电动汽车的高压互锁及故障检测

2021-09-10刘昕伟

内燃机与配件 2021年3期

刘昕伟

摘要：介绍某电动汽车高压互锁的结构、简述其工作原理并介绍了高压互锁常见故障。通过所设计高压互锁检测电路可以精准检测出高压部件接插件的连接状态，给出了高压互锁故障排查的基本思路，同时对从事电动汽车的高压互锁回路检修的人员具有一定的借鉴意义。

关键词：高压互锁;检测;常见故障

0 引言

随着国家倡导绿色发展，电动汽车产业发展迅速，我国电动汽车保有量的快速增长，电动汽车安全问题愈发得到人们的重视。相对于传统的内燃机汽车相比，纯电动汽车内部多了动力电池、驱动电机、电动空调、电机控制器和充电机等高压元件，且各模块之间通过高压线束连接。动力电池是纯电动汽车的唯一能量来源，电动汽车车辆的加速性、续航里程等不同对电源有更高的要求，目前主流的纯电动汽车均采用高电压驱动方案，在正常状态下动力电池输出的直流电压均大于400V，与交流电相比，高压的直流电更具有危险性，当发生同样的触电事故时高压直流电对人身的伤害更大;在这一背景下，纯电动汽车的高压安全成为研究热点[1]。

1 高压互锁原理及回路设计

1.1 高压互锁定义

High Voltage Inter-lock，简写HVIL，即所谓高压互锁也叫高压互锁回路，是纯电动汽车中使用的一种安全设计措施，其本质是利用低压信号监测电动汽车上所有与高压母线相连的各分电路，具体有整个电池系统（BMS）、导线、电机控制器、連接器、DC/DC、高压盒及保护盖等高压回路电气连接的连续性。当高压互锁回路接通或断开时，电源控制器接收端接收到反馈信号，高压回路的通断由该反馈信号控制。高压回路的通断主要有以下几种情况：①必须确保整个高压回路电气连接完整的前提下，整车才能上高压电，从而提高整车安全;②如整车高压系统出现意外完整性被破坏，整个高压回路断开并放电;避免漏电或火灾事故的发生[2]。《ISO 6469-3：2001电动汽车安全技术规范第3部分：人员电器伤害防护》ISO国际标准中明确提到：电动汽车用高压部件应具有高压互锁装置，为整车安全提供保障。

1.2 高压互锁原理及故障检测

1.2.1 高压互锁原理

动力电池包是高压回路的动力来源，同样给低压回路提供一个检测用电源，低压信号沿着闭合的低压回路进行传递。低压信号传递过程中一旦信号中断，就可以说明某一个高压连接器出现松动或者脱落。图1和图2分别为某电动汽车高压互锁回路端子图和高压互锁回路端子互锁与断开原理。由图2可知，高压互锁插头中高压电源的正、负极端子物理长度比中间互锁端子长，故当连接高压插头插合时，高压插头的电源端子先于中间互锁端子插合;断开高压插头时，中间互锁端子同样先于高压电源的正、负极端子脱开，从而避免了高压环境下拉弧的产生。采用低压导线作为高压互锁装置中的信号线，信号线与高压电源线并联在高压线束护套管内，通过这种方式将所有高压部件串联起来形成闭合回路。除此，高压互锁装置内还配备了行程开关，用于监测高压部件盖板是否可靠关闭[3]。同时，还有用于触发断电信号的车辆碰撞和翻转信号监测装置，从而确保在短时间内高压回路断开，并将汽车高压部件电容端的电压通过放电回路短时间内放掉，保证整车安全。

1.2.2 某纯电动汽车高压互锁回路

纯电动车辆新增了很多高压用电或供电装置，如电机、电机控制器、DC/DC、高压动力电池与压缩机等。GB/T 18384.1-2015，GB/T18384.2-2015，GB/T18384.3-2015《电动汽车安全要求》等标准提到高压连接器非人为自行断开都不应导致车辆产生危险。某电动汽车高压互锁回路模型图如图3所示。由图3可见该电动汽车高压互锁有两路，其中VCU-PTC-空调压缩机-VCU回路不影响整车上高压，但会导致空调不制冷不制热。另一路VCU-OBC-PDU-DC/DC-VCU出现故障则会导致车辆无法上高压[4]。

1.2.3 高压互锁装置检测电路设计

由高压互锁原理知，电动汽车用高压连接器中的HVIL接口与高压大电流接口在插入或拔出时有时间先后;当连接器插合时，HVIL端子先于连接器端子插入，当连接器拔出时，HVIL端子先于连接器端子断开，连接器高压端子后断开。利用HVIL端子就能确保连接器高压端子可靠连接或提前预判其意外断开。高压连接器的HVIL检测电路有直流源与PWM两种方案，如图4所示。图4（a）为直流源方案简图，在整个HVIL环路外部施加一个直流源，并通过检测V1和V2处的电压，来诊断高压连接器状态;图4（b）为PWM方案简图，引入可控开关，通过控制开关并检测VI和V2处电压，可以识别出更多的回路状态。

图5电路可以检测互锁回路断开以及对地短接故障，利用S3的闭合与关断来模拟HVIL端子互锁与断开，当开关S3闭合即HVIL端子互锁，此时连接器连接良好，电压比较器LM393同相输入端电压位8V，反相输入端电压为5.3V，电压比较器输出高电平，D1灭;当HVIL端子互锁断开时，即S3断开，电压比较器输出低电平，D1亮，高压互锁电路故障;当HVIL端子互锁且对地短接时，即S3和S2同时闭合或者S3和S1同时闭合，电压比较器输出低电平，D1亮，高压互锁电路故障。只有线束连接良好，才可能使得互锁回路闭合，最终具备了高压电输出的必要条件。

2 高压互锁故障排查

一个回路故障主要有开路和短路，具体有几下几种情况：

2.1 高压互锁开关失效

关闭盖板之后开关不能闭合是互锁开关常见的故障。可能原因是设计尺寸偏差，导致互锁开关不能闭合。盖板突出的筋结构高度偏低，高压互锁开关不能闭合到位，致使互锁回路开路。设计不合理导致安装过程中互锁开关结构失效致使开关不能闭合。设计互锁开关时要综合考虑安装可能情况调整开关的朝向，从而避免结构失效。

2.2 端子退针导致开路

当互锁回路的低压线束中部分线束的端子以及高压用电器和PDU上高压互锁回路上的端子质量有问题时，会导致端子退针，导致的公母端子接触不良。可以采用“二分法”快速精准定位故障位置。需要注意的是在进行问题排查时，需要使用合适尺寸的探针。探针直径不宜选的过大，否则会影响到端子的接触质量和寿命。

2.3 互锁端子对地短路

由高压互锁回路的工作原理可知，虽然回路是通的，但对地短路也会报高压互锁开路。

2.4 动力电池内部故障

若整车报高压互锁回路故障，而实际检测下来线束是完整的，且检测没有开路/对地短路的情况，则可带电测量互锁回路是否形成通路，即确认低压线束回路相通，高压线束都连接完好。然后将高压互锁回路任何一个地方断开，使用欧姆档测量是否导通，则还可以继续排查验证是否是动力电池内部的故障[5]。

3 结论

高压互锁对保证用户安全和车辆安全运行至关重要。但是在生产和售后维修保养过程中，高压互锁回路难免出现故障。本文通过高压互锁原理、结构和主要故障的分析，可以得到高压互锁故障排查的基本思路和做法。也需要多注意观察公端和母端的端子质量，以期尽快锁定最终故障根源。