从设计角度，以高压电缆为案例重点讨论高电压安全发展进步

前言

电动汽车能量形式区别于燃油汽车，主要包括和新增化学能、高压电能、磁能及相互转化形式。各种能量形式，从电动汽车诞生的哪一天，就已经和“安全”捆绑在一起。化学能的易燃烧、易污染；磁能对人体潜在伤害、对环境及设备干扰；尤其是电能高电压、大电流，直接对人体或设备构成安全威胁。本文从设计角度，以高压电缆为案例，重点讨论高电压安全发展进步。其宗旨，以人为核心的安全，是最根本的需求。

电动汽车和电力系统，此“高压”非彼“高压”，对人体都具备强伤害性

1.电力系统对线路和设备的高压划分

把标称电压1kV及以下的交流电压等级定义为低压，把标称电压1kV以上、330kV以下的交流电压等级定义为高压。在新版《电力安全工作规程》规定：电压等级在1000V以下者为低压设备。电压等级在1000V及以上者为高压设备。

2.电动汽车高压，就是B级电压

ŸA级电压：最大工作电压小于或等于30Va.c.(rms),或等于60V d.c.电压组件或电路。

ŸB级电压：最大工作电压大于30Va.c.(rms)且小于或等于1000V a.c.(rms)，或大于60V直流（d.c.）且小于或等于1500V直流（d.c.）的电力组件或电路。

3.高压对人体强伤害性，电流大于50mA流过人体有生命危险

电能对人体的伤害形式，主要有电击和电灼伤等。在电动汽车“人员”安全方面，这两种状态，都有可能发生。对于驾驶员、乘员，电伤的成分更大一些，对于维护人员、故障处置人员，这两种情况都有可能发生。

电击主要是电流通过人体，对人体器官，比如，心脏、肺、神经系统造成的伤害，与电压和电流大小、电流通过人体时间、人体阻抗状态、环境湿度状态、交流频率等因素有关。同时，还与电流流过人体的途径有关（流过手与手之间，左手与左脚之间较严重）。人们通过实验，一般性共识，当人体流过工频（50～60HZ）1mA或直流5mA电流时，人体就会有麻、刺、痛的感觉。当人体流过工频20～50mA或直流80mA电流时，人就会产生麻痹、痉挛、刺痛，血压升高，呼吸困难，自己不能摆脱电源，就有生命危险。当人体流过100mA以上电流时，人就会呼吸困难，心脏停跳。一般来说，10mA以下工频电流和50mA以下直流电流流过人体时，人能摆脱电源，故危险性不太大。

电灼伤主要是电流的热效应、化学效用等对人体的伤害。对于电动汽车，高压电方面，主要是来自于热效应的伤害，比如，短路电弧、过流高温等热量对人体外表的伤害。

对于电动汽车、电力系统，高压、大电流对人体的伤害都是一样的。

高压安全的发展，从标准进步开始

标准中约束的要求是电动汽车安全的底线和发展方向。在我们国家，标准某种意义上是等同于法规效力的。近几年，新修订的国标，在某些条款或参数，都达到或超过ISO、 SAE等标准。

2015版电动汽车安全标准进步：

标准	关键点描述
新标准	GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求第一部分：车载可充电储能系统	a) 从整车层面明确安全定义：对“车载可充电储能系统”新定义 b) 高压概念更清晰：明确了“最大工作电压”“B级电压（高压）定义”； c) 防止气体伤害：增加了“气体对驾驶舱、乘员舱、载货空间”的保护； d) 防止高压电伤害要求更具体：提高和详解绝缘电阻要求和计算方法； e) 发生过流或短路，提升对人员保护：从整车行驶安全角度切断高压； f) 保护人：增加因单点失效，热量对人的伤害。
旧标准	GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第一部分：车载储能装置

新标准	GB/T 18384.2-2015 电动汽车安全要求第二部分：操作安全和故障防护	a) 明确高压系统：适用电压范围：B级电压(B级电压高于原标准) b) 明确高电压切断流程：从可行驶到切断“只需一个动作” c) 明确通断由继电器（主开关）控制：接通/断开“必要部分” d) 增加了紧急响应对厂家的要求：提供处理指南或手册。 （仅罗列了相关高电压部分的变化）
旧标准	GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第二部分：功能安全和故障防护
新标 准	GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求第三部分：人员触电防护	a) 对车辆高低压划分更明确：A级电压（低压）、B级电压（高压） b) 增加高压直观识别：增加了对B级电压电线标记和高压警告标记求； c) 增加单点失效防护：绝缘电阻、电容耦合、断电； d) 明确实验方法：对B级电压部分三种测试状态（7.2） e) 修改了耐电压试验方法 f) 增加了断电的要求。
旧标准	GB/T 18384.1-2001 电动汽车安全要求第三部分：人员触电防护

分析：

1、三个新国标共有22处增加，31处修改。其中，人员触电防护，变更最多，10处增加，11处修改。可以说明一个问题，在电动汽车整车安全标准中，以人为核心的产品安全思路，已上升到新高度。

