【 摘要 】 為了保證一款新能源PHEV  （ 插電式混合動力電動車 ） 車型高壓線束回路的安全可靠連接 ， 進行了一種冗余設計方案 ， 符合ISO 26262的標準要求 ；  采用控制器實時檢測車輛整個高壓回路的電氣連接完整性 ；  對車輛使用過程中出現的可能故障進行處理 ， 確保車輛和人員的安全 。  

【 關鍵詞 】 新能源 ；  高壓互鎖 ；  采樣電阻 ；  電池包 ；  故障診斷 ；  整車控制器 ；  電池管理系統

1.高壓互鎖  （ HVIL ） 功能介紹

 HVIL是High Voltage Interlock Loop  （ 高壓互鎖回路 ） 的簡稱 。 HVIL通過使用低壓電信號 ， 來檢查整個高壓模塊 、 導線及連接器的電氣完整性情況 。 當 發生互鎖故障后 ， 必須保證整車高壓系統下電且在故障排除前高壓系統不能上電 ， 同時觸發相應的警示信號 。

1 ） 帶有高壓的模塊從高壓回路斷開的時候 ， 防止由于高壓回路存在容性負載  （ 必須執行特定的放電程序將高壓釋放至安全電壓范圍內 ） ， 導致人員接觸帶電部件而發生觸電事故 ， 保證人身安全 。  

2 ） 帶有高壓的模塊從高壓回路斷開的時候 ， 防止由于高壓線纜帶電 、 整車意外上電導致人員接觸帶電部件而發生觸電事故 ， 保證人身安全 。  

3 ） 車輛在使用過程中 ， 防止由于人為操作不當 、 車輛顛簸 、 產品老化 、 線路磨損等帶來的局部發熱和 拉弧導致產品性能急劇下降 、 起火事故 ， 保證車輛和 人身安全 。  

2.HVIL設計要求 

2.1 HVIL系統功能安全要求 

①與HVIL相關的控制器安全等級要求如下 ：  控制器中與HVIL相關模塊的功能安全等級應達到ASILC[1]  ；  ②HVIL應包括一個信號發生器和2個信號檢測裝置 。  

2.2 HVIL系統診斷功能要求[1]  

HVIL相關控制器應診斷出如下故障 ：  ①回路斷開 ；  ②對GND （ 整車搭鐵 ） 短路 ；  ③對電源 （ 12 V ） 短路 ；  ④回路短路 ；  ⑤回路阻抗變大 。  

2.3 HVIL信號源要求

 ①HVIL信號源電壓為5V ；  ②HVIL與12V電源短路時 ， 信號源不應失效 ， 且具有反向保護功能 ；  ③ HVIL線束不允許出現分支壓接點 ；  ④當12V蓄電池電 壓降到10.2V時 ， 也應保證HVIL信號源有穩定輸出 。  

2.4 HVIL對高壓連接器要求 

①高壓電氣系統中插接形式的高壓連接器應集成互鎖功能 ， 當高壓連接器斷開時應先斷開HVIL ， 接合時應后接通HVIL ；  ②高壓連接器接合后接觸電阻應滿足Q ／ CC JT0638—2014  《 汽車電線束插接器技術條件 》 中4.12的要求 。  

3.HVIL拓撲結構 

3.1 PHEV高壓布置簡圖 

根據PHEV車型的布置情況 ， 確定高壓電氣布置簡圖 ， 見圖1 。

3.2 HVIL拓撲圖 

根據HVIL相關零部件布置位置 ， 確定HVIL拓撲圖 ， 見圖2 。

HVIL拓撲圖中高壓插接件參數見表1 。

4.HVIL阻抗匹配[2] 

按照高壓互鎖回路信號源電壓為5V 、 電流接近 10 mA的設計 ， 得到回路總的阻抗R1+R2+R3=500 Ω 。 HCU及BMS均檢測互鎖回路R2兩端電壓值 ， 從而判斷 回路是否有故障 。 現階段我司選用的BMS中R1和R3的 最大可用功率均為1 W ， HCU中R2的最大可用功率為 0.08 W  （ 實際為0.1 W ， 取0.8保險系數使用 ） 。  

