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 。