新能源汽車高壓互鎖精準(zhǔn)定位技術(shù)研究

房偉萍

山東交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)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(fā)展，新能源汽車的高壓安全越來越引起人們的關(guān)注，高壓互鎖是新能源汽車的一種安全控制技術(shù)，主要有3 個(gè)作用：一是用來檢測高壓回路松動(dòng)（會(huì)導(dǎo)致高壓斷電，整車失去動(dòng)力，影響乘車安全）并在高壓斷電之前給整車控制器提供報(bào)警信息，預(yù)留整車系統(tǒng)采取應(yīng)對(duì)措施的時(shí)間。二是在車輛上電行車之前發(fā)揮作用，檢測到電路不完整，則系統(tǒng)無法上電，避免因?yàn)樘摻拥葐栴}造成事故。三是防止人為誤操作引發(fā)的安全事故。在高壓系統(tǒng)工作過程中，如果沒有高壓互鎖設(shè)計(jì)存在，手動(dòng)斷開高壓連接點(diǎn)，在斷開的瞬間，整個(gè)回路電壓加在斷點(diǎn)兩端，電壓擊穿空氣在兩個(gè)器件之間拉弧，時(shí)間雖短，但能量很高，可能對(duì)斷點(diǎn)周圍的人員和設(shè)備造成傷害。

目前，當(dāng)高壓互鎖出現(xiàn)故障時(shí)，診斷儀僅能提供“VCU 高壓互鎖斷開、緊急下電請(qǐng)求”信息，不能提供準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加了互鎖故障診斷工作量。針對(duì)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(xiàn)松脫時(shí)，VCU 不僅能夠檢測高壓回路的完整性，而且能夠準(zhǔn)確定位出現(xiàn)斷路的高壓連接器，提高新能源汽車高壓安全系數(shù)，減少新能源汽車高壓電路故障帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少故障診斷工作量。

2 高壓互鎖檢測電路設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)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?qū)懭爰皬?fù)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(jī)發(fā)出1.25KHz 脈沖經(jīng)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(jīng)穩(wěn)壓二極管D3 和二極管D4 將V2 電壓穩(wěn)定在0-10V 矩形脈沖,提高檢測電壓的穩(wěn)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(jīng)過4 個(gè)高壓連接器與R5、R6 串聯(lián)形成回路，其中R6 的電壓V1 進(jìn)入ADC 轉(zhuǎn)換器，用于單片機(jī)對(duì)互鎖回路的狀態(tài)進(jìn)行檢測，R5 與R6 的電壓之和，即V3 電壓，用于維修人員進(jìn)一步進(jìn)行故障確認(rèn)，電路當(dāng)中的電容C1、C2 用于濾除電路干擾信號(hào)。當(dāng)PEU、空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、OBC 盒蓋開關(guān)及相關(guān)線路出現(xiàn)斷開時(shí)，通過改變R1-R4 的并聯(lián)電阻，從而改變檢測點(diǎn)V3 與ADC 輸入電壓V1，單片機(jī)根據(jù)對(duì)V1 的變化實(shí)現(xiàn)高壓回路完整性及斷點(diǎn)位置的判斷。

圖2 高壓互鎖檢測電路

程序設(shè)計(jì)流程圖和ADC 轉(zhuǎn)換輸入電壓V1 及檢測點(diǎn)V3 電壓設(shè)計(jì)目標(biāo)如圖3 所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

其中，V1、V3 的計(jì)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(shù)據(jù)采集時(shí)，設(shè)計(jì)了脈沖上升沿觸發(fā)，當(dāng)單片機(jī)檢測到脈沖上升沿時(shí)，延時(shí)50us 觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

外圍電路包括程序?qū)懭爰皬?fù)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(yīng)用電路，顯示電路為三個(gè)數(shù)碼管共用八條相同數(shù)據(jù)線進(jìn)行分時(shí)顯示，顯示電路實(shí)際應(yīng)用中可以集成在新能源汽車儀表中。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

新能源汽車高壓互鎖設(shè)計(jì)電路實(shí)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(jī)控制器PEU、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓加熱器PTC 等，相應(yīng)的可以擴(kuò)展至其它高壓部件，比如OBC（車載充電機(jī)）盒蓋開關(guān)等。

圖4 高壓互鎖檢測實(shí)體電路連接

不同的高壓部件斷開時(shí)，控制器根據(jù)V1 信號(hào)檢測，準(zhǔn)確定位出故障的高壓部件,同時(shí)顯示出故障信息錯(cuò)誤1、錯(cuò)誤2、錯(cuò)誤3、錯(cuò)誤4 等。診斷時(shí)可通過檢測點(diǎn)V3 的幅值進(jìn)一步確認(rèn)故障點(diǎn)位置。當(dāng)電路正常時(shí)，檢測點(diǎn)V3 的波形如圖5 所示，當(dāng)不同的高壓部件斷開時(shí)，檢測點(diǎn)V3 的波形如圖6-圖9 所示。

圖5 檢測點(diǎn)V3 正常波形

圖6 PEU 斷路時(shí)V3 波形

圖7 PTC 斷路時(shí)V3 波形

圖8 空調(diào)壓縮機(jī)斷路時(shí)V3 波形

圖9 高壓部件盒蓋開關(guān)斷開時(shí)V3 波形

通過實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果顯示，當(dāng)不同的高壓部件斷開時(shí)，檢測電路可通過檢測信號(hào)的不同精確判斷出高壓連接器斷路的位置。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本文提出的高壓安全電路設(shè)計(jì)可以使新能源汽車在使用和維修過程中出現(xiàn)的高壓連接器松脫或斷路情況進(jìn)行精準(zhǔn)定位，直接找出故障點(diǎn)，減少高壓安全觸電風(fēng)險(xiǎn)，提高新能源汽車在使用和維修過程中的高壓安全系數(shù)，同時(shí)可減少診斷工作量，節(jié)省維修時(shí)間。

本高壓互鎖精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)只需將設(shè)計(jì)電路集成在新能源汽車VCU 中，將VCU 輸入相應(yīng)的程序，即可實(shí)現(xiàn)高壓互鎖的準(zhǔn)確定位，提高新能源汽車高壓安全系數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)，成本低，市場應(yīng)用前景廣闊。