PHEV車型高壓互鎖方案設(shè)計及分析

武曉華，侯文濤

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定　071000）

PHEV車型高壓互鎖方案設(shè)計及分析

武曉華，侯文濤

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定071000）

為了保證一款新能源PHEV（插電式混合動力電動車）車型高壓線束回路的安全可靠連接，進(jìn)行了一種冗余設(shè)計方案，符合ISO 26262的標(biāo)準(zhǔn)要求；采用控制器實時檢測車輛整個高壓回路的電氣連接完整性；對車輛使用過程中出現(xiàn)的可能故障進(jìn)行處理，確保車輛和人員的安全。

新能源；高壓互鎖；采樣電阻；電池包；故障診斷；整車控制器；電池管理系統(tǒng)

1　高壓互鎖 （HVⅠL）功能介紹

HVIL是High Voltage Interlock Loop（高壓互鎖回路）的簡稱。HVIL通過使用低壓電信號，來檢查整個高壓模塊、導(dǎo)線及連接器的電氣完整性情況。當(dāng)發(fā)生互鎖故障后，必須保證整車高壓系統(tǒng)下電且在故障排除前高壓系統(tǒng)不能上電，同時觸發(fā)相應(yīng)的警示信號。

1）帶有高壓的模塊從高壓回路斷開的時候，防止由于高壓回路存在容性負(fù)載 （必須執(zhí)行特定的放電程序?qū)⒏邏横尫胖涟踩妷悍秶鷥?nèi)），導(dǎo)致人員接觸帶電部件而發(fā)生觸電事故，保證人身安全。

2）帶有高壓的模塊從高壓回路斷開的時候，防止由于高壓線纜帶電、整車意外上電導(dǎo)致人員接觸帶電部件而發(fā)生觸電事故，保證人身安全。

3）車輛在使用過程中，防止由于人為操作不當(dāng)、車輛顛簸、產(chǎn)品老化、線路磨損等帶來的局部發(fā)熱和拉弧導(dǎo)致產(chǎn)品性能急劇下降、起火事故，保證車輛和人身安全。

2　HVⅠL設(shè)計要求

2.1HVIL系統(tǒng)功能安全要求

①與HVIL相關(guān)的控制器安全等級要求如下：控制器中與HVIL相關(guān)模塊的功能安全等級應(yīng)達(dá)到ASIL C［1］；②HVIL應(yīng)包括一個信號發(fā)生器和2個信號檢測裝置。

2.2HVIL系統(tǒng)診斷功能要求［1］

HVIL相關(guān)控制器應(yīng)診斷出如下故障：①回路斷開；②對GND（整車搭鐵）短路；③對電源 （12 V）短路；④回路短路；⑤回路阻抗變大。

2.3HVIL信號源要求

①HVIL信號源電壓為5 V；②HVIL與12 V電源短路時，信號源不應(yīng)失效，且具有反向保護(hù)功能；③HVIL線束不允許出現(xiàn)分支壓接點；④當(dāng)12V蓄電池電壓降到10.2V時，也應(yīng)保證HVIL信號源有穩(wěn)定輸出。

2.4HVIL對高壓連接器要求

①高壓電氣系統(tǒng)中插接形式的高壓連接器應(yīng)集成互鎖功能，當(dāng)高壓連接器斷開時應(yīng)先斷開HVIL，接合時應(yīng)后接通HVIL；②高壓連接器接合后接觸電阻應(yīng)滿足Q/CC JT0638—2014《汽車電線束插接器技術(shù)條件》中4.12的要求。

3　HVⅠL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1PHEV高壓布置簡圖

根據(jù)PHEV車型的布置情況，確定高壓電氣布置簡圖，見圖1。

圖1　高壓電氣布置簡圖

3.2HVIL拓?fù)鋱D

根據(jù)HVIL相關(guān)零部件布置位置，確定HVIL拓?fù)?/p>

圖2　HVIL拓?fù)鋱D

圖，見圖2。

HVIL拓?fù)鋱D中高壓插接件參數(shù)見表1。

表1　高壓插接件參數(shù)

