新能源汽车高压互锁原理及故障诊断技术探究

2022-04-18柯裕伟

时代汽车 2022年7期

柯裕伟

摘要：随着新能源汽车技术的快速发展，新能源汽车品质和市场认可度全面提升，受到市场的高度欢迎。和传统汽车相比较，新能源汽车具有高压系统，对高压部件安全运行、维护和修理带来了严峻考验。为确保新能源汽车高压系统的安全性和稳定性，高压互锁技术被广泛应用。本文对高压互锁系统的结构、原理进行概述，并以吉利帝豪EV300电动汽车为例，进一步说明了高压互锁的故障诊断思路和具体解决办法。

关键词：新能源汽车高压互锁原理故障诊断技术

1 引言

新能源汽车与传统汽车相比结构上增加了高压系统，高压零部件包括动力电池、驱动电机、高压配电箱（PDU）、电动压缩机、车载充电机（OBC）、PTC加热器等，互相之间通过高压线束连接，组成了整车的高压系统。高压系统动辄300V以上的工作电压和上百安的工作电流对用电设备的安全运行及维修提出了更高的要求。为保障新能源汽车的安全稳定运行，降低故障发生几率，高压互锁系统作为新能源汽车电气保护的一项重要措施，得到广泛应用。

2 高压互锁系统概述

2.1 高压互锁的定义

高压互锁（HVIL），是高压互锁回路（Hazardous Voltage InterlockLoop）的简称，也叫做危险电压互锁回路（High Voltage Interlock System and Control Strategy）。高压互锁是指使用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。对新能源汽车高压系统直接监测比较困难，所以通常是用低压信号来检测确认整车高压系统回路电气完整性，确保整车所有的高压部件和线束插接件都安装到位，无短路或断路的情况;能够识别回路的异常断开，并及时断开高压，避免出现安全事故。

2.2 高压互锁设计的目的

高压互锁设计的目的是，指使用低压信号来检测确认整个高压系统电气的完整性，当回路断开或者完整性受到破坏，就启动安全措施。因此高压互锁设计是确保人员安全和车辆设备安全运行的关键措施。

2.3 高压互锁的作用

（1）在车辆上电之前，若检测到电路不完整，则高压系统无法上电，避免因为虚接等问题造成安全事故;如果车辆上电过程中发生故障，整车会立即下电，避免发生高压触电事故。（2）防止人为误操作引发的安全事故。在高压系统工作过程中，如果没有高压互锁设计的存在，在手动断开高压连接点的瞬间，整个高压回路电压全部加在断点两端，产生拉弧，严重威胁人员和设备安全。（3）监测高压回路自动松动（会导致高压断电，整车失去动力，影响乘车安全）并在高压断电之前给整车控制器发送报警信息，启动安全措施。

2.4 高压互锁回路组成与结构

高压互锁回路由高压互锁连接器及高低压导线、闭合的低压电源信号回路、高压互锁监测回路、整车控制器 VCU或电池管理系统BMS等监测模块及高压继电器组成。

高压互锁设计是在高压线束接插件上，增加一组低压回路用于检测HVIL回路完整性。高压互锁结构是在高压接插件内部，通過互锁端子和高压端子位置和长度的不同，实现连接时先连接高压端子，再连接低压端子;断开时先断开低压端子，再断开高压端子。

2.5 高压互锁系统原理

高压互锁回路工作原理图如图1所示：只有当互锁回路形成了一个完整的闭环，BMS认为车辆的高压部件状态正常，才会允许接通高压电源。当回路遭到断开，触发HVIL的断开信号，BMS将在毫秒级时间内断开高压电，确保用户安全。[1]

高压互锁信号回路有两部分，一部分监测高压供电回路的完整性，另一部分检测所有高压部件保护盖是否非法开启。高压互锁监测电路分为两种形式：一种是把所有高压部件的互锁连接端子串联起来组成一个完整监测电路;另一种是每个高压部件控制器负责监测各自的互锁信号，只有全部控制器接收到互锁信号时，才被允许上高压电。当前新能源汽车生产厂家众多，所产车型种类繁杂，所以不同厂家开发的新能源汽车高压互锁系统也会有所不同。作为新能源汽车维修技术人员，只有不断紧跟技术发展步伐，掌握具体车型的控制逻辑和维修手册等资料，才能维护和修理好新能源汽车。

