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【特别策划】电动汽车充电安全分析与解决方案
2024-04-14 03:17:44 | 作者:米乐m6在线

  随着国家电动汽车战略的实施,电动汽车及其充电领域的技术、产品得到了加快速度进行发展,充电安全性、兼容性问题日渐凸显。文章从电动汽车充电安全,定义了充电设施安全性等级,并结合2016年发布的5项新国标,分析了影响电动汽车充电安全的因素,从技术与管理角度给出解决充电安全的方案,同时提出尚须研究的安全课题,为保障电动汽车产业健康发展提供参考和借鉴。

  近年来,随着新能源政策陆续出台,电动汽车的发展势头强劲,对电动汽车充电设施配套建设的需求极为迫切,因此尽快开展对电动汽车充电设施建设的策略性研究、布局规划和试点工程,对实现能源替代,优化能源结构,提高清洁能源占比具备极其重大意义。

  在充电设施建设方面,2015年,国家发展改革委等部委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》(以下简称《指南》)中提出:到2020年,将新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。《指南》着力点为快速推进充电设施的标准化和建设,保证电动汽车充电的安全性。充电安全问题应及早考虑,避免在建设中后期出现安全风险隐患,给国家和人民带来不必要的损失。

  电动汽车有其独特的安全需求,它直接或者间接与百姓生活相关,决定了充电设施安全性设计需要考虑的因素比传统工业设施更多、更复杂。

  本文从对电动汽车充电安全等级的定义入手,结合目前人们对安全的认识,通过对安全模型的研究和事故链的梳理,建立电动汽车充电安全模型,提出对应的安全措施,再针对不一样的安全措施建立技术、管理闭环工作模型,通过不同环节、不同单位的协同工作最终达到总系统的充电安全。本文是借助全生命周期质量保证体系的概念,试图建立一个全生命周期充电安全模型。

  国家标准GB/T 28001—2011《职业健康安全管理体系要求》对“安全”的定义是:“免除了不可接受的损害风险的状态”。为了更好地分析安全问题,对安全问题进行约定,定义对象和损失类别,不能无限制地扩展,导致后面的分析没法有效进行。

  基于以上安全等级的定义,对应三道安全防线:第一道防线保障人身安全;第二道防线保障汽车和周边设施;第三道防线保障充电设施。

  第一道防线主要考虑对人的保护,不止是充电的车主,还包括与充电设施工作紧密相关的人,如工程服务人员、验收人员、维护人员、计量检定人员,甚至是保洁员等。此外,还应包括可能接触到充电桩的人,如周边居民,尤其是儿童可能将充电桩当成玩具,这是很危险的。

  第二道防线主要考虑重大财产损失,首先考虑电动汽车的安全,同时要考虑周边设施、车辆的安全,甚至包括周边建筑、财产的损失。第二道防线也至关重要,如若处理不好则有可能引发重大人身、财产事故,因此就需要特别重视。当然,蓄意利用充电设施作为武器、工具进行的恶意行动而造成的安全后果不在此列,同时由于不可抗力因素而造成的安全后果也不在此列。

  充电设施一定要按照三道防线的优先级和重要性考虑防护措施,当然安全也不单单是充电设施和汽车的事情,还有对周边设施、环境的安全要求,本文不深入讨论这种情况。

  人类对安全的认识有四个阶段:无知的安全认识、局部的安全认识、系统的安全认识和动态的安全认识。目前对电动汽车充电安全认知水平还处于上述前两个阶段的混合,其目标是要建立系统的安全认识,为今后达到动态安全认识阶段奠定基础。

  没有危险的状态是安全,而且这种状态是不依人的主观意志为转移的,因而是客观的。无论是安全主体自身,还是安全主体的旁观者,都不可能仅仅因为对于安全主体的感觉或认识不一样而真正改变主体的安全状态。因此,安全不仅是没有危险的状态,而且这种状态是客观的,不因人的主观意志为转移。所以安全与安全感是两个不同的概念,本文研究的范畴是安全。

