电动汽车动力系统安全性设计与工程应用

随着电动汽车产业的高速发展，其核心部件电动汽车动力系统的安全性日益受到关注。本书对电动汽车动力系统安全性设计与开发涉及的知识、理论、方法进行了系统和全面的梳理，介绍了电动汽车及动力系统的基本知识体系；系统地介绍了电动汽车电气安全基础、电动汽车电磁兼容基础和电动汽车通用安全规范等理论知识；详细地阐述了电动汽车动力蓄电池系统、电驱动总成、充放电系统的安全设计与开发，电动汽车动力系统 EMC工程应用，电动汽车电子电气系统的功能安全，电动汽车动力系统新技术展望。本书列举了大量的研究开发案例供读者参考。
本书可供汽车设计、制造、运营、管理的工程技术人员学习参考，也可作为高校教师和学生以及相关科研单位和咨询机构科技工作者的参考书。

1.《电动汽车动力系统安全性设计与工程应用》是汽车名企研发团队多年开发和应用研究总结。
2.《电动汽车动力系统安全性设计与工程应用》对电动汽车动力系统安全性设计与开发涉及的理论知识、方法进行了系统和全面的梳理，列举了大量的研究开发案例。
3.《电动汽车动力系统安全性设计与工程应用》由中国工程院李骏院士作序，中国汽车工程学会组编。
4.《电动汽车动力系统安全性设计与工程应用》核心内容包含：动力蓄电池系统的安全设计与开发、电驱动总成的安全设计与开发、充放电系统的安全设计与开发、电动汽车动力系统EMC工程应用、电动汽车电子电气系统功能安全。

2001年，我国开始实施“ 863计划”电动汽车专项，提出了以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车三种整车研发为“三纵”，以整车控制系统、电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三个关键总成为“三横”的“三纵三横”研发布局，我国电动汽车的技术创新和产业发展开始起步并呈加速的态势。 2012年，我国出台了《节能与新能源汽车产业发展规划（ 2012—2020年）》，又在全球率先开展电动汽车大规模产业化工作，从此我国的汽车产业开始换道先行，连续 8年电动汽车产销量全球领先，在当今全球汽车百年大变局中，培育了广大的电动汽车消费群体，为全球电动汽车产业的发展注入了强劲动力。

中国政府高度重视电动汽车产业的发展，全方位和系统化构筑了全球较为完善的政策体系，经过近 20年的产业发展，一大批自主品牌的中国电动汽车企业快速成长，已经成为引领全球汽车产业转型升级的重要力量。比亚迪股份有限公司作为我国最早进入电动汽车行业的企业之一，参与并见证了我国电动汽车产业从无到有、从小到大的整个发展历程，已发展成为全球电动汽车产业链最完整、产销量最大的电动汽车整车企业。中国汽车工程学会为了加强汽车行业的技术交流，推动中国电动汽车产业高质量发展，希望比亚迪能够将在电动汽车开发中的成功经验和失败教训进行梳理和总结，编撰成书，供读者参考。在中国汽车工程学会的指导下，经过与内部技术团队和行业专家的多次讨论，本书将结合比亚迪及行业 20多年的经验和数据，以比亚迪刀片电池、iTAC智能转矩控制系统、DM-i超级混合动力系统、 CTB全新电池集成技术等体现国际领先水平的研究成果为案例，聚焦电动汽车最核心电动汽车动力系统和公众最关注的安全性两个方面，系统、全面地梳理电动汽车动力系统安全性涉及的理论知识，期望它能给读者以启迪。
本书旨在系统总结电动汽车动力系统安全性设计的理论知识、分析方法、技术法规和标准，通过广泛汲取新知识和新理论，充实和优化现有的知识体系，例如将系统安全、功能安全等国际上安全研究领域的最新理论和研究成果引入并进行融合，力求反映出电动汽车动力系统安全性设计的本质和内在规律。全书分为 10章，编写思路如下：
第 1章，旨在为初学者构建一个电动汽车、动力系统、安全性的基础概念框架。
第 2 ~ 4章，帮助读者建立起电动汽车安全的知识体系。
第 5 ~ 7章，指导读者如何完成电动汽车动力系统相关部件的安全性设计开发。
第 8、9章，指导读者在电动汽车动力系统的设计开发过程中，如何解决电磁兼容的问题和如何加强功能安全实现安全目标。
第 10章，使读者了解电动汽车动力系统未来的发展趋势。
本书由廉玉波、凌和平和周荣主导编著，其他编著者还有钟益林、刘坚坚、黄伟、宋淦、陈晓宏、曾董，另外还有 75位资深专家和工程师提供了技术支持，他们都是具有博士或硕士学历、具有多年汽车产品开发经验的资深工程师。此外，中国工程院李骏院士、孙逢春院士，中国汽车工程学会张进华秘书长，中国汽车工程研究院有限公司李开国董事长，中国汽车技术研究中心有限公司吴志新副总经理，吉林大学管欣教授，中国电子科技集团第十八研究所肖成伟研究员，北京航空航天大学杨世春教授，同济大学张立军教授，清华大学张俊智教授等多位专家和学者对全书进行了系统的指导和审阅！中国汽车工程学会的许多同事也为本书的编著做了大量的组织和协调工作。在此对大家的信任和支持表示衷心的感谢！
电动汽车技术发展迅速，本书难免存在疏漏和错误之处，望广大读者批评指正！
廉玉波
2022年 10月 21日深　圳

