電動汽車電池包的絕緣要求

A. 純電動汽車絕緣故障是什麼原因

電動汽車有一個很大的潛在讓人害怕的地方是觸電，因此有了一份專門針對車輛電氣安全的安全標准《GB/T 18384.3-2015 電動汽車安全要求第3 部分：人員觸電防護》。裡面有關於電氣安全的部分有不少，其中對於絕緣故障可能造成高壓電暴露，引起人身傷害。這個起始閾值也做了最小的規定，動力系統的測量階段最小瞬間絕緣電阻為0.5kΩ／V交流、直流為0.1kΩ／V。 各整車廠開發的純電動車輛， 則根據各自設定的電壓等級來確定動力系統的絕緣電阻報警閥值，還有一個非常重要的是絕緣檢測的策略和容錯策略。

B. 新能源汽車絕緣檢測原理

當前主流的絕緣檢測方法有兩種，電橋法和交流注入法,但這一功能由電池管理系統BMS來實現。電橋法又稱被動檢測法，主要原因必須有高壓才能進行絕緣檢測。交流注入法又稱主動檢測法，因為只需12V鉛酸上電即可完成絕緣檢測功能。關於絕緣檢測的專利大家去網上搜搜也非常的多，但大多也是基於上述兩種方法的演變和優化。大致總結如下（若有不妥，歡迎探討，更歡迎批評指正）：

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電橋法重難點解讀：
（一）電橋法的檢測原理
電橋法的工作原理是BMS通過檢測高壓正與高壓負之間的分壓變化來計算正極/車身與負極/車身的絕緣阻值,檢測原理如下三步:

1. 閉合開關S1,閉合開關S2:BMS檢測到V1,V2的電壓;
2. 閉合開關S1,斷開開關S2:BMS檢測到V1』的電壓;
3. 斷開開關S1,閉合開關S2:BMS檢測到V2』的電壓;
4. 根據上述三個步驟,已知電池的總電壓U以及正負極橋臂的分壓電阻及其比例,可以列出三個方程U=aV1+bV2,
5. 根據這個方程式來解方程可以求得:正極/殼體阻值=Rp,負極/殼體=Rn
兩個阻值便是我們平時整車上讀取到絕緣值，以上即為電橋法的檢測原理。
（二）電橋法的設計難點
電橋法的穩定性及可靠性還需重點考慮如下幾點（上述四個電壓值V1，V2，V1』，V2』以下統稱V1，V2，歡迎補充和探討）：
1. 分壓比例及ADC的選取：
絕緣檢測為了兼顧成本會犧牲一部分精度（採用12bit ADC采樣，甚至直接用單片機內部的ADC采樣），這個時候對電阻的分壓比例（R1/R2或R4/R3）的選取提出較高的要求，
電阻分壓比例太大采樣解析度不夠，無法做到較高精度；
電阻分壓比例太小采樣超出量程，無法做到全電壓范圍的采樣；
2. 寄生電容的影響：
大家都知道，整車上寄生電容的實際存在（一般在幾百納法級，也有遠大於這個量級的）。
由於寄生電容會導致V1，V2電壓值穩定需要一定時間，這個時候就會出現幾個問題：

BMS無法准確判斷V1，V2電壓的穩定采樣點，電容電壓未穩定或者電容開始漏電導致V1，V2的電壓不是真實分壓的值，這樣計算出來的絕緣值不準，這也是前幾年有些車絕緣不穩定的要因之一，現在好多了；
BMS等待電壓穩定的時間，等待的時間過長導致絕緣檢測時間偏長，可能不滿足功能安全中FTTI的時間要求；
寄生電容值隨著天氣以及車輛的老化會發生改變，這個時候要確保設計仍然滿足前期的采樣精度和時間目標就對演算法的穩定性及適應性提出了較高的要求，主要硬體電路以及軟體濾波要考慮；
3.電壓V1，V2的采樣同步實時性的影響
理論上V1，V2的實時性越高對絕緣采樣精度及穩定性越有利，但是很遺憾這個也只能是理論，顯然是無法完全同步的。為了方便理解，我暫且假定一個非常極端實車工況來說明同步實時性的影響：
階段一：猛踩油門踏板上陡坡，此時BMS恰好為步驟2檢測V1』；
階段二：猛踩制動踏板下陡坡，此時BMS恰好為步驟3檢測V2』；
大家可以先想想這個情景以及這個情景對絕緣檢測的影響。踩油門踏板的時候電池包對外大電流放電，由於鋰電池的DCR+極化內阻等存在，導致電池包的高壓會被急劇拉低（由電流的大小決定，一般在50~100V，以一個400V電壓來說電池實際輸出電壓為350V）。踩制動踏板的時候由於制動能量回收整車對電池包大電流充電，同理導致電池包的高壓會被瞬間抬高至450V。那麼問題就來了，V1』是以350V分壓檢測得到的，V2』是以450V分壓檢測得到的，用這一組電壓去計算絕緣是不妥的，輕則絕緣值誤差較大，最嚴重的情況下可能出現絕緣誤報漏報導致整車做了對應的故障策略。