  “安全”不是一种实体性存在,而是一种属性,因而它必然依附一定的实体。因此在电动汽车充电安全问题上,需要清楚安全的主体,依据电动汽车设立的三道防线,需要着重考虑人、电动汽车、周边设施和建筑、充电设施作为主体时的安全问题。

  安全管理的对象是风险,管理的结果有两个:安全或事故。所谓“安全规律”,确切地说是事故发生的规律,也称“事故链”:初始原因→间接原因→直接原因→事故→伤害。因此要研究安全问题,就一定要通过对事故或者危险的研究来实现,需要一种工具去表达各种“事故链”,从而按照事故链条依次化解危险,达到安全目的。

  当有了关于某个安全主体的事故模型后,还需要针对这个模型研究处理问题的办法。东汉时期政论家、史学家荀悦在《申鉴·杂言》中讲到:“进忠有三术:一曰防;二曰救;三曰戒。先其未然谓之防,发而止之谓之救,行而责之谓之戒。防为上,救次之,戒为下。”意思是说,在不好的事情发生之前阻止是上策;不好的事情刚发生时阻止次之;不好的事情发生后再惩戒为下策。电动汽车充电安全研究是要以预防为主、综合治理。

  充电系统安全首先考虑必要的预防的方法,即本体安全,但只有本体安全是不够的,因为设备在运行过程中,可能有异常发生,在这种情况下,需要仔细考虑一些保护手段,当危险发生或者即将发生的时刻采取必要的措施,截断事故链条,将当前状态拉回到安全。保护的手段可以是自动的,也可能是手动的,例如充电桩上的急停按钮,当感知到危险发生的时候,通过急停按钮保护人、车、桩的安全。最后,还需要有手段实现“戒”的目的,可优先考虑的内容有安全警示标志、产品安全要求、各种管理规定等,比如在2011版充电桩和2015版充电桩无法完全兼容的情况下,充电桩支持的版本标示就是很重要的一种安全标志。

  GB/T 27930《电动汽车非车载充电机与电池管理系统的通信协议》标准;附录C中定义了充电故障分类和解决方法,这部分内容为充电安全提出了处理依据。

  良好的绝缘对于保证电气设备与线路的安全运行,防止人身触电事故的发生是最基本和最可靠的手段。

  在GB/T 18487.1标准7.2节中规定:所有充电模式下,外壳的防护等级为IPXXC。最后一个字母C表示是否会给使用工具带来危害(A表示手背,B表示手指,C表示工具,D表示金属线)。另外对连接器在连接和非连接状态下的防护也有考虑。

  图1所示为2种直流充电连接器的插头,能够正常的看到:左边正负充电极有绝缘帽保护,而右边的正负充电极外边则是金属。显然,右边的插头不满足IPXXB级的防护要求,因为人的手指能触碰到充电极。

  在GB/T 18487.1第10.4节中有对应的要求,主要是考虑产品在设计、安装工艺等方面,设备正常运行可能出现的因过电压造成绝缘击穿,因此导致设备工作异常或损坏。

  介电强度是衡量材料作为绝缘体时的抗电强度的量度。验证在允许电压下不导电的材料最高介电强度时,它定义为在允许电压下不导电的材料所能承受的最低击穿电压。在允许电压下不导电的材料所能承受的介电强度越高,它作为绝缘体的抗电强度就越好。GB/T 18487.1标准11.4规定了绝缘材料在充电设备中使用时,其介电强度一定要达到基本要求。

  充电设备内部电路分为多个带电回路,有相比来说较低的安全电压,也有近千伏的危险电压,不同电压等级、不同功能的电气回路之间以及各带电回路对地是需要隔离的(部分电路与地之间形成特殊功能的回路除外,如防雷器,用于对地过电压保护的压敏电阻、气体放电管,测量对地阻抗的绝缘监测回路等)。无电气联系的各回路对地以及无电气联系的各回路之间隔离的方法一般从两方面来解决:一是采用足够的电气间隙和爬电距离;二是使用满足稳态和瞬态过电压要求的绝缘材料。

