解析動(dòng)力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)：Pack等電位連接技術(shù)

觸電防護(hù)是動(dòng)力電池系統(tǒng)電氣安全設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，一般來(lái)講，可以通過(guò)兩類(lèi)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是直接接觸防護(hù)，如絕緣設(shè)計(jì)、屏護(hù)防護(hù)(遮攔/外殼，IpXXB/IpXXD等)；二是間接防護(hù)，包括等電位連接、電氣隔離(電氣間隙、爬電距離)。這里談?wù)剬?duì)等電位的一些理解與認(rèn)識(shí)。

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(hù)接地，《雷電與避雷工程》一書(shū)對(duì)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(lái)水管、煤氣管及其它金屬管道、機(jī)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(xiàn)、建筑物的接地線(xiàn)統(tǒng)一用電氣連接的方法連接起來(lái)(焊接或者可靠的導(dǎo)電連接)使整座建筑物內(nèi)部的金屬物成為一個(gè)良好的等電位體。”

在國(guó)標(biāo)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(shè)備外露可導(dǎo)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?yàn)槔纂娝a(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?yàn)樵馐苊裼秒娀蚬I(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(yán)重傷害。

國(guó)際上非常重視等電位連接的作用，它對(duì)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(xiàn)路中的故障電壓導(dǎo)致電擊事故，同時(shí)可減少電位差、電弧、電火花發(fā)生的機(jī)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(yùn)行時(shí)不帶電的金屬導(dǎo)體部分與接地極之間作良好的金屬連接，以保護(hù)人體的安全，防止人身遭受電擊。

保障電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行：電力系統(tǒng)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(yīng)和電磁感應(yīng)，物料在生產(chǎn)和運(yùn)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(zāi)的危險(xiǎn)。

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(fù)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)有哪些？

①GB/T18384-3電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)

②EN1987-3Electricallypropelledroadvehicles-Specificrequirementsforsafety-part3：protecTIonofusersagainstelectricalhazards

③ISO6469-3Electricallypropelledroadvehicles-SafetyspecificaTIon-part3：protecTIonofpersonsagainstelectricshockGB/T18384-3對(duì)等電位連接的設(shè)計(jì)要求、測(cè)試要求在標(biāo)準(zhǔn)6.3.1和6.9中做了明確規(guī)定。

如何進(jìn)行等電位連接的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)？

對(duì)于等電位連接的驗(yàn)證，GB/T18384-3：2015給出的測(cè)試方法在標(biāo)準(zhǔn)7.4部分：

GB/T18384-3：2015的測(cè)試示意和實(shí)例如下圖所示：

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(yán)格一些，要求等電位連接的阻抗必須小于0.01歐姆。

那么，對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)講，如何進(jìn)行等電位連接的設(shè)計(jì)？

設(shè)計(jì)思路：

設(shè)計(jì)原理：

設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shè)計(jì)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(dǎo)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(xiàn)。如果等電位連接是通過(guò)壓接或螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)等電位連接的螺栓，其類(lèi)型和扭矩等也有相應(yīng)的規(guī)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(yīng)規(guī)格要求。

再次，對(duì)于等電位連接所用的導(dǎo)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(rèn)。用于等電位連接的導(dǎo)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(zāi)。

要點(diǎn)：

1)用于等電位連接的導(dǎo)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(dāng)然，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，等電位連接的技術(shù)實(shí)現(xiàn)不會(huì)僅局限于客戶(hù)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(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(qiáng)調(diào)下：

(1)有些同事對(duì)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(dǎo)體之間無(wú)電位差，同時(shí)對(duì)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(yán)格要求接地線(xiàn)的載流能力，而等電位對(duì)連接導(dǎo)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。

(2)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(xiǎn)的。通常，BMS的絕緣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)一端連接在高壓上(高壓正或高壓負(fù))，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(fù)和車(chē)身底盤(pán)間的電勢(shì)差來(lái)判斷絕緣是否失效。當(dāng)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(cè)高壓與車(chē)身的絕緣失效，不能檢測(cè)箱體與高壓的絕緣失效。