Влияние проектирования электронных блоков на электробезопасность высоковольтной системы электромобиля в контексте соблюдения регламента R100

Электромобили, как ключевой элемент стратегии устойчивого развития транспорта, становятся все более востребованными [1]. Однако, внедрение электромобилей требует решения ряда технических задач, связанных с обеспечением безопасности, надежности и эффективности. Одним из критически важных аспектов является обеспечение электробезопасности высоковольтной системы, которая работает с напряжениями, представляющими серьезную угрозу для жизни и здоровья человека [2].

Надежная и безопасная работа высоковольтной системы электромобиля напрямую зависит от качества проектирования и функционирования электронных блоков управления (ЭБУ). ЭБУ выполняют широкий спектр функций, включая управление электродвигателем, контроль заряда и разряда аккумуляторной батареи, мониторинг состояния высоковольтных цепей и обеспечение безопасности в случае аварийных ситуаций [3]. Таким образом, проектирование ЭБУ с учетом требований электробезопасности является критически важным фактором для соблюдения Регламента R100 ЕЭК ООН, который устанавливает требования к безопасности электромобилей [4].

Регламент R100 ЕЭК ООН: Требования к электробезопасности электромобилей

Регламент R100 ЕЭК ООН устанавливает требования к безопасности транспортных средств с электрическим приводом, включая защиту от поражения электрическим током, предотвращение коротких замыканий и возгораний [5]. Основные требования регламента включают:

• .    Защита от прямого и косвенного прикосновения: Конструкция электромобиля должна исключать возможность прямого прикосновения к токоведущим частям высоковольтной системы. В случае повреждения изоляции должна быть предусмотрена система автоматического отключения высоковольтной системы (размыкания контура) для защиты от косвенного прикосновения [6].

• .    Изоляция высоковольтных компонентов: Все высоковольтные компоненты должны быть надежно изолированы от корпуса автомобиля и других низковольтных цепей. Сопротивление изоляции должно соответствовать установленным нормам [7].

• .    Защита от перегрузки и короткого замыкания: Высоковольтная система должна быть защищена от перегрузки и короткого замыкания с помощью предохранителей, автоматических выключателей и других защитных устройств [8].

• .    Требования к аккумуляторной батарее: Аккумуляторная батарея должна соответствовать специальным требованиям по безопасности, включая защиту от перегрева, перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания [9].

• .    Система мониторинга изоляции: Высоковольтная система должна быть оснащена системой мониторинга изоляции, которая постоянно контролирует сопротивление изоляции и выдает пред упреждение в случае его снижения [10].

• .    Маркировка и предупреждающие знак и: Все высоковольтные компоненты должны быть

Беляева Ирина Александровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

четко маркированы и снабжены предупреждающими знаками [5].

Соответствие требованиям Регламента R100 является обязательным условием для сертификации электромобилей и их допуска к эксплуатации на дорогах общего пользования в странах, принявших данный регламент [11].

Проектирование ЭБУ оказывает существенное влияние на электробезопасность высоковольтной системы электромобиля. Ключевые аспекты проектирования ЭБУ, влияющие на безопасность, включают:

• -    Выбор компонентов и материалов

Выбор компонентов и материалов для ЭБУ должен осуществляться с учетом их электрических, механических и термических характеристик, а также соответствия требованиям безопасности. Важно использовать компоненты, сертифицированные на соответствие стандартам безопасности и имеющие необходимые параметры для работы в высоковольтных цепях [12].

• -    Реле и контакторы: Реле и контакторы, используемые для коммутации высоковольтных цепей, должны иметь достаточную электрическую прочность изоляции и обеспечивать надежное размыкание цепи в случае аварийной ситуации [13].

• -    Конденсаторы: Конденсаторы, используемые в высоковольтных цепях, должны иметь высокое рабочее напряжение и низкий уровень утечки тока [14].

• -    Изоляционные материалы: Изоляционные материалы, используемые для защиты от поражения электрическим током, должны обладать высокой диэлектрической прочностью, термической стойкостью и устойчивостью к воздействию окружающей среды [15].

• -    Изоляция высоковольтных цепей

Обеспечение надежной изоляции высоковольтных цепей является одним из основных требований электробезопасности [16]. При проектировании ЭБУ необходимо тщательно продумать конструкцию высоковольтных цепей, чтобы исключить возможность прямого или косвенного прикосновения к токоведущим частям. Для этого используются различные методы, включая:

• •    Пространственное разделение: Разделение высоковольтных и низковольтных цепей путем обеспечения достаточного расстояния между ними.

• •    Изоляционные барьеры: Использование изоляционных барьеров для физического разделения высоковольтных и низковольтных цепей.

• •    Герметизация: Герметизация высоковольтных компонентов для защиты от попадания влаги и загрязнений.

Примером конструктивного решения является использование многослойных печатных плат с разделением высоковольтных и низковольтных цепей на разных слоях и обеспечением надежной изоляции между слоями [17, 18].

Перенапряжения в высоковольтной системе электромобиля могут возникать по различным причинам, включая коммутационные процессы, электромагнитные импульсы и удары молнии [19]. Перенапряжения могут привести к повреждению электронных компонентов и нарушению изоляции, что создает угрозу поражения электрическим током [20]. Для защиты от перенапряжений в ЭБУ используются различные защитные устройства, такие как:

• -    Варисторы: Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, которые ограничивают напряжение до безопасного уровня.

