高壓互鎖的案例
新能源車的高壓互鎖研究及故障排除
文章來源：上汽通用汽車有限公司武漢分公司
電動汽車的快速發展在給人們帶來出行便利的同時，電
動汽車動輒300V以上的高壓電器系統，也給車載高壓用電器的使用安全帶來嚴峻考驗。高壓互鎖裝置作為一項重要的防護措施，其復雜冗長的線路也給高壓互鎖類故障排查帶來了種種困難，本文通過對高壓互鎖機制的研究，針對某造車過程中出現的高壓互鎖故障的梳理和總結，從高壓互鎖策略、故障排除方法等兩個方面對高壓互鎖故障進行歸納總結，便于迅速定位故障原因并進行有效遏制。
1高壓互鎖
高壓互鎖
HVIL（High Voltage Inter lock）通過低壓信號來檢測電動汽車上整個高壓模塊回路電器連接的完整性，由于電動汽車高壓模塊分布在各個子系統中，高壓模塊間的連接通過高壓線束及其插接件形成一個完整的整車高壓系統，在振動及沖擊的惡劣工況下，當整個電動汽車高壓回路斷開或者完整性受到破環時，就需要啟動安全措施，如報警或者斷開高壓回路，因此高壓互鎖的設計是確保人員安全和車輛設備安全運行的關鍵。如圖1所示，高壓控制系統由高壓電池、車載充電模塊、電機控制模塊、驅動電機、高壓分配
模塊等組成。高壓互鎖監控器向高壓互鎖回路提供一個信號電壓，然后檢測返回的信號電壓，如果檢測不到返回的信號電壓，則表明高壓線路可能處于斷路狀態，若繼續供電會有安全隱患，此時動力電池控制單元會切斷高壓電供電。
2高壓互鎖診斷功能要求及其控制策略
基于高壓互鎖檢測原理得知當車輛發生高壓互鎖故障
時，要確保高壓系統以合適的方式進行安全斷電，并且在故障排除之前高壓系統不能上高壓，同時觸發對應的診斷故障碼DTC（Diagnostic Test Code）。
展開 PHEV車型高壓互鎖方案設計及分析
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
。
展開 PHEV車型高壓互鎖方案設計及分析
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
。
展開 PHEV車型高壓互鎖方案設計及分析
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
。
展開 
線束工程師：高壓線束設計基礎與方法
高壓線束是高壓系統的核心部件之一，本文將介紹高壓線束設計基礎知識與方法，包括高壓互鎖、高壓線束設計與高壓連接器。以下為正文。
1 高壓互鎖
1.1高壓互鎖的定義
高壓互鎖（High Voltage Inter-lock， 簡稱HVIL），其實也是高壓互鎖回路（Hazardous Voltage InterlockLoop）的簡稱。
高壓互鎖是指，用低壓信號監視高壓回路完整性的一種安全設計方法。通過使用低壓信號來檢查電動汽車上所有與高壓線束相連的各組件，檢測各個高壓系統回路的電氣連接完整性（連續性）。
理論上，低壓監測回路比高壓先接通，后斷開，中間保持必要的提前量，時間長短可以根據項目具體情形確定，比如150ms，大體在這個量級。具體的高壓互鎖實現形式，不同項目可能有不同設計。
在電動汽車高壓回路中，要求具備HVIL功能的電氣元件主要是高壓連接器，手動維修開關（MSD）等這類要求人力操作，實現電路接通還是斷開的電氣接口元件。
1.2 高壓互鎖的目的與作用
高壓互鎖的目的是，用來確認整個高壓系統的完整性的，當高壓系統回路斷開或者完整性受到破壞的時候，就需要啟動安全措施了。