C. 新能源汽車絕緣故障解決方法

電動汽車有一個很大的潛在讓人害怕的地方是觸電，因此有了一份專門針對車輛電氣安全的安全標准《GB/T 18384.3-2015 電動汽車安全要求第3 部分：人員觸電防護》。裡面有關於電氣安全的部分有不少，其中對於絕緣故障可能造成高壓電暴露，引起人身傷害。這個起始閾值也做了最小的規定，動力系統的測量階段最小瞬間絕緣電阻為0.5kΩ／V交流、直流為0.1kΩ／V。 各整車廠開發的純電動車輛， 則根據各自設定的電壓等級來確定動力系統的絕緣電阻報警閥值，還有一個非常重要的是絕緣檢測的策略和容錯策略。圖1 整車絕緣問題概覽

第一部分 絕緣檢測的故障原因

電動汽車絕緣的問題主要可以分為：

內部：這部分我們細致的展開，從大的來看，主要是電解液泄露、外部液體進入、絕緣層被破壞之後，電池模組和單體出現了導電的迴路。這類故障發生之後可能會發生較為嚴重的後果（主要是打火和燒蝕，引起模塊內單體的短路故障）。

在大的模組內，我們可以找到通過模組內部、BMU、BMS和模組與托盤等多種絕緣突破路徑。

BMU對於Coating的要求很高，大量有電位差的線纜通過連接器接入，如果出現凝露和電金屬遷移，容易在內部產生各種潛在導通路徑

模組內部由於振動、沖擊導致磨損、錯位，如果出現絕緣紙、藍膜失效的情況，就會出現絕緣問題

BMS和BDU這兩個部件由於高壓的直接接入，如果出現隔離失效，就會產生類似軟短路的情況發生

下圖所示，真正絕緣問題出現電擊人的情況，都需要出現人本身去接觸電池的一端輸出才會出現下圖的電擊事件發生。

2. 電池外部的高壓迴路：這部分可以通過接觸器斷開而隔絕

a) 高壓連接器和高壓線纜：這里比較多的情況是兩種，一種是局部放電引起的絕緣失效；還有就是連接器金屬物質遷移導致的絕緣失效。

備註：在這個案例裡面，通電，高溫，潮濕，氯離子存在的條件下，電連接器內部金屬構件發生了表面鍍銀層的電遷移和主體材料的腐蝕，產物在電場的作用下附著在絕緣組件上並將外金屬套殼和與內金屬觸條一體的金屬構件連接，從而導致電連接器絕緣阻值大幅降低失效。

b) 高壓用電部件內部出現絕緣失效：把內部的連接器、連線歸於上一類以後，基本就考慮功率部件相關的絕緣防護是否合理。特別的如電機、變壓器內絕緣情況。

從場景上區分，可以分解成充電狀態、正常狀態、涉水、碰撞事故、結露、暴雨、淹沒、清洗等狀態。這是貫穿整個壽命周期和使用場景對各個環節進行考慮的結果，當然實際整車級別的驗證測試也需要涵蓋。

