電動汽車安全要求第3部分》中，將等電位連接（電位均衡）定義為：電氣設(shè)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)展和更新的進程中，人們注意到，大量電氣事故是由過大的電位差引起的，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(shè)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(tǒng)電源線路中的故障電壓導致電擊事故，同時可減少電位差、電弧、電火花發(fā)生的機率，避免接地故障引起的電氣火災(zāi)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(shè)備在正常運行時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(tǒng)正常運行：電力系統(tǒng)接地一般為中性點接地，中性點的接地電阻很小，因此中性點與地間的電位差接近與零。

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

　　在電動汽車產(chǎn)品中，如果整個電池組的最大電壓超過60V（DC），就已經(jīng)超過了人體安全電壓的范圍，必須進行等電位連接，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，由于車輛上所有的裸露金屬部件都已經(jīng)通過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，不會有電流產(chǎn)生，人體在車輛上面仍然是安全的，不會發(fā)生電擊事故。

　　與電動汽車相關(guān)的等電位連接標準有哪些？

　　①GB/T 18384-3電動汽車安全要求第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(shè)計要求、測試要求在標準6.3.1和6.9中做了明確規(guī)定。

　　有些客戶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，對于動力電池系統(tǒng)來講，如何進行等電位連接的設(shè)計？

　　設(shè)計思路：

　　設(shè)計原理：

　　設(shè)計方案：

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

　　要點：

　　1）地線連接，地線顏色為黑色；

　　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，這可以通過焊接、壓接、螺栓連接等各種方式實現(xiàn)。如果等電位連接是通過壓接或螺栓連接來實現(xiàn)的，那么接觸面不能噴漆或做絕緣處理，否則接觸阻抗很大，無法滿足要求。針對等電位連接的螺栓，其類型和扭矩等也有相應(yīng)的規(guī)格要求。

　　要點：

　　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，無法滿足要求；

　　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，無法滿足要求；

　　類型和扭矩有相應(yīng)規(guī)格要求。

　　再次，對于等電位連接所用的導體（比如接地線等），要求其顏色是黑色，便于維修和拆卸時辨認。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束的截面積，這主要是考慮絕緣失效時，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，很可能因過流而發(fā)熱，并進而引起火災(zāi)。

　　要點：

　　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束截面積

　　2）連接點需特殊處理，避免不同材料間的電位差帶來的腐蝕作用。

　　當然，在產(chǎn)品設(shè)計時，等電位連接的技術(shù)實現(xiàn)不會僅局限于客戶的技術(shù)要求，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，采取充分的措施和手段，來保證電位連接的要求，進而保證產(chǎn)品的使用安全。

　　這里有兩點強調(diào)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：要求必須滿足連接電阻足夠小，使連接的兩導體之間無電位差，同時對線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：接地沒有嚴格要求接地線的載流能力，而等電位對連接導線有明確的載流要求：大于但不低于主功率線束的截面積，即載流能力等于或大于主功率線束。

　　（2）有些電動大巴電箱與車身底盤間采用絕緣墊連接，這是有風險的。通常，BMS的絕緣監(jiān)測子系統(tǒng)一端連接在高壓上（高壓正或高壓負），另一端連接在 24V地（即車身底盤）。BMS通過采集高壓正/負和車身底盤間的電勢差來判斷絕緣是否失效。當電箱進水，電箱與高壓間的絕緣電阻失效時，

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

　　如何進行等電位連接的設(shè)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的測試示意和實例如下圖所示：