2、新国标修订后的特点：高压定义更加清晰和明确；增加了故障紧急响应的要求，需要企业提供相应的技术文件等；强调车辆在行驶中的安全状态。

高电压安全设计案例：高压电缆

1.案例：tesla 使用的champlain电缆，其“专门”的特性在哪里

tesla采用美国Champlain的专门为电动车生产的线缆，其最高可承受600V电压，并且可在-70～150℃之间工作。

EXRAD XLE 电缆特性指标：

Tesla高压电缆特性与QC/T 关键指标对比:

执行标准	TESLA (执行SAE J1654 等)	QC/T 1037-2016 《道路车辆用高压电缆》
绝缘层颜色	橙色	橙色
电压类型	高压	高压
绝缘层（介质）耐压	5000Vac,35min	火花试验，不应出现击穿放电 AC 600 V/DC 900 V 电缆为 8 kV； AC 1000 V/DC 1500 V 电缆为 10 kV
温度要求	-70～150℃	共8个温度等级，最高H级：-40℃～250℃
耐磨	Sandpaper resistance 4 pound weight inches ，10	最小往复次数1000-1500次
耐化学试剂	热盐溶液、冷却液、 电池酸	耐化学试剂浸渍时间10秒，腐蚀性强的如汽油、柴油单次浸渍后热老化240h，弱腐蚀性液体如冷却液、玻璃水,热老化3000h.
阻燃特性	Maximum time after burn 70S	自熄时间要求小于30秒.比GB/T 25085 GB/T 25087自熄时间要求小于70秒提高。

注：工信部批准发布了汽车行业标准QC/T 1037-2016《道路车辆用高压电缆》，于2016年9月1日实施。

分析：QC/T 在某些安全特性方面测试或需求要高于 tesla 现有指标

绝缘耐压测试,QC的火花试验,更严酷。

额定温度在低温方面,tesla 更胜一筹。

阻燃特性QC明显高于 tesla 要求。

耐磨特性，QC要高于tesla 特性。

耐化学溶剂方面，QC 涵盖品种更多。差异性方面Tesla HOT water(热盐溶液 85℃)测试，需要进一步分析。

2、高压电缆因使用环境位置不同，需要防护措施设计

这一点就是标准中所说，在基本防护之上增加一层或多层绝缘、遮拦、壳体。在车辆特定位置高压电缆防护同样需要做设计。只不过，不全是单一高压防护。我们在燃油汽车低压线束设计中，这一点做的已很成熟，例如，在前舱，都知道有发动机的高温、振动等考验，线束增加高温（150℃）、耐磨护套等。

下图是tesla防护案例：

案例总结，整车角度的高压电缆,也是高压零件之一。更多情况裸露在外。安全问题较为突出。所以，为了增加人们的感官辨识，使用了显眼的橙色，也是安全色。同时，需要满足整车及整车中不同使用位置的环境需求。包括，温度、耐腐蚀、耐磨等多方面。其最终也是防止破皮发生高压危险。

标准中，新增加的“断电”保护措施理解

个人认为标准中，增加了高电压安全保护措施“断电”要求，是非常科学和智慧的。从表层原理看进去，其实，是很复杂的要求。如果能做到断的正确、断的及时、断的安全、紧急断电，并不是一件容易的事。断电，不全是硬件继电器的可靠性执行，更重要的是，软件的逻辑正确，故障诊断到位等

“断”的正确：主要从软件指令传输入手，对通信方式、策略设计、EMC等方面，采取保护措施。

“断”的及时： 是响应快的需求。标准中要求，从“可行驶模式”到驱动系统电源切断状态只需要一个动作。一方面，强调整车层面，发出断电指令的一个步骤即可；另一个层面，继电器可以在几秒之内或更短时间，切断电源。做到及时。

“断”的安全：从标准中可以看出，需要在设定的时间内，回路状态满足条件之一“交流电路电压应降低到30Va.c,直流电路电压应降到60Vd.c或以下；电路存储的总能量小于0.2J。”再行切断供电。主体是确保继电器不带载断电。确保硬件安全。最终起到故障态的防护作用。

紧急（救援）断电：其实就是在非常状态，无法通过上述状态断开高电压时，采取的破坏性非恢复的断电行为。如下图为tesla的紧急响应保护措施：

前备箱紧急响应程序切断回路：由2根低压电线组成。切断此回路会关闭高压电池外的高压系统。并且需要切断两次，避免意外重连的风险。

高电压回路其它安全措施

高电压回路安全在设计中，主要有硬件功能方面，如，绝缘检测、HVIL互锁电路、安全连接；软件方面有故障诊断、报警、冗余设计；结构防护方面有护套、护板等。

小结

电动汽车安全，高电压安全是最突出和被人们关注的功能。每当新能源汽车发生事故，人们潜意识关心的是人员被伤害的形式，电伤？烧伤？事件本身，就是对设计者的挑战和压力。所以，在对人员的保护方面，更需要技术不断取得进步。同时树立以人为本的安全设计，才是核心设计的理念。