電動汽車的高壓互鎖及故障檢測

劉昕偉

摘要：介紹某電動汽車高壓互鎖的結構、簡述其工作原理并介紹了高壓互鎖常見故障。通過所設計高壓互鎖檢測電路可以精準檢測出高壓部件接插件的連接狀態，給出了高壓互鎖故障排查的基本思路，同時對從事電動汽車的高壓互鎖回路檢修的人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：高壓互鎖;檢測;常見故障

0? 引言

隨著國家倡導綠色發展，電動汽車產業發展迅速，我國電動汽車保有量的快速增長，電動汽車安全問題愈發得到人們的重視。相對于傳統的內燃機汽車相比，純電動汽車內部多了動力電池、驅動電機、電動空調、電機控制器和充電機等高壓元件，且各模塊之間通過高壓線束連接。動力電池是純電動汽車的唯一能量來源，電動汽車車輛的加速性、續航里程等不同對電源有更高的要求，目前主流的純電動汽車均采用高電壓驅動方案，在正常狀態下動力電池輸出的直流電壓均大于400V，與交流電相比，高壓的直流電更具有危險性，當發生同樣的觸電事故時高壓直流電對人身的傷害更大;在這一背景下，純電動汽車的高壓安全成為研究熱點[1]。

1? 高壓互鎖原理及回路設計

1.1 高壓互鎖定義

High Voltage Inter-lock，簡寫HVIL，即所謂高壓互鎖也叫高壓互鎖回路，是純電動汽車中使用的一種安全設計措施，其本質是利用低壓信號監測電動汽車上所有與高壓母線相連的各分電路，具體有整個電池系統（BMS）、導線、電機控制器、連接器、DC/DC、高壓盒及保護蓋等高壓回路電氣連接的連續性。當高壓互鎖回路接通或斷開時，電源控制器接收端接收到反饋信號，高壓回路的通斷由該反饋信號控制。高壓回路的通斷主要有以下幾種情況：①必須確保整個高壓回路電氣連接完整的前提下，整車才能上高壓電，從而提高整車安全;②如整車高壓系統出現意外完整性被破壞，整個高壓回路斷開并放電;避免漏電或火災事故的發生[2]?！禝SO 6469-3：2001電動汽車安全技術規范第3部分：人員電器傷害防護》ISO國際標準中明確提到：電動汽車用高壓部件應具有高壓互鎖裝置，為整車安全提供保障。

1.2 高壓互鎖原理及故障檢測

1.2.1 高壓互鎖原理

動力電池包是高壓回路的動力來源，同樣給低壓回路提供一個檢測用電源，低壓信號沿著閉合的低壓回路進行傳遞。低壓信號傳遞過程中一旦信號中斷，就可以說明某一個高壓連接器出現松動或者脫落。圖1和圖2分別為某電動汽車高壓互鎖回路端子圖和高壓互鎖回路端子互鎖與斷開原理。由圖2可知，高壓互鎖插頭中高壓電源的正、負極端子物理長度比中間互鎖端子長，故當連接高壓插頭插合時，高壓插頭的電源端子先于中間互鎖端子插合;斷開高壓插頭時，中間互鎖端子同樣先于高壓電源的正、負極端子脫開，從而避免了高壓環境下拉弧的產生。采用低壓導線作為高壓互鎖裝置中的信號線，信號線與高壓電源線并聯在高壓線束護套管內，通過這種方式將所有高壓部件串聯起來形成閉合回路。除此，高壓互鎖裝置內還配備了行程開關，用于監測高壓部件蓋板是否可靠關閉[3]。同時，還有用于觸發斷電信號的車輛碰撞和翻轉信號監測裝置，從而確保在短時間內高壓回路斷開，并將汽車高壓部件電容端的電壓通過放電回路短時間內放掉，保證整車安全。

1.2.2 某純電動汽車高壓互鎖回路

純電動車輛新增了很多高壓用電或供電裝置，如電機、電機控制器、DC/DC、高壓動力電池與壓縮機等。GB/T 18384.1-2015，GB/T18384.2-2015，GB/T18384.3-2015《電動汽車安全要求》等標準提到高壓連接器非人為自行斷開都不應導致車輛產生危險。某電動汽車高壓互鎖回路模型圖如圖3所示。由圖3可見該電動汽車高壓互鎖有兩路，其中VCU-PTC-空調壓縮機-VCU回路不影響整車上高壓，但會導致空調不制冷不制熱。另一路VCU-OBC-PDU-DC/DC-VCU出現故障則會導致車輛無法上高壓[4]。

