新能源汽車高壓互鎖精準定位技術研究

房偉萍

山東交通職業學院 車輛工程學院 山東省濰坊市 261206

1 引言

近年來，隨著新能源汽車的迅猛發展，新能源汽車的高壓安全越來越引起人們的關注，高壓互鎖是新能源汽車的一種安全控制技術，主要有3 個作用：一是用來檢測高壓回路松動（會導致高壓斷電，整車失去動力，影響乘車安全）并在高壓斷電之前給整車控制器提供報警信息，預留整車系統采取應對措施的時間。二是在車輛上電行車之前發揮作用，檢測到電路不完整，則系統無法上電，避免因為虛接等問題造成事故。三是防止人為誤操作引發的安全事故。在高壓系統工作過程中，如果沒有高壓互鎖設計存在，手動斷開高壓連接點，在斷開的瞬間，整個回路電壓加在斷點兩端，電壓擊穿空氣在兩個器件之間拉弧，時間雖短，但能量很高，可能對斷點周圍的人員和設備造成傷害。

目前，當高壓互鎖出現故障時，診斷儀僅能提供“VCU 高壓互鎖斷開、緊急下電請求”信息，不能提供準確故障位置，這使新能源汽車在使用和維修過程中，增加了新能源汽車高壓安全風險，同時增加了互鎖故障診斷工作量。針對這一問題，提出一種新能源汽車高壓互鎖檢測電路，在高壓接連接器出現松脫時，VCU 不僅能夠檢測高壓回路的完整性，而且能夠準確定位出現斷路的高壓連接器，提高新能源汽車高壓安全系數，減少新能源汽車高壓電路故障帶來的安全風險，同時減少故障診斷工作量。

2 高壓互鎖檢測電路設計方案

設計電路總體框架如圖1 所示，包括+5V 直流電源、晶振、檢測顯示、程序寫入及復位電路和高壓互鎖檢測電路。

圖1 總體電路框架

高壓互鎖檢測電路如圖2 所示，單片機發出1.25KHz 脈沖經過光電耦合器和電阻R7 上拉至B+電壓，光電耦合器的輸出經穩壓二極管D3 和二極管D4 將V2 電壓穩定在0-10V 矩形脈沖,提高檢測電壓的穩定性和檢測精度，二極管D4 可防止電路反接造成電路損壞。V2 經過4 個高壓連接器與R5、R6 串聯形成回路，其中R6 的電壓V1 進入ADC 轉換器，用于單片機對互鎖回路的狀態進行檢測，R5 與R6 的電壓之和，即V3 電壓，用于維修人員進一步進行故障確認，電路當中的電容C1、C2 用于濾除電路干擾信號。當PEU、空調壓縮機、PTC、OBC 盒蓋開關及相關線路出現斷開時，通過改變R1-R4 的并聯電阻，從而改變檢測點V3 與ADC 輸入電壓V1，單片機根據對V1 的變化實現高壓回路完整性及斷點位置的判斷。

圖2 高壓互鎖檢測電路

程序設計流程圖和ADC 轉換輸入電壓V1 及檢測點V3 電壓設計目標如圖3 所示。

圖3 程序設計流程圖

其中，V1、V3 的計算公式如公式（1）、（2）所示。由于互鎖回路斷開，只改變了V1 和V3 脈沖的高電平，因此數據采集時，設計了脈沖上升沿觸發，當單片機檢測到脈沖上升沿時，延時50us 觸發ADC 轉換，進行數據采集。

外圍電路包括程序寫入及復位電路，電源電路，晶振電路，顯示電路，其中，電源電路采用了LM2576-5 的典型應用電路，顯示電路為三個數碼管共用八條相同數據線進行分時顯示，顯示電路實際應用中可以集成在新能源汽車儀表中。

3 實驗驗證

新能源汽車高壓互鎖設計電路實體電路連接如圖4 所示，作品由高壓互鎖控制器，顯示器，高壓部件等組成。高壓部件主要包括電機控制器PEU、空調壓縮機、高壓加熱器PTC 等，相應的可以擴展至其它高壓部件，比如OBC（車載充電機）盒蓋開關等。

圖4 高壓互鎖檢測實體電路連接

不同的高壓部件斷開時，控制器根據V1 信號檢測，準確定位出故障的高壓部件,同時顯示出故障信息錯誤1、錯誤2、錯誤3、錯誤4 等。診斷時可通過檢測點V3 的幅值進一步確認故障點位置。當電路正常時，檢測點V3 的波形如圖5 所示，當不同的高壓部件斷開時，檢測點V3 的波形如圖6-圖9 所示。

圖5 檢測點V3 正常波形

圖6 PEU 斷路時V3 波形

圖7 PTC 斷路時V3 波形

圖8 空調壓縮機斷路時V3 波形

圖9 高壓部件盒蓋開關斷開時V3 波形

通過實驗測試，結果顯示，當不同的高壓部件斷開時，檢測電路可通過檢測信號的不同精確判斷出高壓連接器斷路的位置。

4 結語

與傳統技術相比，本文提出的高壓安全電路設計可以使新能源汽車在使用和維修過程中出現的高壓連接器松脫或斷路情況進行精準定位，直接找出故障點，減少高壓安全觸電風險，提高新能源汽車在使用和維修過程中的高壓安全系數，同時可減少診斷工作量，節省維修時間。

本高壓互鎖精準定位設計只需將設計電路集成在新能源汽車VCU 中，將VCU 輸入相應的程序，即可實現高壓互鎖的準確定位，提高新能源汽車高壓安全系數，容易實現，成本低，市場應用前景廣闊。