序前言

第 1章　绪论·· 1

1.1　基本概念·· 1

1.1.1　常用术语和定义 ·· 1

1.1.2　电动汽车的分类 ·· 3

1.1.3　电动汽车的特点及安全特性 ·· 9

1.2　电动汽车的发展历程 ·· 9

1.2.1　纯电动汽车的发展历程 ·· 9

1.2.2　混合动力电动汽车的发展历程 ·· 12

1.2.3　燃料电池电动汽车的发展历程 ·· 14

1.3　电动汽车动力系统的组成与构型·· 15

1.3.1　动力蓄电池系统·· 15

1.3.2　驱动电机系统·· 17

1.3.3　充放电系统·· 17

1.3.4　集中式驱动·· 18

1.3.5　分布式驱动·· 19

1.4　电动汽车动力系统的关键技术·· 20

1.4.1　动力蓄电池技术·· 20

1.4.2　电驱动总成技术·· 20

1.4.3　能量管理与热管理技术 ·· 21

1.4.4　充电和放电技术·· 23

1.4.5　控制器硬件和软件开发技术·· 25

1.5　电动汽车动力系统的主要安全问题 ·· 26

1.5.1　高压电安全·· 26

1.5.2　电气控制安全·· 26

1.5.3　机械结构安全·· 26

1.5.4　电磁兼容性·· 27

1.5.5　动力蓄电池系统的防火、防爆、防泄漏·· 27

1.6　电动汽车动力系统安全标准与规范 ·· 28

1.6.1　电动汽车安全标准与法规·· 28

1.6.2　电动汽车安全性能与要求·· 29

1.6.3　电动汽车安全测试与评价·· 29

第 2章　电动汽车电气安全基础·· 31

2.1　概述·· 31

2.2　人体阻抗·· 31

2.2.1　人体阻抗的构成·· 31

2.2.2　环境因素对人体电阻的影响·· 33

2.3　电流对人体的作用·· 33

2.3.1　电流致伤的机理·· 34

2.3.2　电击致命的原因·· 34

2.3.3　电流效应的影响因素·· 34

2.4　电气事故·· 36

2.4.1　触电·· 37

2.4.2　短路·· 37

2.4.3　静电·· 37

2.4.4　射频电磁场·· 38

2.4.5　电气火灾与爆炸·· 38

2.4.6　异常带电·· 38

2.4.7　异常停电·· 39

2.4.8　雷电灾害·· 39

2.5　触电防护·· 39

2.5.1　警示标识·· 39

2.5.2　接触防护·· 40

2.5.3　短路防护·· 43

2.5.4　高压回路主动监测与防护·· 45

2.6　电气防火、防爆 ·· 49

2.6.1　电气引燃源·· 49

2.6.2　电气防火、防爆措施·· 49

2.7　静电防护·· 50

2.7.1　静电的产生及危害 ·· 50

2.7.2　静电危险的安全界限及防护措施 ·· 51

2.8　雷电防护··53

第 3章　电动汽车电磁兼容基础·· 54

3.1　概述··54

3.2　电磁兼容基础··54

3.2.1　电磁兼容概念与常用术语··54

3.2.2　电磁兼容理论··56

3.2.3　电磁兼容设计基础 ··63

3.3　电动汽车电磁兼容基础 ··72

3.3.1　电动汽车电磁兼容问题 ··72

3.3.2　电动汽车电磁兼容分析 ··73

3.3.3　电动汽车电磁兼容设计基础··83

3.3.4　电动汽车电磁兼容标准 ··88

3.4　电动汽车电磁场人体曝露··95

3.4.1　辐射的基本概念···95

3.4.2　国际研究概况··96

3.4.3　国内研究成果··97

3.4.4　电动汽车电磁场相对于人体曝露的要求··98

第 4章　电动汽车通用安全规范 ··100

4.1　概述·· 100

4.2　一般安全·· 100

4.2.1　信号与标志··100