4　HVⅠL阻抗匹配［2］

按照高壓互鎖回路信號源電壓為5 V、電流接近10 mA的設(shè)計，得到回路總的阻抗R1+R2+R3=500 Ω。HCU及BMS均檢測互鎖回路R2兩端電壓值，從而判斷回路是否有故障。現(xiàn)階段我司選用的BMS中R1和R3的最大可用功率均為1 W，HCU中R2的最大可用功率為0.08W （實際為0.1W，取0.8保險系數(shù)使用）。

為滿足以上條件，我們以最極限的情況來分析，互鎖原理簡圖見圖3。

圖3　互鎖原理簡圖

故障模式1：A側(cè)對GND短路；故障模式2：A側(cè)對蓄電池 （16 V）短路；故障模式3：B側(cè)對GND短路；故障模式4：B側(cè)對蓄電池 （16V）短路；故障模式5：HVIL回路斷開；故障模式6：A側(cè)對B側(cè)短路。

（1）（2）（3）式連立解得

根據(jù)計算結(jié)果，可知第1組為可用的值，通過查找相近型號的電阻，得出：R1=75 Ω，R2=56 Ω，R3= 374Ω。

故障模式2時

故障模式4時：

由上可知，R1、R2、R3在各種情況下的最大功率分別為：P1_max=0.333W，P2_max=0.082W，P3_max=0.684W，均滿足所選電阻的要求。因此，推薦匹配電阻阻值為R1=75Ω，R2=56Ω，R3=374Ω。

5　HVⅠL故障診斷方法 （表2）

表2　HVIL故障診斷方法表

6　HVⅠL故障診斷分析

對HVIL各種故障情況進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3　HVIL故障診斷分析表

根據(jù)故障診斷方法，HVIL在各種故障下，HCU及BMS檢測出的電壓均在正常工作電壓范圍 （0.2～0.9V）之外，表明本設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。

7　HVⅠL失效場景分析

高壓互鎖系統(tǒng)在識別到危險時，整車控制器 （以下簡稱HCU）和電池管理系統(tǒng) （以下簡稱BMS）應(yīng)根據(jù)危險時的行車狀態(tài)及故障危險程度運用合理的安全策略，策略簡述見表4。

8　總結(jié)

該高壓互鎖方案給出了HVIL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、診斷方法、故障診斷分析表，并計算得出了一組阻抗匹配數(shù)據(jù)。

1）在HVIL標(biāo)定驗證階段，必須仿效整車線路進(jìn)行所有故障和動作測試，并應(yīng)根據(jù)實際標(biāo)定情況對R1、R2和R3的阻抗值以及故障類型和判定方法進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表4　HVIL失效場景分析表

2）充電機：將民用電網(wǎng)220V交流電轉(zhuǎn)化成車輛需求電壓的直流電，給電池包提供穩(wěn)定的直流電源補充能量。

3）后驅(qū)電機：放置在車輛后橋部位的永磁同步交流電機，同減速器集成為獨立的電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)整車的獨立驅(qū)動、四輪驅(qū)動提供電力驅(qū)動扭矩。

作者第1次進(jìn)行該功能的設(shè)計，沒有經(jīng)過試驗標(biāo)定和市場考驗，其中不免有考慮不周和設(shè)計不足，后期會根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)以及樣車測試對方案進(jìn)行不斷完善，也希望各位讀者批評指正。

［1］余化（譯）.ISO 26262：2011《道路車輛功能安全》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施［J］.中國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報，2012（3）：45.

［2］姚年春，侯玉杰.電路基礎(chǔ)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

（編輯陳程）

Design and Analysis of HVIL Scenario for New Energy Vehicle

WU Xiao-hua，HOU Wen-tao
（The R&D Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.，BaoDing 071000，China）

This paper shows a redundant design that complies with the requirements of ISO 26262，which is used for ensuring safety and reliability of HV wiring circuit on PHEV（Plug-in Hybrid Electric-vehicle）. Meanwhile，the scenario is designed to supervise the electrical integrity of the whole HV circuit online in the vehicle by VCU and deal with the fault which may occur in the use of the vehicle as well as ensure the safety of the vehicle and passengers.

new energy；HVIL；sampling resistance；battery pack；fault diagnose；HCU；BMS

U469.72

A

1003-8639（2016）09-0007-04

2016-01-18；

2016-03-09

武曉華 （1978-），男，河北張家口人，從事汽車整車電器系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作。