• -    Супрессоры: Супрессоры представляют собой полупроводниковые диоды, которые быстро переходят в проводящее состояние при превышении определенного порога напряжения, шунтируя перенапряжение на землю.

• -    Газоразрядные трубки: Газоразрядные трубки представляют собой устройства, заполненные инертным газом, которые пробиваются при высоком напряжении и обеспечивают отвод энергии перенапряжения на землю.

Система мониторинга изоляции (СМИ) является важным элементом системы электробезопасности электромобиля. СМИ постоянно контролирует сопротивление изоляции между высоковольтными цепями и корпусом автомобиля и выдает предупреждение в случае его снижения. Это позволяет своевременно обнаружить повреждение изоляции и принять меры по предотвращению аварийной ситуации.

СМИ обычно реализуется на основе измерения напряжения и тока утечки в высоковольтной системе. При снижении сопротивления изоляции увеличивается ток утечки, что фиксируется системой мониторинга.

Функциональная безопасность (ФБ) – это часть общей безопасности, которая зависит от правильной работы систем, связанных с безопасностью. При проектировании ЭБУ, отвечающих за безопасность высоковольтной системы, необходимо учитывать требования стандартов функциональной безопасности, таких как ISO 26262.

ISO 26262 –международный стандарт, который устанавливает требования к разработке, производству, эксплуатации и техническому обслуживанию электронных систем, связанных с безопасностью, в автомобильной промышленности. Стандарт определяет уровни полноты безопасности (Automotive Safety Integrity Level, ASIL) в зависимости от степени риска и устанавливает требования к процессам проектирования, верификации и валидации для каждого уровня ASIL (рисунок 1).

Сплошные линии: прямое влияние на безопасность.

Пунктирные линии;

синергия и взаимовлияние

Безопасность обеспечивается не отдельными мерами, а сочетанием нити взаимосвязанных принципов

Барьерная защита: физические и электрические барьеры, исключающие прикосновение к взрывоопасным частям.

Проактивный мониторинг: постоянный контроль изоляции и параметров системы для раннего предупреждения.

Устойчивость к внешним воздействиям: обеспечение надёжности при вибрациях, перепадах температур и электромагнитных помехах (ЭМИ). Гарантированный отказ: переход в безопасное состояние при любых обнару женНЫХ неисправностих.

Рисунок 1 – Системный подход к обеспечению безопасности высоковольтных сетей электромобилей

При проектировании ЭБУ, отвечающих за безопасность высоковольтной системы, необходимо проводить анализ рисков и определять уровень ASIL для каждой функции безопасности.

На основе уровня ASIL разрабатываются требования к аппаратной и программной реализации ЭБУ, а также к процессам верификации и валидации.

Программное обеспечение (ПО) играет важную роль в обеспечении электробезопасности высоковольтной системы электромобиля. ПО управляет работой системы мониторинга изоляции, защитных устройств и других функций безопасности. Для обеспечения надежности и безопасности ПО необходимо применять методы формальной верификации, статического анализа и динамического тестирования.

В качестве примеров конструктивных решений, направленных на повышение электробезопасности высоковольтной системы электромобиля, можно привести:

• -    Использование реле с принудительным размыканием контактов: Реле с принудительным размыканием контактов обеспечивают надежное размыкание цепи даже в случае залипания контактов.

• -    Использование многослойных печатных плат с разделением высоковольтных и низковольтных цепей: Это позволяет обеспечить надежную изоляцию между цепями и снизить риск короткого замыкания.

• -    Герметизация высоковольтных компонентов: Герметизация высоковольтных компонентов защищает их от попадания влаги и загрязнений, что повышает надежность и безопасность работы.

• -    Использование экранированных кабелей: Экранированные кабели снижают уровень электромагнитных помех и защищают высоковольтные цепи от внешних воздействий.

При проектировании электронных блоков для электромобилей необходимо учитывать требования следующих стандартов и нормативных документов:

• .    Регламент R100 ЕЭК ООН (Uniform provisions concerning the approval of battery electric vehicles with regard to specific requirements for the construction and functional safety) – устанавливает требования к безопасности электромобилей.

• .    ISO 26262 (Road vehicles – Functional safety) – устанавливает требования к функциональной безопасности электронных систем в автомобильной промышленности.

• .    IEC 61508 (Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems) – устанавливает требования к функциональной безопасности электронных систем.

• .    ГОСТ Р МЭК 61508 (Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью) - российский стандарт, аналог IEC 61508.

• .    ГОСТ Р 58506-2019 Электрические транспортные средства. Общие технические требования и методы испытаний.

• .    IEC 60664-1 – определяет требования к изоляции оборудования в низковольтных системах.

• .    IEC 61851-1 – устанавливает общие требования к системам conductive charging электромобилей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование электронных блоков управления (ЭБУ) играет ключевую роль в обеспечении электробезопасности высоковольтной системы электромобиля и соблюдении требований Регламента R100 ЕЭК ООН. Правильный выбор компонентов, обеспечение надежной изоляции, защита от перенапряжений, использование системы мониторинга изоляции, реализация требований функциональной безопасности и применение проверенных методов разработки программного обеспечения являются критически важными факторами для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации электромобилей.

Соблюдение стандартов и нормативных документов, таких как Регламент R100, ISO 26262 и ГОСТ, позволяет обеспечить соответствие требованиям электробезопасности и гарантировать защиту от поражения электрическим током в случае аварийных ситуаций.