電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖及故障診斷研究

王紅然 于寶明

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南京市 210023）

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和新能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，電動(dòng)汽車(chē)逐漸從公共服務(wù)領(lǐng)域延伸到私家車(chē)領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)最大的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)的不同，它用電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，在一定程度上緩解了能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。但是，電動(dòng)機(jī)所需要的電能由動(dòng)力電池提供，電壓通常在300V以上，同時(shí)，電機(jī)控制器、車(chē)載充電機(jī)等都是高壓設(shè)備。因此，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)高壓安全提出了更高的要求。在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生碰撞或?qū)﹄妱?dòng)汽車(chē)進(jìn)行維修時(shí)，必須及時(shí)斷開(kāi)高壓源，而實(shí)現(xiàn)這一功能的重要措施就是高壓互鎖回路。

1 高壓互鎖回路的概念

高壓互鎖回路簡(jiǎn)稱(chēng) HVIL（Hazardous Voltage Interlock Loop），是電動(dòng)汽車(chē)采用的一種高壓安全保護(hù)措施，通過(guò)低壓信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)高壓回路的完整性，如高壓部件連接器是否插接到位，有無(wú)開(kāi)路或短路情況等。在《ISO6469-3: 2001電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電氣傷害防護(hù)》中規(guī)定，電動(dòng)汽車(chē)高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置[1]。

2 高壓互鎖回路的組成

電動(dòng)汽車(chē)的高壓部件有動(dòng)力電池、車(chē)載充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、PTC加熱器、空調(diào)壓縮機(jī)等。高壓互鎖回路如圖1所示，主要由兩部分構(gòu)成，一部分用于監(jiān)測(cè)高壓供電回路的完整性，另一部分用于監(jiān)測(cè)高壓部件保護(hù)蓋是否非法開(kāi)啟[2]。

圖1：高壓互鎖回路的組成

各高壓部件連接到高壓電源上形成高壓電源回路，各高壓部件的互鎖端子按一定順序串聯(lián)形成高壓互鎖信號(hào)回路，它是一個(gè)環(huán)形線路。各高壓部件有專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各自的高壓互鎖信號(hào)，只有當(dāng)高壓互鎖控制器全部收到高壓互鎖接通信號(hào)后，才允許上高壓電。

監(jiān)測(cè)器分為兩類(lèi)，一類(lèi)為高壓連接器監(jiān)測(cè)器，如高壓母線互鎖監(jiān)測(cè)器，在高壓母線拔出時(shí)，其互鎖監(jiān)測(cè)器也會(huì)隨之?dāng)嚅_(kāi)，同時(shí)觸發(fā)高壓斷電信號(hào)，確保用戶(hù)安全；另一類(lèi)為高壓部件開(kāi)蓋監(jiān)測(cè)器，它的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于高壓連接器，如電機(jī)控制器開(kāi)蓋監(jiān)測(cè)器，一端安裝在電機(jī)控制器保護(hù)蓋上，另一端安裝在電機(jī)控制器內(nèi)部，當(dāng)保護(hù)蓋打開(kāi)時(shí)高壓互鎖回路斷開(kāi)，同時(shí)觸發(fā)高壓斷電信號(hào)，確保用戶(hù)安全。

高壓繼電器是高壓互鎖的執(zhí)行部件，又稱(chēng)為正極、負(fù)極接觸器，為互鎖系統(tǒng)切斷高壓源，它的形式類(lèi)似于繼電器。高壓繼電器是一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)低壓系統(tǒng)的小電流控制高壓系統(tǒng)的大電流，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等作用。在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)，高壓繼電器閉合，接通高壓源，在電動(dòng)汽車(chē)熄火時(shí)，高壓繼電器斷開(kāi)，切斷高壓源。在電動(dòng)汽車(chē)中有高壓繼電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)監(jiān)測(cè)高壓繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)來(lái)判斷高壓繼電器的工作狀態(tài)，防止在高壓繼電器斷開(kāi)的情況下給高壓回路施加電氣負(fù)載，或者在高壓回路有較大電氣負(fù)載的情況下斷開(kāi)高壓繼電器?？傊邏豪^電器是緊急情況下斷開(kāi)高壓源的關(guān)鍵部件，在開(kāi)發(fā)時(shí)一定要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，以滿足高壓安全需求。

3 高壓互鎖的控制策略

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)，應(yīng)采取合適的控制策略，常用的有以下三種[3]：

3.1 故障警告

當(dāng)高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)，無(wú)論當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)處于何種狀態(tài)，都應(yīng)該及時(shí)向駕駛員發(fā)出危險(xiǎn)警告，如通過(guò)儀表盤(pán)以聲音報(bào)警或點(diǎn)亮相應(yīng)故障指示燈的形式提醒駕駛員，以避免安全事故的發(fā)生。

