電動(dòng)汽車(chē)的高壓互鎖及故障檢測(cè)

劉昕偉

摘要：介紹某電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)述其工作原理并介紹了高壓互鎖常見(jiàn)故障。通過(guò)所設(shè)計(jì)高壓互鎖檢測(cè)電路可以精準(zhǔn)檢測(cè)出高壓部件接插件的連接狀態(tài)，給出了高壓互鎖故障排查的基本思路，同時(shí)對(duì)從事電動(dòng)汽車(chē)的高壓互鎖回路檢修的人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高壓互鎖;檢測(cè);常見(jiàn)故障

0? 引言

隨著國(guó)家倡導(dǎo)綠色發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量的快速增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)安全問(wèn)題愈發(fā)得到人們的重視。相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，純電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部多了動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)空調(diào)、電機(jī)控制器和充電機(jī)等高壓元件，且各模塊之間通過(guò)高壓線束連接。動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)的唯一能量來(lái)源，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛的加速性、續(xù)航里程等不同對(duì)電源有更高的要求，目前主流的純電動(dòng)汽車(chē)均采用高電壓驅(qū)動(dòng)方案，在正常狀態(tài)下動(dòng)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(xiǎn)性，當(dāng)發(fā)生同樣的觸電事故時(shí)高壓直流電對(duì)人身的傷害更大;在這一背景下，純電動(dòng)汽車(chē)的高壓安全成為研究熱點(diǎn)[1]。

1? 高壓互鎖原理及回路設(shè)計(jì)

1.1 高壓互鎖定義

High Voltage Inter-lock，簡(jiǎn)寫(xiě)HVIL，即所謂高壓互鎖也叫高壓互鎖回路，是純電動(dòng)汽車(chē)中使用的一種安全設(shè)計(jì)措施，其本質(zhì)是利用低壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)上所有與高壓母線相連的各分電路，具體有整個(gè)電池系統(tǒng)（BMS）、導(dǎo)線、電機(jī)控制器、連接器、DC/DC、高壓盒及保護(hù)蓋等高壓回路電氣連接的連續(xù)性。當(dāng)高壓互鎖回路接通或斷開(kāi)時(shí)，電源控制器接收端接收到反饋信號(hào)，高壓回路的通斷由該反饋信號(hào)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(gè)高壓回路電氣連接完整的前提下，整車(chē)才能上高壓電，從而提高整車(chē)安全;②如整車(chē)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)意外完整性被破壞，整個(gè)高壓回路斷開(kāi)并放電;避免漏電或火災(zāi)事故的發(fā)生[2]?！禝SO 6469-3：2001電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電器傷害防護(hù)》ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中明確提到：電動(dòng)汽車(chē)用高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置，為整車(chē)安全提供保障。

1.2 高壓互鎖原理及故障檢測(cè)

1.2.1 高壓互鎖原理

動(dòng)力電池包是高壓回路的動(dòng)力來(lái)源，同樣給低壓回路提供一個(gè)檢測(cè)用電源，低壓信號(hào)沿著閉合的低壓回路進(jìn)行傳遞。低壓信號(hào)傳遞過(guò)程中一旦信號(hào)中斷，就可以說(shuō)明某一個(gè)高壓連接器出現(xiàn)松動(dòng)或者脫落。圖1和圖2分別為某電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖回路端子圖和高壓互鎖回路端子互鎖與斷開(kāi)原理。由圖2可知，高壓互鎖插頭中高壓電源的正、負(fù)極端子物理長(zhǎng)度比中間互鎖端子長(zhǎng)，故當(dāng)連接高壓插頭插合時(shí)，高壓插頭的電源端子先于中間互鎖端子插合;斷開(kāi)高壓插頭時(shí)，中間互鎖端子同樣先于高壓電源的正、負(fù)極端子脫開(kāi)，從而避免了高壓環(huán)境下拉弧的產(chǎn)生。采用低壓導(dǎo)線作為高壓互鎖裝置中的信號(hào)線，信號(hào)線與高壓電源線并聯(lián)在高壓線束護(hù)套管內(nèi)，通過(guò)這種方式將所有高壓部件串聯(lián)起來(lái)形成閉合回路。除此，高壓互鎖裝置內(nèi)還配備了行程開(kāi)關(guān)，用于監(jiān)測(cè)高壓部件蓋板是否可靠關(guān)閉[3]。同時(shí)，還有用于觸發(fā)斷電信號(hào)的車(chē)輛碰撞和翻轉(zhuǎn)信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置，從而確保在短時(shí)間內(nèi)高壓回路斷開(kāi)，并將汽車(chē)高壓部件電容端的電壓通過(guò)放電回路短時(shí)間內(nèi)放掉，保證整車(chē)安全。