從路徑上分，可以從爬電距離、固態絕緣和空氣間隙等方面對絕緣進行破壞。

以上這些，都算是真正絕緣發生了問題。還有一些問題就是絕緣檢測電路和演算法本身受到干擾或者出現了硬體的損壞。我們可以細分為：

絕緣檢測超差：受到外部干擾檢測出來過高，設計范圍超差

絕緣檢測失效：電路由於開關（光耦或者高壓繼電器失效）出現失效

第二部分 車輛診斷與處理和漏電車輛處理

我們還是以LEAF為例，其DTC分了三個故障：

模式A：是從動力源頭切斷任何充電和放電的過程，主要響應比較高等級的故障

模式B：考慮電池的故障在一定范圍內之類，限制電機輸出功率，在充電模式下充電停止（阻止了能量回收）

模式C：限制電池包的輸入和輸出功率

模式D：僅亮起故障等，其他不做處理

這里的三個定義為處理絕緣值信號（P33DF是判斷信號異常高、P33E0是採集信號異常低，P33E1是出現絕緣報警），這里分層的原因主要是是對整個故障錯誤分類。不過我倒是看到有不同的處理方法。我們在這里可以有幾個區分點：

啟動之時：啟動的時候檢測可以根據數值、診斷電路本身情況、整個系統上電的范圍，可以判斷出問題出在哪裡。根據數值的不同選取處理辦法。嚴格來說，根據在不同狀態下，絕緣電阻的測量誤差可以做不同的策略。

充電檢測：這個我會後面仔細談一談快充多迴路檢測過程中可能出現的問題。這個在法規層制定的時候就已經有很多的涉及和探討。

車輛行駛過程中：這點是我覺得很保守的，在車輛行駛過程中，由於有各方面的干擾存在包括紋波、電壓在大電流充放過程的變化，使得整個記錄的頻次需要用計數器來做；根據數值也可以做不同的策略來判斷這個嚴重情況，執行限功率或者更好的措施。

區分了DTC之後，當發生了絕緣故障之後，對於維修人員首先應保證人員安全，操作者須配戴好有一定安全等級，符合國家相關標准要求的防護用品(防護用品通常有使用年限要求)，如絕緣手套（橡膠手套+外用手套）、絕緣鞋等。

這里有個絕緣電阻的參考表，用絕緣表來測非帶電部件還是比較管用的。從車輛的壽命周期考慮，維護過程中還是安置一個MSD是比較靠譜的，能夠在接觸器粘連和各種意外條件下保證匯流排上是沒有電的。

D. 新能源汽車電池包隔熱材料怎樣選

蓄電池包為由一個或多個蓄電池模塊組成的單一機械總成。通常每套電動車用動力電源系統由多個電池包組成。電池包包括電池模塊、箱體、連接線束、管理板等。電池包的設計需滿足以下要求：