  在正常环境、潮湿环境、高原低气压环境等各种现场使用可能出现的特殊环境中,要保障设备绝缘电阻满足功能要求、性能要求和安全要求,就需要对绝缘电阻来测试考察。一旦人接触到充电设备可导电的金属外壳时,安全如何保障?在一定的测试电压下绝缘电阻值越大,人员触及通过绝缘材料隔离的可导电金属外壳就越安全。绝缘电阻值的大小是评估电气设备和电气线路安全最重要的一项指标。GB/T 18487.1第11.3节中规定了绝缘电阻不能小于10MΩ,这个要求是对充电设备绝缘电阻的最低要求。

  接触电流是指当人体或动物接触一个或多个装置的或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。接触电流的测量则是经过测量流经网络(代表人体阻抗)的电流值来实现的。接触电流大于了人体所能承受的限值,可能对人体造成不适或者伤害时,必须要采取保护的方法来防止对人体造成触电伤害。GB/T 18487.1第11.2节中规定了相应的要求,详细的测量方法可参考GB/T 12113—2003/IEC 60990:1999。

  绝缘能力是一个双向的安全性能,一种原因是设备正常工作时,对外部造成的影响,另外一方面就是外部的过电压等对设备内部器件的影响。

  冲击耐压的测试电压采用波形参数为1.2/50μs的标准雷电波,按照GB/T 18487.1第11.5节规定的开路电压分别进行正负极性的测试。必须要格外注意的是冲击耐压与电磁兼容试验中的浪涌(冲击)抗扰度试验是不同的:从原理上来讲,浪涌测试同样采用波形参数为1.2/50μs的浪涌(冲击)波形,但与冲击耐压的电压等级不同;从测试项目考察的内容来讲,浪涌是为了考核的是设备正常运行过程中,出现浪涌(冲击)时,设备能否抵抗外来的干扰,而冲击耐压则是为了验证装置无电气联系的各回路之间以及无电气联系的各回路对地的电气间隙、绝缘介质是否会在这种瞬时过电压时绝缘击穿或产生放电现象。不同的额定绝缘电压的回路验证冲击耐压时,应采用表2规定的电压来测试。就是在外界雷电波造成的短时冲击电压情况下,反应充电设施的防护能力的指标。

  表2中加星号的数值,标准中定义了额定电压大于300V的直流充电机,冲击耐压的试验电压使用±6kV,而在冲击耐压试验的IEC标准和国家标准中,试验电压值为12kV,表述方式没有采用±12kV的方式,而是在试验方法中提到了正、负方向都是12kV,因此应该是在GB/T18487.1制定过程中,直接将原来的12kV改写成±6kV所致。

  上面分析了正常条件下充电设施的本体安全问题,实际上,充电设施在使用的过程中要经历春夏秋冬、风霜雨雪等不同的天气和应用环境。电工产品绝缘的使用期受到多种因素(如温度、电和机械的应力、振动、有害化学气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等)的影响,而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。

  正在修订的NB/T 33001第7.3节规定了耐环境要求,涉及三防(防潮湿、防霉变、防盐雾)、放锈(防氧化)、防风和防盗保护问题。其中,三防对于设施的印刷线路板和接插件较为重要,主要是防霉菌、防潮湿、防盐雾。其中,盐雾与设备电器元件的金属物发生化学反应会使原有载流面积减小,生成的氧化合物则会使电气触点接触不良,这将导致电气设备故障或毁坏。三防除了防止绝缘等电性能直线下降外,也有防止机械性能下降的作用。

  GB/T 18487.1第14.1.4条海拔也体现了对应用环境的要求,但就目前检测而言,都是按2km以下海拔考虑的。实际上,中国有很多地区的海拔高度超过2km,如果不考虑这个因素,把充电桩安装在2km以上地区,有很大的可能性出现绝缘击穿问题,损坏设备或者伤人。针对这些应用场景,一定要按照GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》的要求做折算。

  当系统运行过程中有不正常的情况发生时,必要的保护的方法能轻松实现充电设施的安全运行。

  要进行保护,首先是监测,在绝缘监测方面,GB/T 18487.1—2015附录B.4.1和B.4.2规定了充电机的绝缘监测功能,防止在绝缘破坏的情况下,设备带病运行。此外,在修订的NB/T 33001[6]第6.3节也引用了绝缘监测功能。