3.2 切斷高壓源

如果高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重危險(xiǎn)情況時(shí)電動(dòng)汽車(chē)處于停車(chē)狀態(tài)，除了進(jìn)行聲光報(bào)警外，還應(yīng)通知系統(tǒng)控制器切斷高壓源，確保人身安全。

3.3 降功率運(yùn)行

如果高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)電動(dòng)汽車(chē)處于高速行駛狀態(tài)，此時(shí)不能立刻切斷高壓源，應(yīng)首先向駕駛員發(fā)出警告，然后控制系統(tǒng)功率使車(chē)速降下來(lái)，確保駕駛員有充分的時(shí)間將電動(dòng)汽車(chē)停到安全的地方，避免高壓安全事故的發(fā)生。

4 電動(dòng)汽車(chē)高壓上電過(guò)程

以吉利EV450為例，用戶(hù)踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕。低壓上電成功后，車(chē)身控制模塊BCM收到高壓上電請(qǐng)求，并將請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送至VCU。VCU確認(rèn)制動(dòng)踏板踩下信號(hào)后，檢查高壓互鎖信號(hào)和碰撞信號(hào)，確認(rèn)高壓互鎖回路和碰撞信號(hào)正常后，VCU通過(guò)CAN總線向BMS請(qǐng)求上電。BMS確認(rèn)動(dòng)力電池內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)正常后，接通預(yù)充接觸器和負(fù)極接觸器。電機(jī)控制器檢測(cè)預(yù)充完成后通過(guò)CAN總線通知BMS，BMS接通正極接觸器。電機(jī)控制器檢測(cè)上電完成后通知VCU，VCU通過(guò)CAN總線通知組合儀表上電完成，READY燈點(diǎn)亮。在高壓上電過(guò)程中，需要檢測(cè)高壓互鎖回路，確認(rèn)正常后才會(huì)向BMS請(qǐng)求上電。如果高壓互鎖回路出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)不能上高壓電，組合儀表上的READY燈將不會(huì)點(diǎn)亮。

5 高壓互鎖常見(jiàn)故障

高壓互鎖回路是一個(gè)閉合回路，常見(jiàn)故障有開(kāi)路和短路故障等。造成開(kāi)路故障的原因有連接器虛接、互鎖端子損壞、開(kāi)蓋互鎖元件變形等。連接器虛接通常是由于接插件未插接到位導(dǎo)致，互鎖端子損壞通常表現(xiàn)為端子退針或插座折斷，開(kāi)蓋互鎖元件通常由于操作不當(dāng)造成互鎖元件變形或損壞。短路故障有對(duì)地短路和對(duì)電源短路。此外，動(dòng)力電池內(nèi)部故障也會(huì)報(bào)高壓互鎖故障[4]。

6 高壓互鎖故障診斷案例

高壓互鎖回路作為一個(gè)閉合回路，任何一個(gè)地方出現(xiàn)開(kāi)路，都會(huì)造成高壓互鎖故障。高壓互鎖對(duì)地或?qū)﹄娫炊搪?，也?huì)造成高壓互鎖故障。但是，造成開(kāi)路和短路故障的原因可能是多方面的，因此，需要我們嚴(yán)格遵循電動(dòng)汽車(chē)故障排查步驟，在確保人員和車(chē)輛安全的前提下快速定位、排除故障[5]。

6.1 故障現(xiàn)象

車(chē)主反映，吉利EV450電動(dòng)汽車(chē)購(gòu)車(chē)3年，突然出現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)指示燈報(bào)警，低壓上電正常，不能上高壓電，車(chē)輛無(wú)法行駛。

與車(chē)主進(jìn)一步溝通后了解到，事故車(chē)輛之前曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)不能上高壓電的現(xiàn)象，未定期保養(yǎng)。

維修人員進(jìn)行故障驗(yàn)證。踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，儀表點(diǎn)亮，ready指示燈未點(diǎn)亮，系統(tǒng)故障警告燈點(diǎn)亮，如圖2所示。

圖2：故障現(xiàn)象

6.2 故障分析

連接車(chē)輛診斷儀，按下啟動(dòng)按鈕，選擇對(duì)應(yīng)車(chē)型，讀取故障碼。隨后出現(xiàn)多個(gè)故障碼，選擇清除故障碼，再次讀取故障碼，仍有一個(gè)故障碼“P1C4096”，如圖3所示。結(jié)合車(chē)主反映情況和故障驗(yàn)證情況，判斷高壓互鎖系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