為什么要做高壓互鎖設計
高壓互鎖主要是用來保證高壓系統安全，主要有三個作用：
一是，用來檢測高壓回路松動（會導致高壓斷電，整車失去動力，影響乘車安全）并在高壓斷電之前給整車控制器提供報警信息，預留整車系統采取應對措施的時間。
二是，在車輛上電行車之前發揮作用，檢測到電路不完整，則系統無法上電，避免因為虛接等問題造成事故；
三是，防止人為誤操作引發的安全事故。
展開 新能源汽車高電壓組件結構淺析
圖7 純電動汽車動力電池組上的高壓線束
電池組和變頻器之間的直流連接電纜還向DC/DC轉換器供電，從而實現對12 V輔助系統的供電，并在車輛通電時（READY ON時）對汽車的12 V輔助電池進行充電。盡管DC/DC轉換器的輸出電壓屬于低電壓，但仍然將其看成是一種高壓元件，因為它的輸入端接入的是高壓電。
3 高壓導線連接器的拆裝
無論是扁平式高壓導線連接器還是圓形高壓導線連接器，在松開或固定時都必須嚴格遵守規定順序。如果更換了高壓組件，組裝時必須注意：按規定重新建立高壓組件殼體與車輛接地之間的導電連接；嚴格遵守維修說明；由另外1名維修人員檢查維修工作（包括擰緊力矩、接觸裸露金屬等），并在維修工單上進行書面記錄。
3.1 扁平式高壓導線連接器的拆裝
在某些高壓組件的導線連接器上有單獨的高壓互鎖回路導線連接器，在松開高壓導線連接器前，必須首先松開高壓互鎖回路導線連接器（圖8）。高壓互鎖回路導線連接器處于連接狀態時，高壓互鎖回路閉合；松開高壓互鎖回路導線連接器，高壓互鎖回路斷開，此時高電壓系統自動關閉。這是一項附加安全措施，確保維修人員在開始工作前已將高電壓系統切換為無電壓輸出狀態。
圖8 松開高壓互鎖回路導線連接器
松開高壓互鎖回路導線連接器后，推移機械鎖止件（圖9），然后即可拔出高壓導線連接器（圖10）。將高壓導線連接器拔出幾毫米（位置A）后，可感覺到較高反作用力，此時要向相同方向繼續拔出高壓導線連接器（位置B）。注意：在位置A時切勿將高壓導線連接器重新壓回高壓組件上，這樣可能會損壞高壓導線連接器。
重新連接高壓導線連接器時，按松開的相反順序進行即可。
展開 新能源汽車高電壓組件結構淺析
3.1 扁平式高壓導線連接器的拆裝
在某些高壓組件的導線連接器上有單獨的高壓互鎖回路導線連接器，在松開高壓導線連接器前，必須首先松開高壓互鎖回路導線連接器（圖8）。高壓互鎖回路導線連接器處于連接狀態時，高壓互鎖回路閉合；松開高壓互鎖回路導線連接器，高壓互鎖回路斷開，此時高電壓系統自動關閉。這是一項附加安全措施，確保維修人員在開始工作前已將高電壓系統切換為無電壓輸出狀態。
圖8 松開高壓互鎖回路導線連接器
松開高壓互鎖回路導線連接器后，推移機械鎖止件（圖9），然后即可拔出高壓導線連接器（圖10）。將高壓導線連接器拔出幾毫米（位置A）后，可感覺到較高反作用力，此時要向相同方向繼續拔出高壓導線連接器（位置B）。注意：在位置A時切勿將高壓導線連接器重新壓回高壓組件上，這樣可能會損壞高壓導線連接器。
重新連接高壓導線連接器時，按松開的相反順序進行即可。圖11展示了高壓組件上扁平式高壓導線連接器插座的結構。
展開 電動汽車高壓連接器概述及測試驗證
2.2 高壓互鎖
高壓互鎖（HighVoltageInter-lock，簡稱HVIL），用低壓信號管理高壓回路的一種安全設計方法。在高壓系統設計中，為避免由于高壓連接器在實際操作過程中帶電斷開、閉合所造成的拉弧，高壓連接器一般都應具備“高壓互鎖”功能。
