电动汽车高压零部件密封防护要求初探

2019-04-02 10:40:16 来源:写作指导

摘要:为保证电动汽车的高压电力正常运行,对高压安全设计提出了越来越高的要求。本文就电动汽车高压零件密封防护设计进行一定的归纳总结,希望能起到抛砖引玉的效果,让零部件进行高压安全设计时能够更多对其背后的防护目的进行深究,使高压安全设计能够更有针对性和完整性。

关键词:新能源汽车;密封;IP67;高压安全

电动汽车采用高压电力作为车辆运行的能量传输和动力输出方式,相比传统汽车有着能源清洁上的环保意义,因此近几年得到了国家的大力推广,新能源汽车也得到了快速的发展。但是,电动汽车高压电力运行过程的高压安全问题一直是市场和消费者所担心的隐忧,电动汽车的高压安全设计也得到越来越多的关注。相应的国家法规和行业标准,对于高压安全的要求也持续完善中。其中,高压零部件的密封防护要求作为高压安全防护最基本、最重要的设计要求,对其设计要求和验证方法也在不断发展和完善中。

1法规要求

首先,IP67是目前人们最为熟知的密封要求,其标准出自GB4208-2008。具体要求为高压零部件在完整装配状态下放置在水下1m处30min后取出,若是不存在进水现象则该状态的高压零部件满足IPX7;而将其置于防尘试验箱中没有灰尘进入则为满足IP6X。综合两项测试通过,即为满足IP67。现在国内外的高压安全法规中,均将IP67作为高压零部件的基本设计要求,而且是零部件全生命周期内都必须保证的密封性能。由于操作方面的原因,充电接口在技术上很难实现IP67的设计要求,因此充电接口的密封要求是在其充电座盖盖好或者充电枪插好的情况下满足IP54,即可以在溅水状态下保证充电接口不进水且只会进入少量灰尘不影响设备运行。除此之外,其他高压零部件的基本密封要求均是IP67。图1所示为GB4208-2008中关于各IP等级的规范要求。一般普通家用电器只做到IP20,最高的防护等级能达到IP44。可见IP67的设计要求是很高的,法规对电动汽车高压零部件的密封要求的重视程度可见一斑。另外,除了防水防尘的要求外,还有防止金属异物和手指误触的设计要求。其中,高压零部件在未装配好相应接插件等其他接口部件时,要求满足IPXXB的防护要求,即不大于12mm直径的物件(包括手指在内)不能接触到高压零部件的危险部件(比如高压导体)并与之保证安全间隙。高压零部件在装配好相应接插件等对接部件后,要求满足IPXXD的防护要求,即不大于1mm的金属针或线不能接触到高压零部件的危险部件并与之保证安全间隙。此两项要求的主要目的是防止人员直接或间接通过物件接触到危险部件,避免发生触电等安全事故。图2为IPXXD触指和IPXXB触指示意图。通过对各个接缝的触指测试,验证高压危险导电部件不会被轻易误触,避免触电的安全事故。

2设计目的

防水防尘(尤其是防水)一直作为高压零部件防护设计中最基本最重要的设计要求。究竟水对于高压安全的影响有多大?首先,触电对人体造成伤害的是电流,频率为15~100Hz的交流电流大于10mA后,肌肉就将发生不自主的收缩,无法摆脱触电导体,以致造成更大的触电伤害。根据欧姆定律,触电电流的大小取决于回路电压和回路阻抗。人体的阻抗值取决于很多因素,尤其是电流路径、接触电压、电流持续时间和频率、皮肤潮湿程度、接触的面积、压力和温度等。在较低的安全电压下,人体阻抗超过一千欧甚至几千欧,通过人体的电流远小于10mA,因此不会发生触电事故。但是在较高的危险电压下,由于皮肤会出现被烧蚀等现象造成人体阻抗明显下降,此时升高的触电电压和降低的人体阻抗将产生较大的触电电流,造成危险的触电伤害。目前,电动汽车的高压安全法规对于安全电压的等级划分界限为:不大于30V的交流电压或者不大于60V的直流电压为A级电压即安全电压,超出该界限的电压则为B级电压即危险电压。高压零部件在正常状态下,所有高压导体都有相应的绝缘处理,电气间隙和爬电距离都能满足相应安全要求,这种情况下的高压回路在工作时其对搭铁绝缘电阻可以有效保证在500Ω/V以上,泄露电流可以得到有效控制保证高压安全。但是高压零部件一旦进水,水中所含的电解质在高电压下作为良好导电体,使得原来可以保证的绝缘电阻急剧下降。此时若无其他安全设计,人员发生误触并形成导体回路后将发生触电事故。因此在高压安全设计中,始终将高压零部件的防水性能作为重中之重。