  除了明显的保护的方法外,一些对充电设施的应用要求也体现了安全的考虑。以GB/T 18487.1第11.6节(温度要求)的极限温升和允许表面温度要求为例,极限温升主要防止过高温度带来在允许电压下不导电的材料老化加速,影响绝缘效果,给人体和设备带来危害。而允许表面温度除了有在允许电压下不导电的材料老化问题外,还有对人体的伤害问题。标准除了对温升有要求外,还对温度异常采取了保护的方法,比如NB/T 33001标准第6.11节建议车辆插头具备温度监测功能,当监测到车辆插头温度超过允许值时,充电机宜停止充电并发出告警提示,防止充电过程中,由于车辆插头接触不佳导致温度异常,给绝缘造成破坏,甚至引发火灾。

  有了监测功能的配合,在系统出现异常的情况下,就能采用保护的方法。新修订的NB/T 33001第7.6节规定了15个安全要求,就详细说明了系统在不同的运行不正常的情况下,应该采取的保护措施。

  对于充电桩的急停按钮,有些运营公司工作人员认为没有必要设置急停按钮;也有人提议急停按钮最好能远程遥控恢复。在没有危险的情况下可行,但是当危险发生时,没有急停按钮,危险会迅速蔓延,或者在危险尚未恢复的情况下,远程遥控恢复会给安全带来无法预知的危害。目前对于采用充电模式4的充电设备,在GB/18487.1第13节明确规定了应在电动汽车供电设备上安装急停装置,并且具备防止误操作的措施。

  与交流电慢充相比,电动汽车直流快充采用非车载充电机供电的形式,非车载充电机功率大,输出电压最大近千伏、电流上百安培,从GB/T27930《电动汽车非车载充电机与电池管理系统的通信协议》标准中能够准确的看出,整个充电过程受电动汽车的BMS控制,充电机根据BMS的指令进行充电,而BMS需要与充电机协商实时调整充电机输出的电压和电流等充电参数,以及充电停止等控制。因此,在直流电过程中,通信协议就与充电安全密切相关。

  通信协议通过约束充电设施和车辆电池管理系统的行为来保证充电安全,有以下几个方面:

  整个充电流程共分4个充电阶段(低压辅助上电及充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段),有效保证充电过程的安全有序进行。流程共包含28个应用层报文(13个BMS报文,9个充电机报文,6个故障诊断功能专有报文)。

  下面的案例是在充电桩型式试验中发现的现象:试验过程中,测试工具用BSM报文给充电桩发送暂停充电请求,充电桩在接收到这个命令后,没有执行暂停输出操作,而是继续输出充电电流。在这种情况下,BMS有可能工作在不正常的情况下,有发生无法预知危害的可能。

  表面上看,似乎是充电桩设计缺陷导致这种安全事故的发生,实际上,这只是其中的一个条件。因为在充电机和BMS的设计中考虑了各种不正常的情况下的保护的方法,如在充电汽车的充电系统模块设计中,考虑到接触器在不正常的情况下,由BMS控制切断充电回路,起到对汽车的保护作用,只有在BMS的保护机制失灵的情况下,上述充电机缺陷才会引起安全事故。

  安全问题是一个涉及多种技术学科,多维度的科学问题,在安全性问题上,还有一些问题是需要进一步研究透彻。

  电动汽车发展刚刚起步,还缺乏一些与寿命相关的经验,对于一些要求使用10年甚至是更长时间的设备,需要提前研究绝缘性能等安全因素与时间的关系,因为风险不单是目测不难发现的。不然,一旦这些安全指标随时间逐渐下降,导致触电、设备损坏等危险概率增加,就会造成事故。

  绝缘性能跟着时间而发生的不可逆下降,称为绝缘老化。在老化过程中,绝缘性能降低到规定的容许范围之下所需要的时间通常称为绝缘的寿命。

  绝缘老化的表现形式是多方面的,如介质损耗角正切的增加、击穿强度的降低、机械强度或其他性能的降低等。造成绝缘老化的原因很复杂,包括电老化、热老化、化学老化、机械老化以及受潮及污染等。这些原因可能在绝缘中同时存在,或从一种老化形式转变为另一种形式,往往很难互相加以分开。文献[9–10]中介绍了引起绝缘下降的种种原因,这里不再展开叙述。