高压互锁（HVIL）检测电路，一般有两种方案，直流源方案与PWM方案，如图2所示。左图为直流源方案简图，外部施加一个直流源在整个HVIL环路上面，通过检测V1＼V2处的电压，来诊断高压连接器状态;右图为PWM方案简图，引入了一个可控的开关，同样还是检测V1＼V2处的电压，不过通过控制开关，可以得到两组值，用来识别出更多的状态。[2]吉利帝豪EV300电动汽车，其HVIL检测电路设计采用的就是是PWM方案。

2.6 高压互锁系统的应用发展现状

当前我国新能源汽车技术处在快速发展当中，很多技术还不够成熟，还需要不断的完善和创新。同样高压互锁系统也有待完善和创新发展，进一步提升新能源汽车的安全性、稳定性和舒适性。随着新能源汽车产业电动化、智能化、网联化的发展趋势，自动化、智能化也必然是高压互锁系统发展的方向之一。随着高压互锁系统内部功能结构的完善，新能源汽车的安全性、稳定性全面提升，从而全面提升新能源汽车的整体性能，促进新能源汽车产业良性发展。

3 高压互锁的安全策略

高压互锁系统识别到车辆存在潜在风险时，整车控制器VCU会根据车辆的实时状态，采取必要的安全策略：

（1）故障报警。通过仪表盘故障指示灯点亮或发出警告提示音等形式提醒驾驶员注意车辆的异常情况，以便及时处理，消除安全隐患。（2）切断高压电。车辆处在停止状态，高压互锁系统发现危险情况时，除了发出故障报警外，还会完全切断高压电输出，使车辆无法行驶，确保乘客安全。（3）降功率运行。当车辆处在行驶状态时，高压互锁系统发现危险情况时，如果直接切断高压电输出，有可能会产生严重的、可怕的后果。除了通过报警提示驾驶员外，同时应强制降低车辆速度并保持较小负荷行驶，使驾驶员能够安全靠边停车，等待救援，最终彻底排除故障，消除安全隐患。[3]

4 高压互锁系统故障诊断与排除

4.1 高压互锁故障的现象

如果在汽车启动前已经发生高压互锁故障，车辆将无法上高压电，车辆也就不能正常行驶;如果在汽车行驶过程中发生高压互锁故障，那么整车会根据安全控制策略，如发出报警信号，降低车辆运行功率，直接断开高压等安全措施，避免发生安全事故。

4.2 高压互锁故障的原因

电动汽车要想正常行驶，没有电那是万万不行的，因为电动汽车在跑起来之前还要经历一个整车高压系统上电过程。新能源汽车高压互锁回路完整，是整个高压系统能够上电的一个前提条件。如果高压互锁回路处在断开状态或完整性受到破坏不能正常接通，VCU会判定高压互锁系统出现故障，新能源汽车在故障没有排除之前，不能上高压电，也就不能正常行驶。

4.3 高压互锁故障的诊断

根据高压互锁的检测原理，当车辆发生高压互锁故障时，VCU要根据故障情况采取安全策略，发出故障报警或直接对高压系统进行安全断电，确保在故障排除之前VCU不允许高压电池包的相关继电器吸合，车辆不能上高压电，同时在高压断电前触发对应的诊断故障码DTC。

由于涉及的高压互锁模块众多，环形线路较长，给故障诊断与排除带来了种种困难，所以互锁回路故障的检测变得尤为关键，这样可以大大提高故障诊断与排除的质量和效率，确保新能源汽车的安全可靠运行。

对于高压互锁故障，我们首先要根据电路图、维修手册等技术资料，弄清楚高压互锁回路和各个组成部件的连接情况，然后检查互锁回路的导通情况，再检查互锁回路的电气信号情况。