1.2.3 高壓互鎖裝置檢測電路設計

由高壓互鎖原理知，電動汽車用高壓連接器中的HVIL接口與高壓大電流接口在插入或拔出時有時間先后;當連接器插合時，HVIL端子先于連接器端子插入，當連接器拔出時，HVIL端子先于連接器端子斷開，連接器高壓端子后斷開。利用HVIL端子就能確保連接器高壓端子可靠連接或提前預判其意外斷開。高壓連接器的HVIL檢測電路有直流源與PWM兩種方案，如圖4所示。圖4（a）為直流源方案簡圖，在整個HVIL環路外部施加一個直流源，并通過檢測V1和V2處的電壓，來診斷高壓連接器狀態;圖4（b）為PWM方案簡圖，引入可控開關，通過控制開關并檢測VI和V2處電壓，可以識別出更多的回路狀態。

圖5電路可以檢測互鎖回路斷開以及對地短接故障，利用S3的閉合與關斷來模擬HVIL端子互鎖與斷開，當開關S3閉合即HVIL端子互鎖，此時連接器連接良好，電壓比較器LM393同相輸入端電壓位8V，反相輸入端電壓為5.3V，電壓比較器輸出高電平，D1滅;當HVIL端子互鎖斷開時，即S3斷開，電壓比較器輸出低電平，D1亮，高壓互鎖電路故障;當HVIL端子互鎖且對地短接時，即S3和S2同時閉合或者S3和S1同時閉合，電壓比較器輸出低電平，D1亮，高壓互鎖電路故障。只有線束連接良好，才可能使得互鎖回路閉合，最終具備了高壓電輸出的必要條件。

2? 高壓互鎖故障排查

一個回路故障主要有開路和短路，具體有幾下幾種情況：

2.1 高壓互鎖開關失效

關閉蓋板之后開關不能閉合是互鎖開關常見的故障?？赡茉蚴窃O計尺寸偏差，導致互鎖開關不能閉合。蓋板突出的筋結構高度偏低，高壓互鎖開關不能閉合到位，致使互鎖回路開路。設計不合理導致安裝過程中互鎖開關結構失效致使開關不能閉合。設計互鎖開關時要綜合考慮安裝可能情況調整開關的朝向，從而避免結構失效。

2.2 端子退針導致開路

當互鎖回路的低壓線束中部分線束的端子以及高壓用電器和PDU上高壓互鎖回路上的端子質量有問題時，會導致端子退針，導致的公母端子接觸不良?？梢圆捎谩岸址ā笨焖倬珳识ㄎ还收衔恢?。需要注意的是在進行問題排查時，需要使用合適尺寸的探針。探針直徑不宜選的過大，否則會影響到端子的接觸質量和壽命。

2.3 互鎖端子對地短路

由高壓互鎖回路的工作原理可知，雖然回路是通的，但對地短路也會報高壓互鎖開路。

2.4 動力電池內部故障

若整車報高壓互鎖回路故障，而實際檢測下來線束是完整的，且檢測沒有開路/對地短路的情況，則可帶電測量互鎖回路是否形成通路，即確認低壓線束回路相通，高壓線束都連接完好。然后將高壓互鎖回路任何一個地方斷開，使用歐姆檔測量是否導通，則還可以繼續排查驗證是否是動力電池內部的故障[5]。

3? 結論

高壓互鎖對保證用戶安全和車輛安全運行至關重要。但是在生產和售后維修保養過程中，高壓互鎖回路難免出現故障。本文通過高壓互鎖原理、結構和主要故障的分析，可以得到高壓互鎖故障排查的基本思路和做法。也需要多注意觀察公端和母端的端子質量，以期盡快鎖定最終故障根源。

參考文獻：

[1]左振龍，高京.高壓互鎖回路原理及常見故障排查[J].上海汽車，2020（05）：15-18.

[2]卞如民.高壓連接器生產中的問題及分析[J].機電元件，2020，40（04）：30-33.

[3]李瑋，王晶.純電動汽車高壓互鎖檢測電路及故障機制[J].北京汽車，2020（04）：1-4.

[4]許文杰.高壓互鎖電路故障導致吉利EV450車無法上電[J].汽車維護與修理，2020（16）：72-74.

[5]閆云敬，韋雪薇.新能源汽車高壓互鎖系統故障分析[J].時代汽車，2020（15）：84-85.