純電動汽車高壓互鎖方案設(shè)計

孫李璠，周莉博

（1.鄭州比克新能源汽車有限公司，河南鄭州 451400；2.河南藍(lán)海新能電動汽車有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

純電動汽車高壓互鎖方案設(shè)計

孫李璠1，周莉博2

（1.鄭州比克新能源汽車有限公司，河南鄭州 451400；2.河南藍(lán)海新能電動汽車有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

首先介紹純電動汽車高壓回路的結(jié)構(gòu)特點，提出高壓互鎖回路的定義，并用實例分析高壓互鎖回路的設(shè)計原則和各個設(shè)計方案的優(yōu)缺點，為純電動汽車高壓系統(tǒng)的安全檢測回路提供借鑒。

純電動汽車；高壓互鎖系統(tǒng)；高壓安全性

1 純電動車高壓回路的結(jié)構(gòu)特點

本文研究的對象是在傳統(tǒng)物流車型的基礎(chǔ)上改造而成的純電動物流汽車（EV）。主要的變化是取消了發(fā)動機(jī)、傳動軸、油箱；DC／DC、壓縮機(jī)和充電機(jī)放置在原發(fā)動機(jī)的位置；電機(jī)和電機(jī)控制器后置；高壓動力電池箱放置在后橋與原發(fā)動機(jī)之間的位置，完全保留車身駕乘艙的空間。該款純電動汽車的高壓系統(tǒng)回路結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 EV車輛的高壓回路結(jié)構(gòu)示意圖

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出：與傳統(tǒng)車相比，該EV車輛新增電機(jī)、電機(jī)控制器、DC／DC、高壓動力電池、高壓壓縮機(jī)等高壓用電或供電裝置。因此，該EV車輛的高壓安全防護(hù)系統(tǒng)的研究是非常重要的。

2 高壓互鎖的定義

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469-3—2011《電動道路車輛·安全規(guī)范·第3部分：人身防電擊保護(hù)》中規(guī)定，電動車輛上的高壓部件應(yīng)具備高壓互鎖裝置。高壓互鎖，也指高壓互鎖回路（High Voltage Inter-lock，簡稱HVIL）；通過電器低壓信號，來檢查整個高壓系統(tǒng)回路的完整性及連續(xù)性，識別回路的異常斷開，并及時斷開高壓輸入端的控制電器件。

3 HVIL回路方案的設(shè)計原則

GB／T 18384.1—2015、GB／T 18384.2—2015、GB／T 18384.3—2015《電動汽車安全要求》等相應(yīng)的法規(guī)要求：純電動車高壓系統(tǒng)中的電器元件應(yīng)具絕緣防護(hù)性，可以通過絕緣、遮攔、外殼和金屬網(wǎng)板等一些防護(hù)裝置來防止直接接觸。防護(hù)裝置應(yīng)牢固可靠，并耐機(jī)械沖擊。防護(hù)裝置只能通過專業(yè)工具或維修鑰匙打開或去掉而進(jìn)行相應(yīng)的維修、維護(hù)。而高壓連接器非人為自行斷開都不應(yīng)導(dǎo)致車輛產(chǎn)生危險。

因此，設(shè)計回路應(yīng)滿足以下原則：①HVIL回路必須能夠有效、實時、連續(xù)地監(jiān)測整個高壓回路的通／斷情況；②所有高壓連接器應(yīng)具備機(jī)械互鎖裝置，并且只有HVIL回路先行斷開以后才能接通連接器；③所有高壓連接器在非人為的情況下，不能被接通或斷開；④HVIL回路應(yīng)具備在某種特殊情況下，可以直接通過BMS檢測HVIL回路，直接斷開高壓回路；⑤無論電動汽車在任何狀態(tài)，HVIL在識別到危險時，車輛必須對危險情況做出報警提示，需要儀表或指示器以聲或光報警的形式提醒駕駛員。