4.2.2　电动汽车高压安全标识·· 101

4.2.3　车载 REESS通用要求·· 102

4.2.4　操作通用安全要求·· 102

4.2.5　提示与警告··102

4.3　防触电安全·· 103

4.3.1　使用中触电防护·· 103

4.3.2　碰撞后触电安全·· 110

4.4　操作安全·· 113

4.4.1　上下电的安全要求·· 113

4.4.2　行驶中操作安全要求 ·· 114

4.4.3　充电操作安全·· 114

4.5　特殊场景安全·· 114

4.5.1　故障状态的操作安全 ·· 114

4.5.2　碰撞后的操作安全·· 115

4.6　整车热安全·· 115

4.6.1　电机热保护··115

4.6.2　电机控制器热保护·· 115

4.6.3　动力蓄电池系统热保护·· 116

4.6.4　充电系统热保护·· 116

4.6.5　整车空调热保护·· 116

4.7　整车布置与安全防护·· 117

4.7.1　碰撞后电安全法规及相关评价要求·· 117

4.7.2　整车布置与高压安全 ·· 119

4.7.3　高压模块本身强度·· 120

4.8　商用车特殊安全要求·· 122

4.8.1　防水安全·· 122

4.8.2　防火安全·· 124

4.9　控制安全·· 128

4.9.1　硬件安全设计·· 128

4.9.2　软件设计·· 132

4.9.3　功能和操作设计·· 132

第 5章　动力蓄电池系统的安全设计与开发··138

5.1　概述·· 138

5.2　动力蓄电池系统简介·· 138

5.2.1　动力蓄电池分类及特点·· 138

5.2.2　动力蓄电池系统的组成与作用·· 139

5.2.3　动力蓄电池相关技术简介 ·· 142

5.3　电芯·· 143

5.3.1　电芯分类·· 143

5.3.2　电芯主材·· 144

5.3.3　电芯容量与外观尺寸 ·· 148

5.3.4　电芯设计安全·· 149

5.3.5　电芯的寿命与可靠性要求 ·· 153

5.3.6　电芯的要求与试验·· 153

5.3.7　电芯的使用安全·· 155

5.4　模组·· 155

5.4.1　模组的构成··155

5.4.2　模组的材料安全·· 156

5.4.3　模组的机械安全·· 157

5.4.4　模组的电气安全·· 158

5.4.5　模组的热安全·· 158

5.4.6　模组的寿命与可靠性要求 ·· 158

5.4.7　模组的法规要求与试验·· 159

5.5　动力蓄电池系统··162

5.5.1　电芯成组方式对动力蓄电池系统的影响·· 162

5.5.2　动力蓄电池系统的技术要求 ·· 163

5.5.3　动力蓄电池系统的安装·· 166

5.5.4　BMS的功能·· 167

5.5.5　动力蓄电池系统的机械安全 ·· 174

5.5.6　动力蓄电池系统的热安全 ·· 181

5.5.7　动力蓄电池系统电气安全 ·· 182

5.5.8　动力蓄电池系统的法规要求与试验·· 185

5.5.9　动力蓄电池的包装与运输 ·· 186

5.6　开发案例·· 187

5.6.1　刀片电池·· 187

5.6.2　CTB技术 ·· 195

第 6章　电驱动总成的安全设计与开发···202

6.1　概述·· 202

6.2　电驱动总成的构成 ·· 203

6.2.1　驱动电机·· 203

6.2.2　电机控制器··205

6.2.3　变速器·· 208

6.3　电驱动总成的高压电安全 ·· 210

6.3.1　绝缘电阻要求·· 210

6.3.2　耐高压要求··210

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