动力电池电气系统安全设计（十一）电气安全防触电

电池包的电气安全实际上是两个方面：防触电和防短路。

怎么防止人触电呢？今天就彻底搞个明白吧！

一、电气安全基础人体阻抗

1、人体阻抗的构成

a）皮肤阻抗：

皮肤是人体阻抗的主要组成部分，其阻抗值受多种因素影响。一般来说，电压升高，皮肤阻抗会降低；频率增加，皮肤阻抗也会有所减小。通电时间越长，皮肤因发热等原因会使阻抗下降。接触表面积越大、接触压力越大，皮肤阻抗通常越小。皮肤潮湿程度越高、温度越高，阻抗也会显著降低。例如，在潮湿环境中工作的人，其皮肤阻抗可能只有干燥时的几分之一。

b）体内阻抗：

主要由人体内部的电阻、电容等构成，除去表皮后，体内阻抗相对较为稳定。不同的电流路径，比如从手到手、手到脚等，体内阻抗会有所不同，因为不同路径经过的人体组织和器官不同，但总体与接触面积关系不大。

2、环境因素对人体阻抗的影响

环境湿度对皮肤阻抗影响最为显著。在干燥环境下，皮肤阻抗可高达数万欧姆甚至更高；在水湿润条件下，皮肤阻抗可能降至几千欧姆；而在盐水湿润条件下，由于盐水的导电性，皮肤阻抗会更低，可能只有几百欧姆。此外，环境温度也会影响人体阻抗，温度升高时，人体新陈代谢加快，体液循环加速，会使人体阻抗有所降低。

二、电流对人体的作用

1、电流致伤的机理

离解：电流通过人体时，会使人体内的电解质溶液发生离解，产生离子，改变人体组织内的离子平衡，影响细胞的正常生理功能。

细胞激动：一定强度的电流会刺激人体细胞，使细胞产生异常的电信号，干扰细胞间的正常信号传递，导致肌肉痉挛、神经功能紊乱等。

发热：电流通过人体组织时，会因组织电阻产生热量，使局部组织温度升高，造成组织烫伤、烧伤等热损伤。

破坏生物电：人体自身存在生物电，如心脏的电活动、神经的电信号传导等。外来电流会干扰和破坏这些生物电，导致心脏节律失常、神经功能障碍等严重后果。

2、电击致命的原因

心室纤维性颤动：当一定强度的电流通过心脏时，会使心肌纤维失去正常的收缩节律，发生快速而不规则的颤动，导致心脏无法有效地泵血，从而引起全身血液循环中断，这是电击导致死亡的最常见原因之一。

窒息：电流刺激可能会使呼吸肌痉挛，导致呼吸停止；或者电流影响中枢神经系统，使呼吸中枢麻痹，也会造成窒息而死亡。

电休克：强大的电流通过人体时，会使人体神经系统受到强烈刺激，导致大脑皮层抑制，出现昏迷、休克等症状，如果不能及时恢复，可能因重要器官缺氧等原因而死亡。

3、电流效应的影响因素

1）电流大小：除了感知电流、摆脱电流和室颤电流的一般数值外，个体差异也会对这些电流值产生影响。例如，儿童和老人对电流的敏感度可能更高，感知电流和摆脱电流会相对较低。

2）电流持续时间：电流持续时间越长，对人体的伤害越大。这是因为随着时间的增加，人体组织发热更严重，生物电紊乱更明显，心脏等重要器官受到损伤的可能性和程度都会增加。例如，10mA 的电流通过人体，如果持续时间仅为 1 秒，可能只会引起轻微的麻木感；但如果持续 10 秒以上，就可能对心脏等造成严重损害。

3）电流通过人体途径：除了左手到双脚是最危险路径外，从手到胸部、从头部到脚部等路径也非常危险，因为这些路径都可能直接影响心脏、大脑等重要器官的正常功能。

4）电流种类：不同频率的交流电流对人体的伤害程度也有所不同，一般来说，50Hz – 60Hz 的工频交流电流对人体的伤害最为严重。

三、电池包内电气系统解析

还是看下图吧，电池包内电气存在两个电气系统，一个高压电气系统、一个低压电气系统。

1、系统解析

电池包内高压系统和低压系统是独立和隔离的，就是说：

电池正母排、电池负母排与电池模组共同组成电池系统的高压系统，需要注意的是高压系统的负母排不是接地线，与外壳不是连接关系。

从控和BMS和12V电源组成低压系统，需要注意的是12V的地线是与电池壳体、车身共地的。

2、人员触电的可能情况分析

非充电状态下

1）单手只是接触电池正或者负，电池正和负的绝缘良好，不会在人体形成电压差，所以不会有安全风险。

2）两手同时接触电池正和电池负，电池正和负的绝缘良好，会在人体形成电压差，所以有安全风险。

3）电池正和电池负的一端绝缘失效，单手只是接触电池正或者负，会在人体形成电压差，所以有安全风险。

4）外壳漏电，高压之间存在电压差，如果等电位没有接好，会在人体形成电压差，有安全风险。如果等电位良好，外壳之间电阻很小，就不会存在电压差。

充电状态下：

外壳体可能漏电接上市电，市电与大地存在电压差，人员在触摸外壳时，如果外壳没有与大地连接，就会在人体上形成电压差，所以有安全风险。

如果外壳与大地等电位连接，由于等电位电阻远远低于人体阻抗，高压电就从接地线流向大地，所以人员在触摸外壳时，就不会在人体上形成电压差，没有安全风险，等电位一般在车上通过充电接口与外接电源的PE线连接。

四、触电安全防护

（基于GB18384 电动汽车安全要求，不限于电池系统）

1、直接接触防护

外壳或遮拦的防护设计：

IPXXD 中的 “D” 表示防止接近危险部件的防护等级。例如，IP2D 表示能防止手指接触到危险部件，一般要求外壳或遮拦的间隙不能让手指插入，以保证人员不会直接接触到带电部分。

高压插接件、高压维修开关接触防护设计：

在装配完好时满足 IPXXD，能有效防止在正常使用情况下人员接触到高压部件。打开后满足 IPXXB，“B” 表示防止工具接触，即当进行维修等操作打开时，能防止工具等意外接触到带电部分，降低触电风险。

交流充电插座：

在未耦合状态下满足 IPXXB，可防止在未充电时，人员或物体通过工具等意外接触到插座内部的带电端子，保证使用安全。

2、间接接触防护

绝缘电阻设计要求：

直流 100Ω/V 和交流 500Ω/V 的绝缘电阻要求，是为了确保电气设备在正常运行和发生故障时，其绝缘性能能够保证人员和设备的安全。

例如，对于一个额定电压为 400V 的直流系统，其绝缘电阻应不低于 400V×100Ω/V = 40kΩ。

电位均衡设计要求：

连接阻抗 0.1Ω 的要求，是为了保证在电气设备发生漏电等故障时，设备的各个部分之间能够保持等电位，避免人员在接触不同部位时因电位差而发生触电事故。

电容耦合设计要求：

整个高压系统的总电容存储能量应不大于 0.2J，是为了防止电容存储的能量在放电时对人员造成伤害。例如，在一些高压设备中，如果电容存储能量过大，在设备检修等情况下，电容放电可能会产生足以致人伤亡的电流。