電動(dòng)汽車高壓互鎖研究

李高林，黃舞浩，鄒圣星，范 學(xué)

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)保問題日益突出，世界各國都逐漸將目光投向了環(huán)保和節(jié)能的電動(dòng)汽車。時(shí)至今日，電動(dòng)汽車已成為各大車企爭先奪取的高地，我司也成功推出了多款電動(dòng)汽車產(chǎn)品，并在國內(nèi)甚至世界保持領(lǐng)先水平。

相對于傳統(tǒng)汽車而言，電動(dòng)汽車的一個(gè)重要特點(diǎn)就是車內(nèi)裝有能保證足夠動(dòng)力性能的高壓系統(tǒng)，包括了充電系統(tǒng)、配電箱、儲(chǔ)能系統(tǒng) （動(dòng)力電池）、動(dòng)力系統(tǒng) （即驅(qū)動(dòng)電機(jī)）等高壓部件，如圖1所示。由此而存在的高壓電傷害隱患完全有別于傳統(tǒng)汽車，其高達(dá)300 V以上的電壓以及可能達(dá)到數(shù)十、甚至數(shù)百安培的電流隨時(shí)考驗(yàn)著車載高壓用電器的使用安全。因此，隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的不斷向前發(fā)展，對電動(dòng)汽車電安全的研究刻不容緩。電動(dòng)汽車高壓電安全措施有以下幾點(diǎn)。

1）在用戶正常操作時(shí)，通過絕緣防護(hù)、等電勢 （搭鐵電阻）、外殼IP防護(hù)、泄漏電流等措施提供電氣防護(hù)。

2）環(huán)境條件和可能發(fā)生的意外事件都可能使得這種保護(hù)的強(qiáng)度降低。因此，高壓系統(tǒng)配置了絕緣監(jiān)測功能，一般采用漏電傳感器對高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣監(jiān)控。

3）在車輛維修保養(yǎng)時(shí)，采用緊急維修開關(guān)進(jìn)行安全防護(hù)。

4）在異常使用時(shí) （例如碰撞、非正常操作斷開高壓連接器等），采用高壓互鎖、高壓泄放 （主動(dòng)放電、被動(dòng)放電）保障使用安全。

5）在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)能滿足電氣間隙、爬電距離等要求，并具備各類過壓、過流、短路防護(hù)功能。

以上為電動(dòng)汽車高壓電安全設(shè)計(jì)的保護(hù)措施，本文主要對高壓互鎖進(jìn)行介紹。

1 高壓互鎖的定義

在ISO國際標(biāo)準(zhǔn) 《ISO 6469-3：2001電動(dòng)汽車安全技術(shù)規(guī)范 第3部分：人員電氣傷害防護(hù)》中，規(guī)定車上的高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置，但并沒有詳細(xì)地定義高壓互鎖系統(tǒng)。高壓互鎖，也指危險(xiǎn)電壓互鎖回路 （HVIL-Hazardous Voltage Interlock Loop）：通過使用電氣小信號，來檢查整個(gè)高壓產(chǎn)品、導(dǎo)線、連接器及護(hù)蓋的電氣完整性 （連續(xù)性），識別回路異常斷開時(shí)，及時(shí)斷開高壓電。

高壓互鎖回路如圖2所示。當(dāng)整車發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞傳感器發(fā)出碰撞信號，觸發(fā)HVIL斷電信號，整車高壓源會(huì)在毫秒級時(shí)間內(nèi)自動(dòng)斷開，以保障用戶的安全，如圖3所示。

2 高壓互鎖的組成

2.1 互鎖信號回路

高壓互鎖信號回路包括兩部分，如圖2中黑線和虛線所示。

1）黑線部分用于監(jiān)測高壓供電回路的完整性，可以分為兩種形式：一種是與高壓電源線并聯(lián)，并在所有高壓連接器端與連接器監(jiān)測器連接，將所有的連接串接起來組成一個(gè)完整的回路 （圖4），可以利用高壓線上的屏蔽線組成信號回路的一部分，以使整個(gè)系統(tǒng)變得更簡單和可靠；另外一種形式為各個(gè)高壓部件控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測各自的HVIL信號，只有當(dāng)全部的控制器收到HVIL接通信號時(shí)，才允許接通高壓源，如圖5所示。

2）虛線部分用來監(jiān)測所有高壓部件保護(hù)蓋是否非法開啟，利用信號線將所有高壓器件上的監(jiān)測器全部串聯(lián)起來，組成另外一條監(jiān)測信號回路。

2.2 互鎖監(jiān)測器

監(jiān)測器分為兩類，一種用于監(jiān)測高壓連接器連接是否完好，另外一種用于監(jiān)測高壓部件的保護(hù)蓋是否開啟。

1）高壓連接器監(jiān)測器如圖6所示，圖6a為將監(jiān)測器設(shè)置在連接器上的一體式的設(shè)計(jì)，圖6b為通用的最新專利設(shè)計(jì)。