具有高壓互鎖功能的高壓連接系統，連接和斷開時功率和互鎖端子應滿足以下條件：高壓連接系統連接時，功率端子先接通，互鎖端子后接通；高壓連接系統斷開時，互鎖端子先斷開，功率端子后斷開。
高壓互鎖常用于高壓電氣回路中，如高壓連接器、MSD、高壓配電盒等回路中。
帶有高壓互鎖的連接器，在帶電情況下進行解鎖時，可通過高壓互鎖的邏輯時序來斷開，斷開的時間與高壓互鎖端子和功率端子的有效接觸長度差值大小有關，與斷開時的速度有關。通常情況下，系統對互鎖端子回路的響應時間在10~100ms之間，當連接系統分離（拔出）時間小于系統響應時間時，就會出現帶電插拔的安全風險，而二次解鎖就是為了解決這個斷開時間問題，通常情況下，二次解鎖能有效地把這個斷開時間控制在1s以上，以確保操作安全。
2.3 二次解鎖
二次解鎖分為兩種方式，一種是通過操作順序來實現，通過與正常拔出的反方向或不同方向來實現，如市場上主流的HVA800、HVC800系列高壓連接器產品，連接器拔出時，助力板手與分離方向正好相反或不在一個方向上，以增加拔出時的響應時間，達到二次解鎖功能。
展開 【汽車知識】新能源汽車高壓連接器技術、設計及趨勢
下圖就是關于溫升和降額曲線的圖示
溫升曲線圖
降額曲線圖
1.2.2高壓互鎖(HVIL)
針對整個的高壓互連系統來講，為了保證高壓系統上下電時的安全，在連接設計時，引入了高壓互鎖概念。簡單描述為，連接器在插合導通時，高壓回路先接觸導通，后高壓互鎖信號回路再導通；分斷時，先高壓互鎖信號分斷，后高壓回路斷開。大多數連接器廠家會把高壓互鎖設計放在連接器內部，也有一部分廠家會把高壓互鎖通過輔助結構設計放在對插腔體的外部。確保高壓互鎖回路的穩定性，十分重要。如果說高壓互鎖不連續，可能帶來的影響會很惡劣，比如車正在行駛過程中，突然高壓互鎖回路信號異常，導致整車突然掉電，不能正常運行，這樣會造成交通事故。
1.2.3 鎖緊結構
理解真正的二次鎖不是有一個二次的保護作用，是更要有效地對其保護，這個真正的含義就是在一次鎖止后，如果一次鎖失效了或者沒有操作核實到位，二次鎖就是確保一次鎖鎖好以后，對第一次鎖進行保護，這是一個很重要的作用。二次鎖緊結構結合一次鎖里面最常用的就是力臂機構，因為一次鎖緊跟插拔力有關，所以按照力學設計理念需要一種類似于力臂機構的形式，這樣才能達到既省力，也能夠很輕松地把連接器插到位。對于力臂的要求，USCAR里面講到了很多的力臂的人機工程的可操作性。USCAR里面也規定了相關一次鎖和二次鎖在對插和不對插情況下的力的要求。
展開 純電動汽車整車級高壓線束開發
安全性能方面；
采用高壓互鎖，高壓互鎖分為內置式和外置式，因內置式布局緊湊體積小，電動汽車上均采用內置式，并通過VMS或BMS等控制器檢測高壓互鎖，要求高壓連接器分開后，帶電部分能夠在1S內降低到60Vd.c和30Va.c以下，
才能保證人身安全。
維修開關MSD即手動維護開關是保證純電動汽車高壓電氣安全的關鍵部件，是能夠在關鍵時刻實現高壓系統電氣隔離的執行部件，能夠將分斷裝置和熔斷器兩者高度整合，在內部配置合適的熔斷器同時也可以起到電路過流和短路保護的保護，合理的設計和操作維修開關對于電動汽車的電氣安全起到至關重要的作用。