1.2.2 某純電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖回路

純電動(dòng)車(chē)輛新增了很多高壓用電或供電裝置，如電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC、高壓動(dòng)力電池與壓縮機(jī)等。GB/T 18384.1-2015，GB/T18384.2-2015，GB/T18384.3-2015《電動(dòng)汽車(chē)安全要求》等標(biāo)準(zhǔn)提到高壓連接器非人為自行斷開(kāi)都不應(yīng)導(dǎo)致車(chē)輛產(chǎn)生危險(xiǎn)。某電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖回路模型圖如圖3所示。由圖3可見(jiàn)該電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖有兩路，其中VCU-PTC-空調(diào)壓縮機(jī)-VCU回路不影響整車(chē)上高壓，但會(huì)導(dǎo)致空調(diào)不制冷不制熱。另一路VCU-OBC-PDU-DC/DC-VCU出現(xiàn)故障則會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法上高壓[4]。

1.2.3 高壓互鎖裝置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

由高壓互鎖原理知，電動(dòng)汽車(chē)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(shí)有時(shí)間先后;當(dāng)連接器插合時(shí)，HVIL端子先于連接器端子插入，當(dāng)連接器拔出時(shí)，HVIL端子先于連接器端子斷開(kāi)，連接器高壓端子后斷開(kāi)。利用HVIL端子就能確保連接器高壓端子可靠連接或提前預(yù)判其意外斷開(kāi)。高壓連接器的HVIL檢測(cè)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(jiǎn)圖，在整個(gè)HVIL環(huán)路外部施加一個(gè)直流源，并通過(guò)檢測(cè)V1和V2處的電壓，來(lái)診斷高壓連接器狀態(tài);圖4（b）為PWM方案簡(jiǎn)圖，引入可控開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)并檢測(cè)VI和V2處電壓，可以識(shí)別出更多的回路狀態(tài)。

圖5電路可以檢測(cè)互鎖回路斷開(kāi)以及對(duì)地短接故障，利用S3的閉合與關(guān)斷來(lái)模擬HVIL端子互鎖與斷開(kāi)，當(dāng)開(kāi)關(guān)S3閉合即HVIL端子互鎖，此時(shí)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(dāng)HVIL端子互鎖斷開(kāi)時(shí)，即S3斷開(kāi)，電壓比較器輸出低電平，D1亮，高壓互鎖電路故障;當(dāng)HVIL端子互鎖且對(duì)地短接時(shí)，即S3和S2同時(shí)閉合或者S3和S1同時(shí)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(gè)回路故障主要有開(kāi)路和短路，具體有幾下幾種情況：

2.1 高壓互鎖開(kāi)關(guān)失效

關(guān)閉蓋板之后開(kāi)關(guān)不能閉合是互鎖開(kāi)關(guān)常見(jiàn)的故障。可能原因是設(shè)計(jì)尺寸偏差，導(dǎo)致互鎖開(kāi)關(guān)不能閉合。蓋板突出的筋結(jié)構(gòu)高度偏低，高壓互鎖開(kāi)關(guān)不能閉合到位，致使互鎖回路開(kāi)路。設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致安裝過(guò)程中互鎖開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)失效致使開(kāi)關(guān)不能閉合。設(shè)計(jì)互鎖開(kāi)關(guān)時(shí)要綜合考慮安裝可能情況調(diào)整開(kāi)關(guān)的朝向，從而避免結(jié)構(gòu)失效。

2.2 端子退針導(dǎo)致開(kāi)路

當(dāng)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(zhì)量有問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致端子退針，導(dǎo)致的公母端子接觸不良。可以采用“二分法”快速精準(zhǔn)定位故障位置。需要注意的是在進(jìn)行問(wèn)題排查時(shí)，需要使用合適尺寸的探針。探針直徑不宜選的過(guò)大，否則會(huì)影響到端子的接觸質(zhì)量和壽命。

2.3 互鎖端子對(duì)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(duì)地短路也會(huì)報(bào)高壓互鎖開(kāi)路。

2.4 動(dòng)力電池內(nèi)部故障

若整車(chē)報(bào)高壓互鎖回路故障，而實(shí)際檢測(cè)下來(lái)線束是完整的，且檢測(cè)沒(méi)有開(kāi)路/對(duì)地短路的情況，則可帶電測(cè)量互鎖回路是否形成通路，即確認(rèn)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(gè)地方斷開(kāi)，使用歐姆檔測(cè)量是否導(dǎo)通，則還可以繼續(xù)排查驗(yàn)證是否是動(dòng)力電池內(nèi)部的故障[5]。

3? 結(jié)論

高壓互鎖對(duì)保證用戶安全和車(chē)輛安全運(yùn)行至關(guān)重要。但是在生產(chǎn)和售后維修保養(yǎng)過(guò)程中，高壓互鎖回路難免出現(xiàn)故障。本文通過(guò)高壓互鎖原理、結(jié)構(gòu)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(zhì)量，以期盡快鎖定最終故障根源。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]李瑋，王晶.純電動(dòng)汽車(chē)高壓互鎖檢測(cè)電路及故障機(jī)制[J].北京汽車(chē)，2020（04）：1-4.

[4]許文杰.高壓互鎖電路故障導(dǎo)致吉利EV450車(chē)無(wú)法上電[J].汽車(chē)維護(hù)與修理，2020（16）：72-74.

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