通用監(jiān)測器的設(shè)計(jì)是利用壓接方法在連接器自鎖結(jié)構(gòu)上增加電氣連接作為自鎖回路短接信號，這種設(shè)計(jì)既保證了連接器防水等級又能不增加冗余的空間，非常巧妙。圖7中白色方框區(qū)為某車型動(dòng)力電池動(dòng)力母線互鎖監(jiān)測器，在動(dòng)力母線拔出時(shí)，其也會(huì)隨之?dāng)嚅_，HVIL高壓互鎖回路就會(huì)觸發(fā)高壓斷電信號，保障用戶的操作安全。

2）高壓部件開蓋監(jiān)測器如圖8所示，結(jié)構(gòu)類似于連接器，一端安裝于高壓部件保護(hù)蓋上，另外一端安裝于高壓部件主體內(nèi)部，當(dāng)保護(hù)蓋開啟時(shí)連接器也斷開，HVIL信號中斷。通常需要設(shè)置監(jiān)測器的部件包括：①驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器；②DC-DC變換器；③高壓配電箱；④車載充電器；⑤空調(diào)驅(qū)動(dòng)器；⑥電池管理器。

2.3 自動(dòng)斷路器

自動(dòng)斷路器 （也稱正極、負(fù)極接觸器）為互鎖系統(tǒng)切斷高壓源的執(zhí)行部件，形式類似于繼電器，如圖9所示。在高壓互鎖系統(tǒng)識別到危險(xiǎn)情況時(shí)，能否正確斷開高壓源是非常關(guān)鍵的，所以自動(dòng)斷路器對高壓互鎖的作用影響相當(dāng)大，其如何設(shè)置需參照以下原則。

1）自動(dòng)斷路器需要盡可能地接近電池包 （高壓源），以減少在斷電時(shí)候繼續(xù)蓄能的電路。

2）自動(dòng)斷路器的初始狀態(tài)應(yīng)該是常開的狀態(tài)，需要控制器給予安全信號方能閉合，以避免高壓線路誤接通。

3）復(fù)位自動(dòng)斷路器應(yīng)要求操作者施加額外的信號，需其確認(rèn)當(dāng)前為已消除高壓危險(xiǎn)的情況方能復(fù)位。

4）自動(dòng)斷路器應(yīng)具有自診斷的能力，將其內(nèi)部的故障檢測出來并予以顯示，如果不能正常工作，則整車需要特殊處理 （停車或報(bào)警）。

5）自動(dòng)斷路器即使是在出現(xiàn)供電電壓過低的情況下也應(yīng)能操作。

6）自動(dòng)斷路器需要提供一個(gè)輸出信號，提前通知其他用電負(fù)載，使之能在斷電之前有提前響應(yīng)的時(shí)間。

7）行駛過程中等特殊情況不能強(qiáng)行斷開。

圖10為DC-DC供電原理圖，其中自動(dòng)斷路器建議設(shè)計(jì)在最靠近動(dòng)力電池包處，由此可以減少斷電時(shí)蓄能的電路，而且使用的是雙極同時(shí)斷開，可以使高壓互鎖起作用時(shí)高壓源徹底和各高壓部件隔離，能夠很好地保護(hù)使用者。斷路器也可以設(shè)置在電池包的正中央位置，通過切斷高壓源內(nèi)部的連接，起到整車徹底斷電的目的。

3 控制策略

高壓互鎖系統(tǒng)在識別到危險(xiǎn)時(shí)，整個(gè)控制器應(yīng)根據(jù)危險(xiǎn)時(shí)的行車狀態(tài)及故障危險(xiǎn)程度運(yùn)用合理的安全策略，這些策略包括以下幾點(diǎn)。

1）故障報(bào)警。無論電動(dòng)汽車在何種狀態(tài)，高壓互鎖系統(tǒng)在識別到危險(xiǎn)時(shí)，車輛應(yīng)該對危險(xiǎn)情況做出報(bào)警提示，需要儀表或指示器以聲或光報(bào)警的形式提醒駕駛員，讓駕駛員注意車輛的異常情況，以便及時(shí)處理，避免發(fā)生安全事故。

2）切斷高壓源。當(dāng)電動(dòng)汽車在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，高壓互鎖系統(tǒng)在識別嚴(yán)重危險(xiǎn)情況時(shí)，除了進(jìn)行故障報(bào)警，還應(yīng)通知系統(tǒng)控制器斷開自動(dòng)斷路器，使高壓源被徹底切斷，避免可能發(fā)生的高壓危險(xiǎn)，確保財(cái)產(chǎn)和人身安全。

3）降功率運(yùn)行。電動(dòng)汽車在高速行車過程中，高壓互鎖系統(tǒng)在識別到危險(xiǎn)情況時(shí)，不能馬上切斷高壓源，應(yīng)首先通過報(bào)警提示駕駛員，然后讓控制系統(tǒng)降低電機(jī)的運(yùn)行功率，使車輛速度降下來，以使整車高壓系統(tǒng)在負(fù)荷較小的情況下運(yùn)行，盡量降低發(fā)生高壓危險(xiǎn)的可能性，同時(shí)也允許駕駛員能夠?qū)④囕v停到安全地方。

［1］ISO 6469-3：2001電動(dòng)汽車 安全技術(shù)規(guī)范 第3部分：人員電氣傷害防護(hù)［S］.