充電接口目前分為兩種，交流充電接口和直流充電接口，而交流接口是將交流電網電源通過纜上控制與保護裝置接入到車載充電機。直流接口是將帶控制引導功能的直流供電設備直接接入到電動汽車電池上。交流接口額定電壓250Va.c或440Va.c，額定電流電流不超過63A，直流接口額定電壓750Vd.c或1000Vd.c，額定電流不超過250A，根據整車布置要求來確定充電接口的額定電壓電流值，交直流充電接口其他相關電氣特性等參數必須滿足國標GBT20234.2-2015和GBT20234.3-2015的要求。
展開 新能源汽車高壓連接器概述及測試驗證
無論是純電動、混合、燃料電池汽車，都需有一套完整的高壓連接系統，這個系統中，往往都應用大量的高壓連接器，這一點與傳統汽車有著明顯的區別。高壓系統工作時放電電流有可能達到數幾十安，甚至高達數百安。
但是在新能源電動汽車發展初期，高壓連接器并沒有得到整車企業的足夠重視，認為高壓連接與傳統低壓線連接類似，重心在“三電”（電驅、電池、電控）上面，但隨著時間的推移，大家發現高壓連接系統比較容易發生問題，且一旦發生問題，后果都比較嚴重，輕則過熱，嚴重時容易發生高溫或燃燒事件。
本研究圍繞高壓連接器的發展歷程展開，分析中國電動汽車用高壓連接器的標準體系、測試方法，針對產品使用過程中的性能指標，搭建高壓連接器測試系統，開展高壓連接器的物理連接、電氣性能等方面的測試，為產品的不斷改進提供了支撐。
01
高壓連接器的發展歷程
電動汽車高壓連接器的發展與電動汽車的發展是同步進行的，從連接器角度來說，國內電動汽車連接器發展經歷以下幾代。
1）第1代高壓連接器（圖1），2008年左右開始，主要是由當時工業連接器改款而來。這代產品的特點，以金屬連殼體為主，無高壓互鎖功能，防誤插入（防呆）效果較差。比較有代表性產品有安費諾HV系列的金屬連接器，后來市場上很多款連接器是基于這種類型產品延伸擴展出來的。
2）第2代高壓連接器（圖2），在第1代的基礎上增加了高壓互鎖功能，連接器的外殼也逐漸由金屬變為塑料。
3）第3代高壓連接器（圖3），塑料+屏蔽功能+高壓互鎖的高壓連接器。
展開 
純電動汽車高壓電氣系統設計原理
根據整車設計的需求，任何電動汽車在動力主回路中都會配置高壓接觸器，如果高壓接觸器觸點發生閉合或斷開失效時，沒有相應的正確處理方式應對，將有可能引起不正常的控制而造成汽車不能正常啟動或不能啟動。嚴重的情況下，將會給汽車和人身安全造成危險。鑒于上述問題的嚴重性，應對高壓接觸器觸點狀態進行安全有效的實時監控，并對故障進行處理。當高壓接觸器觸點發生閉合或斷開失效故障時，高壓管理系統會發出聲光報警，以提示操作人員并根據故障的級別控制汽車是否可進行其他操作。
5）高壓互鎖回路檢測及故障處理
高壓回路互鎖功能設計是針對高壓電路連接的可靠程度提出的。危險電壓閉鎖回路也稱為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個典型的互鎖系統，通過使用電氣的信號，來檢查整個模塊、導線及連接器的電氣完整性 。當高壓安全管理系統檢測到某處連接斷開或某處連接沒有達到預期的可靠性時，安全管理系統將直接或通過整車控制器切斷相關動力電源的輸出并發出聲光報警,直到該故障完全排除。如圖 4 示出高壓互鎖回路檢測原理圖。
圖4 高壓互鎖電路檢測原理圖
展開 電動汽車整車級高壓線束開發注意事項
工作溫度及環境溫度的對于電纜線徑也是有影響的，由于高電流傳輸會導致高功耗和相關組件的提高溫升，從而高壓電纜設計必須要能夠承受較高的溫度。如果線纜的布置環境超過了電纜允許的工作溫度，則必須選擇較大截面積的電纜。對于Tmax達到180℃時，導體截面積需升一擋使用，Tmax達到250℃時，導體截面積需升二擋使用。
