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动力电池系统安全设计玄机:Pack等电位连接技术

  • 2016年12月07日 15:48
  • 来源:杭州捷能科技

触电防护是动力电池系统电气安全设计的重要内容,一般来讲,可以通过两类途径来实现:一是直接接触防护,如绝缘设计、屏护防护(遮拦/外壳,IPXXB/IPXXD等);二是间接防护,包括等电位连接、电气隔离(电气间隙、爬电距离)。这里谈谈对等电位的一些理解与认识。
    什么是等电位连接?
    在电工术语中,等电位连接,也叫保护接地,《雷电与避雷工程》一书对等电位的定义如下:“等电位连接是把建筑物内、附近的所有金属物,如混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管及其它金属管道、机器基础金属物及其它大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、建筑物的接地线统一用电气连接的方法连接起来(焊接或者可靠的导电连接)使整座建筑物内部的金属物成为一个良好的等电位体。”
    在国标GB/T 18384-3:2015《电动汽车安全要求 第3部分》中,将等电位连接(电位均衡)定义为:电气设备外露可导电部分之间电位差最小化。
    为什么要求等电位连接?
    在电气安全技术不断地发展和更新的进程中,人们注意到,大量电气事故是由过大的电位差引起的,比如雷击伤亡事故就是因为雷电所产生的上万伏特电压直接加诸到人体和大地之间,巨大的电位差产生瞬间大电流,造成受雷击的人因呼吸停顿或心脏麻痹而伤亡。与雷击事故相比,全球有更多的人因为遭受民用电或工业用电的电击而伤亡,其原理与雷击事故相同,均是由于带电物体在人体不同部位产生了巨大的电位差,进而造成严重伤害。
    国际上非常重视等电位连接的作用,它对用电安全、防雷以及电子信息设备的正常工作和安全使用,都是十分必要的。等电位连接后,可防止系统电源线路中的故障电压导致电击事故,同时可减少电位差、电弧、电火花发生的机率,避免接地故障引起的电气火灾事故和人身电击事故。
    等电位连接的作用主要如下:
    防止人身遭受电击:将电气设备在正常运行时不带电的金属导体部分与接地极之间作良好的金属连接,以保护人体的安全,防止人身遭受电击。
    保障电气系统正常运行:电力系统接地一般为中性点接地,中性点的接地电阻很小,因此中性点与地间的电位差接近与零。
    防止雷击和静电的危害:雷击时会产生静电感应和电磁感应,物料在生产和运输过程中因摩擦而引起的静电,都可能造成电击或是火灾的危险。
    在电动汽车产品中,如果整个电池组的最大电压超过60V(DC),就已经超过了人体安全电压的范围,必须进行等电位连接,以确保使用安全。
    在等电位连接的情况下,即使电池组的正极或负极与电池组壳体的绝缘因故障而失效,由于车辆上所有的裸露金属部件都已经通过等电位连接达到了同一电位,因此人体接触这些金属部件时,不会有电流产生,人体在车辆上面仍然是安全的,不会发生电击事故。
    与电动汽车相关的等电位连接标准有哪些?
    ① GB/T 18384-3电动汽车安全要求 第3部分:人员触电防护
    ② EN 1987-3 Electrically propelled road vehicles- Specific requirements for safety-Part 3: Protection of users against electrical hazards
    ③ ISO 6469-3 Electrically propelled road vehicles-Safety specification-Part 3: Protection of persons against electric shock GB/T 18384-3 对等电位连接的设计要求、测试要求在标准6.3.1和6.9中做了明确规定。
    动力电池,等电位连接
    如何进行等电位连接的设计和检验?
    对于等电位连接的验证,GB/T 18384-3:2015给出的测试方法在标准7.4部分:
    动力电池,等电位连接
    GB/T 18384-3:2015的测试示意和实例如下图所示:
    动力电池,等电位连接
    有些客户制定的等电位连接要求比GB/T 18384-3:2015和ISO 6469-3更严格一些,要求等电位连接的阻抗必须小于0.01欧姆。
    那么,对于动力电池系统来讲,如何进行等电位连接的设计?
    设计思路:
    动力电池,等电位连接
    设计原理:
    动力电池,等电位连接
    设计方案:
    首先,要求电池箱的壳体必须与车辆的地(车辆壳体)实现等电位连接,可以采用地线连接的方式,也可以采用粗螺栓连接的方式,这取决于车辆的整体设计方案。
    要点:
    1)地线连接,地线颜色为黑色;
    2) 粗螺栓连接
    其次,电池箱壳体上面的所有可接触的导电金属部件(比如盖板、支架、水冷管等),都必须与壳体是等电位连接的,这可以通过焊接、压接、螺栓连接等各种方式实现。如果等电位连接是通过压接或螺栓连接来实现的,那么接触面不能喷漆或做绝缘处理,否则接触阻抗很大,无法满足要求。针对等电位连接的螺栓,其类型和扭矩等也有相应的规格要求。
    要点:
    1)焊接,焊接可靠性;
    2)压接,接触面不能做喷漆或绝缘处理,否则接触阻抗大,无法满足要求;
    3)螺栓连接,接触面不能做喷漆或绝缘处理,否则接触阻抗大,无法满足要求;
    类型和扭矩有相应规格要求。
    再次,对于等电位连接所用的导体(比如接地线等),要求其颜色是黑色,便于维修和拆卸时辨认。用于等电位连接的导体截面积和接触面的面积都必须保证不低于高压线束的截面积,这主要是考虑绝缘失效时,高压电流有可能流经等电位回路,如果等电位连接的截面积不够大,很可能因过流而发热,并进而引起火灾。
    要点:
    1)用于等电位连接的导体截面积和接触面面积都必须保证不低于高压线束截面积
    2)连接点需特殊处理,避免不同材料间的电位差带来的腐蚀作用。
    当然,在产品设计时,等电位连接的技术实现不会仅局限于客户的技术要求,应根据产品的具体情况,采取充分的措施和手段,来保证电位连接的要求,进而保证产品的使用安全。
    这里有两点强调下:
    (1)有些同事对于等电位与接地容易混淆,这里阐述下:
    共同点:要求必须满足连接电阻足够小,使连接的两导体之间无电位差,同时对线体的表面的颜色也有要求(不同领域的颜色要求不一样);
    不同点:接地没有严格要求接地线的载流能力,而等电位对连接导线有明确的载流要求:大于但不低于主功率线束的截面积,即载流能力等于或大于主功率线束。
    (2)有些电动大巴电箱与车身底盘间采用绝缘垫连接,这是有风险的。通常,BMS的绝缘监测子系统一端连接在高压上(高压正或高压负),另一端连接在24V地(即车身底盘)。 BMS通过采集高压正/负和车身底盘间的电势差来判断绝缘是否失效。当电箱进水,电箱与高压间的绝缘电阻失效时,
    由于电箱与车身间采用绝缘垫,箱体未与BMS相连,所以BMS只能检测高压与车身的绝缘失效,不能检测箱体与高压的绝缘失效。

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