  标准GB/T 11021《电气绝缘 耐热性分级》中定义了在允许电压下不导电的材料的耐热性分级,充电机的技术标准中也定义了温升要求,但是这种要求不够完整,应该是材质与耐热性等级配合使用,才可能正真的保证绝缘性能。

  因此,需要对电动汽车充电设施中的关键绝缘材料开展寿命试验,能够最终靠加速老化试验获得相应的寿命曲线,起到安全预防的作用。

  对于无法准确计算或者评估器件安全能力的情况,如绝缘水平,能够最终靠实时自检的方式监测运作情况,一经发现危险情况,立刻执行保护。目前GB/T 18487.1-2015 中的附录B4.1介绍了充电系统的绝缘监测方法,近期在互操作研究中发现,汽车端的绝缘监测受到充电桩一侧Y电容的影响,如果充电桩电容过大会导致绝缘监测误报。

  在目前的型式试验中,通信协议一致性测试主要是验证通信兼容性,还没有考虑通信协议中各种参数设置给充电过程带来的影响。那么,是否存某些通信不正常的情况,使充电机程序进入死锁状态,出现无法停止输出等情况呢?这要求我们进一步开展研究。

  此外,信息安全也需要加强思考和研究。有的人觉得通信协议中某些信息安全参数的设置纯粹是为了试验,在实际使用的过程中不可能会出现类似情况,这种观点是不正确和比较危险的。在有黑客主动攻击的情况下,小概率事件会立刻成为大概率事件,届时,一辆辆电动汽车很可能就是一个个小炸弹,后果可想而知。

  目前的产品试验方法虽有安全相关的检验项目,但在环境试验方面仍存在不足。在前段时间参与讨论的《充电电气系统与设施安全导则》标准中,高低温、湿热试验部分的试验方法参考了GB/T 2423.1[11]、GB/T 2423.2[12]、GB/T 2423.4[13],主要验证在不同环境下产品的功能、性能是不是满足要求。从安全性角度看,是否有必要验证不同环境下的安全性能?答案显然是肯定的,因为人、汽车与充电桩的交互,是全天候的,安全性问题在一天中都可能会发生。

  鉴于安全性问题重要性,建议在将来的检测报告中体现不同环境条件下安全性相关的性能指标数据。

  除型式试验外,现场安全验收也至关重要,对降低实际充电安全风险意义重大。现场验收要关注产品原材料、生产制造环节的质量管控,也需要仔细考虑运输、安装等工作是否会造成或者带来新的安全风险隐患,还需要仔细考虑充电桩安装方法是不是满足安全要求,比如充电桩安装的高度问题,安装的场所是否满足设备使用上的要求,接地问题等。

  电动汽车充电安全是一项最基本的要求,随着大功率充电、无线充电、群充电等新技术的持续不断的发展和进步,安全的要素也在一直在变化,因此充电安全问题的研究是一项长期工作。从事电动汽车充电研究的工程师,可以借鉴本文提出的安全问题分析模型,踏踏实实地做好安全性研究,为电动汽车健康、有序发展奠定技术基础。

  贺春,硕士研究生,高工,变电站自动化检测研究,电动汽车充电检测研究,通信协议一致性测试研究。

  陈卓,电气工程师,从事光伏、风电等新能源发电设备和电动汽车充换电设备检验测试方法及标准的研究。

  冯瑾涛,电气工程师,从事光伏、风电等新能源发电设备以及电动汽车充换电设备检测的新方法及标准的研究。

  银庆伟,工程师,主要研究方向:智能变电站自动化系统、电动汽车充电通信协议一致性检测研究,通信规约及规约测试技术。

  李翔,主要研究方向:电动汽车充电通信协议一致性检测研究,通信规约及规约测试技术。

  贺春,陈卓,冯瑾涛,等.电动汽车充电安全分析与解决方案[J]供用电,2017,34(1):12-18.



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