4 HVIL回路不同方案的設(shè)計分析

根據(jù)上述設(shè)計回路應(yīng)滿足的原則，設(shè)計2種控制方案，進(jìn)行對比后選取最優(yōu)的設(shè)計方案。

4.1設(shè)計方案I

4.1.1方案I工作原理

設(shè)計方案I的原理如圖2所示。圖2中粗實線表示檢測回路中的12V低壓電源線回路，虛線表示的是HVIL監(jiān)控回路。高壓用電器（包括DC／DC、壓縮機(jī)、PTC）的HVIL監(jiān)控回路通過VCU控制；VCU的控制引腳直接與繼電器的低壓控制端相連。電池箱內(nèi)部的3個高壓繼電器（總正繼電器、總負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器）低壓控制輸出端通過檢測點1直接搭鐵（檢測點1監(jiān)控緊急斷電電路的工作情況）。電機(jī)及MCU高壓的HVIL控制回路直接接至低壓繼電器2的控制線圈，另一端直接搭鐵；將BMS的電源接至低壓繼電器2的電壓輸出端，電壓輸入端接至B+（12V）。

圖2 HVIL監(jiān)控回路方案I

具體工作原理如下：當(dāng)遇到緊急斷電的工作情況時，檢測點1把檢測結(jié)果直接發(fā)至BMS，BMS直接斷開3個高壓繼電器。當(dāng)電機(jī)和MCU航插連接完好時，低壓繼電器2線圈接通開關(guān)，BMS有常電12 V后正常工作；當(dāng)電機(jī)和MCU航插未連接完好時，通過控制低壓繼電器2的線圈來斷開BMS電源，從而實現(xiàn)及時斷電功能或通過VCU間接控制BMS實現(xiàn)斷電。DC／DC、壓縮機(jī)、PTC3個高壓用電器分別通過檢測點3、4、5來檢測各自高壓連接器的連接情況，并發(fā)送至VCU，若有連接器連接不完好，通過VCU檢測結(jié)果而使BMS控制相應(yīng)的高壓繼電器動作，來實現(xiàn)斷電情況并分別在儀表上顯示出來。

4.1.2方案I的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①電機(jī)及MCU母線航插連接情況直接決定BMS的工作與否；②DC／DC、壓縮機(jī)、PTC高壓連接器連接情況分別通過監(jiān)測點反饋給VCU，VCU根據(jù)反饋情況分別對相應(yīng)的繼電器做出動作；③DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者的連接器連接情況互不影響；④電機(jī)系統(tǒng)、DC／DC、壓縮機(jī)、PTC都分別通過VCU將故障通過儀表顯示出來；⑤對后期維修帶來方便。

缺點：①增加低壓繼電器控制BMS的電源，帶來線束設(shè)計的復(fù)雜性及線束總質(zhì)量的增加；②HVIL檢測回路中各個回路均通過VCU檢測控制，占用過多的VCU引腳；③分別顯示故障，對于儀表而言顯示功能過多而凌亂，并且增加成本；④若低壓繼電器2發(fā)生粘連，VCU則只能通過BMS間接斷開電器，無法直接斷開高壓回路。

4.2設(shè)計方案II

4.2.1設(shè)計方案II工作原理

設(shè)計方案II的原理如圖3所示。圖3中粗實線表示12V電源線，細(xì)虛線表示的是HVIL監(jiān)控回路。相比設(shè)計方案I來說，電機(jī)及MCU連接器的連接情況；DC／DC、壓縮機(jī)、PTC連接器的連接情況都是通過VCU來檢測并反饋。

圖3 HVIL監(jiān)控回路方案II

具體工作原理如下：當(dāng)遇到緊急斷電的工作情況時，檢測點1把檢測結(jié)果直接發(fā)至BMS，BMS直接斷開3個高壓繼電器；電機(jī)及MCU通過檢測點2檢測高壓連接器的連接情況，并發(fā)送至VCU。若有連接器連接不完好，VCU檢測結(jié)果控制BMS，使BMS控制3個高壓繼電器動作來實現(xiàn)斷電，并在儀表處顯示動力系統(tǒng)連接器故障。通過檢測點3檢測DC／DC、壓縮機(jī)、PTC3個高壓連接器串聯(lián)后的連接情況，并發(fā)送至VCU。若有連接器連接不完好，VCU檢測結(jié)果控制BMS，使BMS控制相應(yīng)的高壓繼電器動作，來實現(xiàn)斷電并在儀表處顯示附件高壓連接器故障。