為滿足以上條件 ， 我們以最極限的情況來分析 ， 互鎖原理簡圖見圖3 。

故障模式1 ：  A側對GND短路 ；  

故障模式2 ：  A側對 蓄電池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式3 ：  B側對GND短路 ；

故障模式4 ：  B側對蓄電池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式5 ：  HVIL回路斷開 ；  

故障模式6 ：  A側對B側短路 。

根據計算結果 ， 可知第1組為可用的值 ， 通過查找相近型號的電阻 ， 得出 ：  R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3= 374 Ω 。

由上可知 ， R1 、 R2 、 R3在各種情況下的最大功率分別為 ：  P1_max=0.333 W ， P2_max=0.082 W ， P3_max=0.684 W ， 均滿足所選電阻的要求 。 因此 ， 推薦匹配電阻阻值為 R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3=374 Ω 。

5.HVIL故障診斷方法  （ 表2 ）  

該互鎖方案的原理是 ：  將所有識別的高壓互鎖回路故障轉換為高壓互鎖回路檢測的電壓值 ， 通過采集電壓信號進行故障檢測 。 HVIL正常情況下 ， H1與H2 之間電壓差 、 B1與B2之間電壓差均應在0.2~0.9 V  （ 5 V 信號源的4%~18% ） 之間 。

6.HVIL故障診斷分析 

對HVIL各種故障情況進行分析 ， 結果見表3 。

根據故障診斷方法 ， HVIL在各種故障下 ， HCU及 BMS檢測出的電壓均在正常工作電壓范圍  （ 0.2~0.9 V ） 之外 ， 表明本設計方案滿足設計要求 。  

7.HVIL失效場景分析

高壓互鎖系統在識別到危險時 ， 整車控制器  （ 以下簡稱HCU ） 和電池管理系統  （ 以下簡稱BMS ） 應根據危險時的行車狀態及故障危險程度運用合理的安全策略 ， 策略簡述見表4 。  

8.總結 

該高壓互鎖方案給出了HVIL拓撲結構 、 診斷方法 、 故障診斷分析表 ， 并計算得出了一組阻抗匹配數據 。  

1 ） 在HVIL標定驗證階段 ， 必須仿效整車線路進行所有故障和動作測試 ， 并應根據實際標定情況對R1 、 R2和R3的阻抗值以及故障類型和判定方法進行相 應調整 。  

2 ） 充電機 ： 將民用電網220 V交流電轉化成車輛 需求電壓的直流電 ， 給電池包提供穩定的直流電源補充能量 。  

3 ） 后驅電機 ： 放置在車輛后橋部位的永磁同步交流電機 ， 同減速器集成為獨立的電驅動橋結構 ， 為實現整車的獨立驅動 、 四輪驅動提供電力驅動扭矩 。  

作者第1次進行該功能的設計 ， 沒有經過試驗標定和市場考驗 ， 其中不免有考慮不周和設計不足 ， 后期會根據標定數據以及樣車測試對方案進行不斷完善 ， 也希望各位讀者批評指正 。

參考文獻

[1]余化 （ 譯 ） . ISO 26262 ：  2011  《 道路車輛功能安全 》 標準 發布實施 ［ J ］ . 中國標準導報 ， 2012(3) ：  45. 

[2] 姚年春 ， 侯玉杰. 電路基礎 ［ M ］ . 北京 ：  人民郵電出版社 ， 2010. （ 編輯 陳程 ）

Design and Analysis of HVIL Scenario for New Energy Vehicle 

WU ao-hua ， HOU Wen-tao 

（ The R&D Center of Great Wall Motor Co. ， Ltd. ， BaoDing 071000 ， China ）  

Abstract ： This paper shows a redundant design that complies with the requirements of ISO 26262 ， which is used for ensuring safety and reliability of HV wiring circuit on PHEV  （  Plug -in Hybrid Electric -vehicle ） . Meanwhile ， the scenario is designed to supervise the electrical integrity of the whole HV circuit online in the vehicle by VCU and deal with the fault which may occur in the use of the vehicle as well as ensure the safety of the vehicle and passengers. 

Key words ： new energy ；  HVIL ；  sampling resistance ；  battery pack ；  fault diagnose ；  HCU ；  BMS