3测试验证

近几年随着电动汽车的快速发展,市场上也积累了不少使用经验,对于高压零部件密封的失效案例及对应测试验证方法也有了较为完整的规定。鉴于城市内涝和道路积水的工况场景,整车涉水试验(图3)一直是法规标准制定和整车高压安全测试验证的焦点。但IP67是静态下设计要求,而涉水试验是动态下的测试认证。静态下的IP67可否防护动态下行车水压并没有相关的实测数据验证。为此笔者就此问题,在涉水试验中于底盘高压部件处装置压力传感器,实测涉水试验中整车底盘迎面水压的压力值。图4a为涉水工况一:上海地标要求的150mm水深,30km/h车速,红色线为IP67测试条件下的1m水压压力值。由实测压力曲线可以看出此工况下由于车速较快,高压部件壳体在个别瞬间承受了2m水压压力。图4b为涉水工况二:上海地标要求的300mm水深,5km/h车速下的水压实测曲线。此工况下由于车速较慢,高压部件壳体承受的水压基本取决于水深深度,没有超出1m水压范围。综上,涉水试验动态测试在车速较快的工况下,满足IP67的高压零部件并不一定能保证其有效防护。为此,高压零部件的静态IP67设计与整车涉水试验的动态测试,二者相互补充,缺一不可,才能更有效地保证高压零部件的有效防护。另外,暴雨天气和车辆清洗的情况也是广泛存在的现象,尤其是前舱打开情况下出现暴雨天气等极端工况。为此高压安全法规也规定了整车需要进行模拟暴雨和模拟清洗的整车测试。其中模拟暴雨是在整车可打开部件(比如前舱盖)均打开的状态下,使用IPX3喷头对整车进行5min的均匀喷洒,流量为10L/min,其目的在于检测极端状态下出现暴雨时整车是否存在高压风险。而模拟清洗使用的是IPX5喷嘴,12.5L/min,0.1m/s的速度对所有接缝进行冲洗,目的是检测整车可打开部件在关闭状态下,其接缝处耐受冲洗的风险测试。图5a为前舱打开状态下进行模拟暴雨测试,图5b为模拟清洗测试对整车所有接缝处进行冲洗。这两项测试均是要求测试结束后,整车高压绝缘均维持正常,不存在进水情况。

4总结及展望

IP67作为高压零部件最基本,也是最重要的防护要求,已经得到了广泛认同和应用。但是在实际开发过程中,仍存在各式各样的失效模式。比如,密封圈在高温老化后变形量过大导致密封失效,高压接插件密封圈贴合面平整度差导致的密封失效,振动工况下壳体变形导致的密封失效等。甚至部分能级差的供应商还会出现密封圈漏装的品质问题。因此开发过程中的多轮反复测试验证以及量产下线的气密性测试都是非常有必要性的。电动汽车高压零部件的长期稳定有效密封必须得到有效保证。随着整车高压安全防护设计的不断发展和丰富,多重安全防护设计也得到了更多的关注和应用。比如绝缘监测、高压互锁、等电位设计、多级锁止、断电保护、电容放电等的安全设计要求渐渐成为整车的设计必须项和法规要求的必检项。有了这些安全设计,使得IP67防护不再“势单力薄”,电动汽车的高压安全防护也变得更有保障。另外,IP69也开始走进人们的视线,其设计要求比IP67更为严苛,密封防护更为可靠,整车经受涉水等工况也更有保障。现在一些走在前列的高压零部件,尤其高压接插件,已经将其作为必备设计要求。相信随着电动汽车的持续发展,相应配套工艺的不断改进优化,相关标准的丰富完善,高压安全设计也将越来越成熟,电动汽车的安全运行也能得到更好的保障。

参考文献:

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作者:王祖声 单位:上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心