高压互锁系统故障，主要有高压互锁回路故障和监控模块故障，而高压互锁回路故障主要又包括短路、断路、虚接等线路故障和元件故障。

作为车辆维修技术人员，可以根据HVIL检测电路设计方案，首先对高压互锁回路进行故障诊断，可以利用故障诊断仪读取相关故障码，了解故障的具体信息，如：P0A0A11—VCU高压互锁断开、P105763—准备充电过程中高压互锁检测超时等，快速判定故障的大致范围，然后再具体查找故障点直至排除故障。

下面以吉利帝豪EV300电动车型为例，说明互锁回路的诊断方法。吉利帝豪EV300电动汽车高压互锁回路：其连接线路如图3所示。

高压互锁回路中VCU发出的PWM信号从CA55/73发出，经过插接器CA70/1、EP01/1后，从EP11/1进入PEU，在PEU上分别流经了上盖互锁开关和高压线束内的互锁端子，从EP11/4流出，然后从EP07/5流入电动压缩机，然后又经过插接器IP90/7、CA39/7后，从CA48/5流入PTC加热器，再从CA48/7流出，最终由VCU的CA55/51检测接收到的PWM信号。

高压互锁系统具有闭环特性，是一个闭合回路，所以故障无非就是开路与短路两大类。下面针对线路断路、插头虚接故障、对地和对电源短路故障、VCU内部故障、PTC加热器故障等进行诊断与排除，具体如下：

4.3.1 线路断路、插头虚接故障

（1）首先进行基本检查，确保所有的高压部件和高压线束都装配到位和安装牢固可靠，避免线路插头漏接、虚接的现象发生。常见的故障现象有互锁开关失效导致开路，端子退针导致开路，线束错误导致开路等。（2）然后测量低压辅助蓄电池电压，正常电压为13V左右。（3）对于断路或虚接故障，采用电阻测量法，判断监测回路的通断情况。首先将点火开关置于OFF挡，断开低压辅助蓄电池负极，然后断开VCU上CA55端子，测量CA55/51与CA55/73间电阻，小于1Ω为正常，若异常，则说明互锁回路出现了断路或虚接故障，分段检测直至找到故障点，排除故障即可。[4]

4.3.2 短路故障

在接通电路的情况下，使用背插法，用万用表测量信号电压或用示波器读取波形进行故障判断。用万用表測量CA55/51的对地电压，正常应该会在5V左右，或用示波器读取波形，电压为10V左右为正常。若异常，则可能存在信号短路故障，用隔离法进一步寻找故障点，然后排除故障。

4.3.3 VCU内部故障

若线路一切正常，测量CA55/73又没有对电源短路，那么故障就出现在VCU模块本身，VCU无法发出和接收PWM信号，导致高压互锁失效，高压无法上电。

4.3.4 PTC加热器故障

PTC故障问题及其故障处理。纯电动汽车PTC 制热主要利用依靠电流通过半导体的热敏电阻来进行生热，从而为车内的空调制热。对于高压互锁系统中PTC故障问题而言，可以对PTC元件进行检测，首先用万用表电阻档检查热敏保险丝电阻的电阻大小，其次检查空调的转换开关能否正常工作，最后检查暖风加热丝的加热情况即可。

4.4 高压互锁故障诊断与排除举例

4.4.1 故障现象

吉利帝豪EV300电动汽车，档位置于P档，踩住制动踏板，按启动开关，系统故障指示灯点亮，车辆无法上电。

4.4.2 故障原因分析

利用故障诊断仪读取与本故障相关的故障码或信息。

VCU：

P0A0A11—— 整车控制器VCU 高压互锁断开

P105763——准备充电过程中高压互锁检测超时

记录与本故障相关的主要数据流：

VCU：

车载充电机高压互锁：HVIL打开/错误

分析故障范围：根据故障现象和故障码提示信息，初步判断是高压互锁故障，导致车辆无法上高压电。