      (l)滿足整車安裝條件，包括尺寸、安裝介面等；

      (2)電池箱體與電池模塊之間的絕緣，電池箱體與整車之間絕緣；

      (3)防水、防塵滿足IP54或以上要求；

      (4)減少電池包內部使電池產生自放電的可能性；

      (5)各種介面（通信、電氣、維護、機械）等完全、合理；

      (6)模塊在電池箱體內的固定、電池包在整車上的固定滿足振動、側翻、碰撞等要求；

      (7)溫度場設計合理，要求電池箱體內部電池溫差不超過5攝氏度；

      (8)禁止有害或危險性氣體在電池包內累積，更不能進入乘客艙；

      (9)部分應用（純電動汽車）要求快速更換。

E. 電動汽車三項強制性國標發布 電池熱失控需保證5分鍾逃生時間

5月12日，工業和信息化部組織制定的GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國家標准（下稱「三項強制標准」）由國家市場監督管理總局、國家標准化管理委員會批准發布，將於2021年1月1日起開始實施。
電動汽車安全是消費者關注的焦點，也是新能源汽車產業持續健康發展的根本保障，三項強制標准進一步提高和優化了對電動汽車整車和動力電池產品的安全技術要求。
其中，《電動汽車安全要求》主要規定了電動汽車的電氣安全和功能安全要求，增加了電池系統熱事件報警信號要求，能夠第一時間給駕乘人員安全提醒；強化了整車防水、絕緣電阻及監控要求，以降低車輛在正常使用、涉水等情況下的安全風險；優化了絕緣電阻、電容耦合等試驗方法，以提高試驗檢測精度，保障整車高壓電安全。
《電動客車安全要求》針對電動客車載客人數多、電池容量大、驅動功率高等特點，在《電動汽車安全要求》標准基礎上，對電動客車電池倉部位碰撞、充電系統、整車防水試驗條件及要求等提出了更為嚴格的安全要求，增加了高壓部件阻燃要求和電池系統最小管理單元熱失控考核要求，進一步提升電動客車火災事故風險防範能力。
《電動汽車用動力蓄電池安全要求》在優化電池單體、模組安全要求的同時，重點強化了電池系統熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗項目涵蓋系統熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環、振動泡水、外部短路、過溫過充等。特別是標准增加了電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發生熱失控後，電池系統在5分鍾內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。
近年來，隨著電動汽車開始走進千家萬戶，鋰離子動力電池正在越來越多的進入到我們日常生活之中，鋰離子電池的高能量密度和長循環壽命賦予了電動汽車更長的續航里程和更長的使用壽命。但是作為直接關繫到使用者生命財產安全的產品，動力電池的安全性自然也到了更多的關注。
「未來吸引消費者購買的將不再是動力性排而是安全性。」中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，里程焦慮推動了電池技術的進步，鋰離子動力電池系統的比能量在逐年提升、成本在逐年下降，但與此同時，電池比能量的提升也帶來材料熱穩定性的下降，增加了電池的安全風險，特別是如何抑制動力電池熱失控已經成為業界研究的重點課題之一。
所謂「電池熱失控」，簡單來說就是當電池短時間內溫度快速升高，超出電池的安全使用溫度范圍之後，引起電池熱失控，進而發生電池燃燒等事故，而充電過充、枝晶析鋰、枝晶刺破隔膜、過熱導致隔膜崩潰等都會誘發內短路。電池的內短路問題並非不能解決，但就要求車輛的電池管理逐步升級為新一代以安全為核心的系統，這也對相關整車製造與電池企業提出了更高的要求。
歐陽明高表示，隨著電動汽車動力電池在安全理念上的升級，今年技術領先的兩家企業不約而同地在電池包方面作出了創新，那就是寧德時代的CTP和比亞迪的刀片電池技術。
其中，寧德時代的CTP電池包專利取消了現有技術中的電池箱體，直接將電池模組通過固定件穿過套筒或者利用安裝梁直接裝在整車內。這樣的設計在實現電池包輕量化的同時也提高了電池包在整車的連接強度，優點在於不受標准模組限制，並且能提高體積利用率和系統能量密度，同時散熱效果要高於目前小模組電池包。
而比亞迪的「刀片電池」同樣採用無模組電池包技術，即將電芯做成又長又薄的「刀片」形狀，令磷酸鐵鋰電池的體積能量密度提升了50%；更重要的是，刀片電池長電芯結構與殼體及保護結構形成剛度較強的結構體，抗變形、耐擠壓和穿刺的能力也更強，再加上在高風險安全位點全面使用了耐高溫和具有優異絕緣性能的高溫陶瓷塗層，使電池組內部發生短路的概率降至極低。
比亞迪內部人士告訴《電動大咖》，刀片電池在開發的過程中已經充分考慮了三項強制標準的各項要求。在用來模擬電池熱失控、較難通過的針刺試驗中，比亞迪刀片電池針刺點附近位置僅有較低程度的溫升變化，未發生劇烈反映，基本杜絕了出現燃爆的可能，即使在極端情況下也僅有冒煙現象。這也意味著比亞迪刀片電池能夠更好地通過《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中增加的電池系統熱擴散試驗，為乘員預留安全逃生時間。
正如中國科學院院士歐陽明高所說，目前電動汽車動力電池的發展方向主要有3個方面，包括電池材料和電化學體系的創新；智能製造、智能回收等智慧電池的發展；電池設計和產品工程方面的創新方向。而「刀片電池」主要體現在「電池設計和產品工程方面的創新」。
毫無疑問，三項強制標準是我國電動汽車領域首批強制性國家標准，對提升新能源汽車安全水平、保障產業健康持續發展具有重要意義。值得一提的是，業界人士普遍認為，CTP電池和刀片電池還不是完全沒有模組，而是使用了大模組的形式，但這還是意味著無模組電池進入了變革與發展的加速階段，相信會有更電池企業跟進並帶來更進一步的創新，為廣大消費者帶來價格更實惠、更安全的新能源汽車。
本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。