4.2.2方案II的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①電機(jī)及MCU母線航插連接情況通過VCU的檢測結(jié)果控制BMS的工作與否，并可在儀表處顯示動力系統(tǒng)連接器故障；②DC／DC、壓縮機(jī)、PTC高壓連接器連接情況通過監(jiān)測點反饋給VCU，VCU只需判斷是否為附件高壓連接器故障；③DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者HVIL互鎖回路通過串聯(lián)接至VCU，減少VCU引腳的使用；④電動汽車在高速行車過程中，HVIL回路檢測到高壓危險時，首先通過報警提示駕駛員，并通過VCU控制實行降功率運行；⑤售后通過儀表可以根據(jù)所報故障進(jìn)行針對性的處理。

缺點：①無法直觀地看出DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者哪一個連接器連接松動從而導(dǎo)致報出附件高壓連接器故障；②除了緊急斷電的工作情況以外，HVIL監(jiān)控回路是通過VCU檢測并控制BMS間接實現(xiàn)斷開相應(yīng)的高壓繼電器。

4.3對比分析

綜合以上2種設(shè)計方案，得出如下結(jié)論：方案II針對故障的排查相對直接，可以減少維修成本；占用VCU引腳相對較少；針對線束的更改相對較少；可以通過VCU控制實現(xiàn)車輛在有高壓危險情況時，減低電機(jī)的運行功率，使車輛速度降下來，從而讓駕駛員將車輛停到安全地方。結(jié)合我司現(xiàn)有車型實際情況，選用設(shè)計方案II進(jìn)行后期的品質(zhì)提升。

在HVIL回路的設(shè)計方案中，VCU通過低電壓控制HVIL回路的接通。即VCU拉低低壓繼電器1的控制線圈使繼電器吸合，12 V電源通過HVIL回路達(dá)到VCU，當(dāng)檢測引腳檢測不到HVIL回路中的12V后，通過VCU向BMS發(fā)送斷開相應(yīng)連接器回路中所涉及到的高壓繼電器的線圈控制端，從而達(dá)到切斷高壓回路的目的。

5 結(jié)論

本文針對我司現(xiàn)有純電動汽車的結(jié)構(gòu)和特點，按照GB／T18384的要求，設(shè)計了適用于我司車輛的HVIL回路。針對2種不同方案的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，選擇相對適合我司車輛的HVIL檢測回路。

［1］ISO 6469-3—2011，電動道路車輛·安全規(guī)范·第3部分：人身防電擊保護(hù)［S］．

［2］GB／T 18384.1—2015，電動汽車安全要求第1部分：車載儲能裝置［S］．

［3］GB／T 18384.2—2015，電動汽車安全要求第2部分：操作安全和故障防護(hù)［S］．

［4］GB／T 18384.3—2015，電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)［S］．

（編輯 心翔）

Electric Vehicle High Voltage Interlock Design

SUN Li-fan1，ZHOU Li-bo2
（1.Zhengzhou Bak New Energy Automobile Co.，Ltd.，Zhengzhou 451400；2.Henan LandHigh New Energy Electric Automobile Co.，Ltd.，Xinxiang 453000，China）

This article first introduces structure characteristics of high voltage circuit，and proposes the definition of high voltage interlock（HVIL）.Practical examples are used to analyze the HVIL design principals as well as pros &cons of different design schemes，which provides valuable reference for safety testing circuit on pure-electrical vehicle high voltage system.

pure-electric vehicles；high voltage interlock；high voltage safety

U469.72

：A

1003－8639（2016）12－0004－03

2016-04-24

孫李璠（1991-），男，河南新鄉(xiāng)人，從事純電動汽車高壓線束設(shè)計工作。