圖3：故障碼

6.3 故障診斷

查閱吉利EV450電路圖，繪制高壓互鎖回路如圖4所示。涉及到的主要部件有整車(chē)控制器VCU、電機(jī)控制器、車(chē)載充電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器，涉及到的主要接插件有CA67、BV11、BV10、BV08、CA61、CA66[6]。

圖4：吉利EV450高壓互鎖回路

根據(jù)維修手冊(cè)查找各部件在實(shí)車(chē)中的位置，并根據(jù)高壓互鎖回路順序檢查各接插件是否有松動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)檢查，各接插件均插接到位。

斷開(kāi)低壓蓄電池負(fù)極，戴上絕緣手套，斷開(kāi)高壓源5分鐘后進(jìn)行絕緣檢測(cè)，確認(rèn)合格后檢測(cè)高壓互鎖回路的完整性。檢測(cè)流程如下：

第一步，檢測(cè)高壓互鎖回路內(nèi)部是否存在開(kāi)路。拔下整車(chē)控制器VCU的接插件CA67和CA66，將整車(chē)控制器VCU從高壓互鎖回路中斷開(kāi)。用萬(wàn)用表測(cè)量端子CA67/76和CA66/58間的電阻，阻值為無(wú)窮大，說(shuō)明高壓互鎖回路內(nèi)部存在開(kāi)路。

第二步，以車(chē)載充電機(jī)為檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)相關(guān)端子間的電阻。斷開(kāi)車(chē)載充電機(jī)的接插件BV10，將車(chē)載充電機(jī)從高壓互鎖回路中斷開(kāi)。先用萬(wàn)用表測(cè)量端子CA67/76和BV10/26間的電阻，阻值小于1Ω，說(shuō)明這兩端子間線路無(wú)開(kāi)路。再用萬(wàn)用表測(cè)量端子BV10/27和CA66/58間的電阻，阻值小于1Ω，說(shuō)明這兩端子間也無(wú)開(kāi)路。由于高壓互鎖回路內(nèi)部存在開(kāi)路，初步判斷車(chē)載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。

第三步，以高壓互鎖回路上車(chē)載充電機(jī)兩側(cè)的部件（電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)）為檢測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證車(chē)載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。連接車(chē)載充電機(jī)的接插件BV10并確認(rèn)插接到位，拔下電機(jī)控制器的接插件BV11和空調(diào)壓縮機(jī)的接插件BV08，將電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)從高壓互鎖回路中斷開(kāi)。用萬(wàn)用表測(cè)量端子BV11/4和BV08/6間的電阻，阻值為無(wú)窮大，說(shuō)明這兩端子間線路有開(kāi)路，由此驗(yàn)證了車(chē)載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。

第四步，確認(rèn)故障。打開(kāi)車(chē)載充電機(jī)上蓋，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部高壓互鎖元件變形導(dǎo)致本體高壓互鎖開(kāi)路。

6.4 故障排除

修復(fù)變形的高壓互鎖元件，蓋上車(chē)載充電機(jī)上蓋。連接電機(jī)控制器的接插件BV11和空調(diào)壓縮機(jī)的接插件BV08并確認(rèn)插接到位。用萬(wàn)用表測(cè)量端子CA67/76和CA66/58間的電阻，阻值為2.5Ω，說(shuō)明高壓互鎖故障已排除。

6.5 試車(chē)

插接整車(chē)控制器VCU的接插件CA67和CA66并確認(rèn)插接到位，連接高壓源和低壓蓄電池負(fù)極，踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，READY指示燈點(diǎn)亮，將擋位掛入D擋，車(chē)輛能夠正常行駛，恢復(fù)正常。

7 結(jié)論

高壓互鎖是電動(dòng)汽車(chē)高壓安全的重要措施，而高壓互鎖故障是電動(dòng)汽車(chē)高壓供電不正常的主要原因。高壓互鎖回路是一個(gè)閉合回路，常見(jiàn)故障有開(kāi)路和短路故障等。開(kāi)路故障可以通過(guò)分段檢測(cè)的方法逐步縮小故障范圍，也可以采用二分法提高檢測(cè)效率。本文采用的是二分法，先將VCU從互鎖回路斷開(kāi)，然后選擇車(chē)載充電機(jī)為檢測(cè)點(diǎn)，分別檢測(cè)兩端線路的通斷。初步判斷故障后如果不便確認(rèn)要通過(guò)其他途徑進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行故障診斷時(shí)要結(jié)合故障現(xiàn)象進(jìn)行具體分析，準(zhǔn)確定位故障，采用合適的故障診斷方法，快速排除故障。同時(shí)要做好記錄，不斷總結(jié)，提高故障排除效率。