F. 汽車電線絕緣要求

絕緣材料的選擇主要是考慮耐熱要求和機械強度。相比標準的電池電纜，可以合理選擇比較軟的材料，使特殊設計的絞合導體保持柔韌性。



和常規汽車電纜的基本差異是結構需要按額定電壓600 V設計，而如果在商用車和公共汽車上使用，額定電壓可高達1000 V以上。而目前由內燃機驅動的汽車使用的電纜被設計為額定電壓60 V。

對於所有的絕緣材料，這么高的電壓從來不是挑戰。對於工業和民用電氣系統，這仍然是低壓。對於汽車用高壓電纜，面臨的挑戰應是在熱、機械性能。

由於電纜連接電池，逆變器和電動機，高壓電纜需要傳輸高電流。根據系統組件的功率要求，電流可達到250A到450A。這么高的電流在常規驅動的車輛上是很難找到的。高電流傳輸的結果導致高功耗和組件的加熱。因此高壓電纜設計為承受較高的溫度。目前可以看出對溫度要求有進一步增加的趨勢。

相比之下， 目前的車輛通常使用電纜的額定溫度到105℃就足夠了，只要是電纜不是用在發動機艙或其它耐較高的溫度的區域。電動汽車高壓電纜通常要高於這個溫度，如C級（125℃）或D級（150℃）。電動汽車內如果通過的路由不利，如排氣管附近，電機前面，電池背面等，主機廠甚至會提出更高的耐高溫要求。如E級（175）℃。絕緣材料更高的耐熱決定了電纜可以承載更高的額定載流量。

汽車行業通常在指定的溫度等級電纜設計使用壽命為3000 h。在公認的電纜標准（如GB/T 25085、GB/T 25087，QC/T 1037和ISO 19642），此值通常用於長期老化試驗。在高壓應用領域的客戶的特殊要求可能超過3000 h，在規定的溫度累計運行時間甚至達到至12000 h。絕緣材料耐熱和壽命成正比，越耐熱的電纜可以承載更長的使用壽命。

電動汽車的開發在許多情況下面臨的挑戰是空間納入了更多的電氣組件。電纜和連接器通過路由也需要空間。通常會導致緊張的彎曲半徑。由於常規電纜固有的設計，高彎曲力難以克服。為了解決這個問題，高壓電纜高柔韌性是至關重要的。只有比較柔韌的設計，通過車輛的路由才可以容易實現。如果電動機位於靠近車輛的運動部位，然後導致連接的高壓電纜連續振動，它要求被設計成能承受高的循環彎曲，以確保良好的彎曲耐力。

目前高壓電纜的絕緣材料以交聯聚烯烴和硅橡膠為主。交聯聚烯烴的耐熱最高可達D級，並具有很高的機械強度和耐液體化學品影響。可以設計的外徑更精巧。對於D級交聯聚烯烴通常做不到無鹵，而硅橡膠有優異的耐熱和柔韌性，環保無鹵，是設計更高耐熱E級高壓電纜的首選材料。

因為高電壓帶來應用風險增加，按照標准要求，高壓電纜必須在視覺上與普通汽車電纜區分，指定表面必須是鮮艷的橙色。

同時也可以印刷警示內容和特殊標記，如「 小心！高壓600 V」、高電壓的閃電標識等。按照QC/T 414，橙色是專門用於額定電壓 > AC 30 V/DC 60 V 的高壓電線（電纜）的主色。為了區別高壓電氣系統的不同迴路，允許使用縱向色條作為輔色。

首選的輔色顏色見表 1。護套電纜的輔色可以只加在纜芯芯線的絕緣上，並且可以作為主色。單芯護套電纜如果在護套上已經標識清楚，纜芯的絕緣也允許是本色（不著色）。

G. 電動汽車動力電池的絕緣功能是否要做到ASIL C

這個問題和你那個電解液泄漏差不多。
做不做取決於你的HARA裡面分析出來的S,E,C的值是多少，如果達到9，那麼必須做ASIL C的。
主要取決於客戶的銷售區間，以及你現在有的技術水平是什麼樣的。

H. 純電動汽車動力電池系統，正極對地絕緣絕緣值大於多少為合格

一般檢修時要測兩個電阻。一個是正極對地絕緣和負極與電池外殼絕緣阻值，阻值大於40MΩ算合格。