2.2 線纜結構
高壓線纜從類型上分為單芯電纜和多芯電纜，高壓電纜截面為圓形，護套顏色為橙色。多芯電纜是由多個單芯線組成，單芯線必須同時滿足單芯電纜的相關技術參數，并如多芯電纜內有用于信號傳輸請采用單獨屏蔽，保證信號不丟失。導線主要采用多芯軟銅絞線，以滿足導線的內阻和柔軟彎曲度的技術要求，絕緣層必須要耐高低溫耐阻燃，多為復合結構。對于EMC的防護，采用帶屏蔽層的高壓電纜采用裸銅或鍍銅線編織在內護套層上，其編織密度≥90%。
3 高壓連接器選型
3.1 高壓連接器
電性能方面：需要考慮額定工作電壓、額定工作電流、絕緣電阻、耐壓等級、屏蔽和互鎖等相關電性能參數。環境性能方面：需要考慮工作溫度、環境溫度、鹽霧等級、阻燃等級、耐溶液試劑以及禁用物質等方面的要求。根據不同設計要求還會有其他方面的要求。
機械性能方面：根據不同的工況來測試耐振動以及相應的機械壽命。
安全性能方面：采用高壓互鎖，高壓互鎖分為內置式和外置式，因內置式布局緊湊體積小，電動汽車上均采用內置式，并通過VMS或BMS等控制器檢測高壓互鎖，要求高壓連接器分開后，帶電部分能夠在1S內降低到60Vd.c和30Va.c以下。才能保證人身安全。
展開 談談純電動汽車高壓電氣系統設計原理
根據整車設計的需求，任何電動汽車在動力主回路中都會配置高壓接觸器，如果高壓接觸器觸點發生閉合或斷開失效時，沒有相應的正確處理方式應對，將有可能引起不正常的控制而造成汽車不能正常啟動或不能啟動。嚴重的情況下，將會給汽車和人身安全造成危險。鑒于上述問題的嚴重性，應對高壓接觸器觸點狀態進行安全有效的實時監控，并對故障進行處理。當高壓接觸器觸點發生閉合或斷開失效故障時，高壓管理系統會發出聲光報警，以提示操作人員并根據故障的級別控制汽車是否可進行其他操作。
5）高壓互鎖回路檢測及故障處理
高壓回路互鎖功能設計是針對高壓電路連接的可靠程度提出的。危險電壓閉鎖回路也稱為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個典型的互鎖系統，通過使用電氣的信號，來檢查整個模塊、導線及連接器的電氣完整性 。當高壓安全管理系統檢測到某處連接斷開或某處連接沒有達到預期的可靠性時，安全管理系統將直接或通過整車控制器切斷相關動力電源的輸出并發出聲光報警,直到該故障完全排除。如圖 4 示出高壓互鎖回路檢測原理圖。
圖4 高壓互鎖電路檢測原理圖
6） 充電互鎖檢測及故障處理
出于安全考慮，充電時，整個驅動系統都需要處于斷電狀態，即驅動系統高壓接觸器需處于斷開狀態，當高壓安全管理系統接收到有效的充電信息指令后，高壓管理系統首先檢測驅動系統相關接觸器是否處于斷開狀態。若處于斷開狀態則閉合充電回路相關接觸器。否則，充電接觸器將不會閉合，高壓管理系統將發出聲光報警以提示相關人員，直至故障排除。
6、高壓系統余電放電保護設計
由于高壓系統的電機控制器和電動空調等高壓部件存在大量的電容。當高壓主回路斷開時，因高壓部件電容的存在，高壓系統中還存有很高的電壓和電能。為避免對人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統后應將電容的高壓電通過并聯在高壓系統中的電阻釋放掉。
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