純電動(dòng)汽車高壓互鎖方案設(shè)計(jì)

孫李璠，周莉博

（1.鄭州比克新能源汽車有限公司，河南鄭州 451400；2.河南藍(lán)海新能電動(dòng)汽車有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

純電動(dòng)汽車高壓互鎖方案設(shè)計(jì)

孫李璠1，周莉博2

（1.鄭州比克新能源汽車有限公司，河南鄭州 451400；2.河南藍(lán)海新能電動(dòng)汽車有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

首先介紹純電動(dòng)汽車高壓回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出高壓互鎖回路的定義，并用實(shí)例分析高壓互鎖回路的設(shè)計(jì)原則和各個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)的安全檢測(cè)回路提供借鑒。

純電動(dòng)汽車；高壓互鎖系統(tǒng)；高壓安全性

1 純電動(dòng)車高壓回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的對(duì)象是在傳統(tǒng)物流車型的基礎(chǔ)上改造而成的純電動(dòng)物流汽車（EV）。主要的變化是取消了發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、油箱；DC／DC、壓縮機(jī)和充電機(jī)放置在原發(fā)動(dòng)機(jī)的位置；電機(jī)和電機(jī)控制器后置；高壓動(dòng)力電池箱放置在后橋與原發(fā)動(dòng)機(jī)之間的位置，完全保留車身駕乘艙的空間。該款純電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)回路結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 EV車輛的高壓回路結(jié)構(gòu)示意圖

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出：與傳統(tǒng)車相比，該EV車輛新增電機(jī)、電機(jī)控制器、DC／DC、高壓動(dòng)力電池、高壓壓縮機(jī)等高壓用電或供電裝置。因此，該EV車輛的高壓安全防護(hù)系統(tǒng)的研究是非常重要的。

2 高壓互鎖的定義

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469-3—2011《電動(dòng)道路車輛·安全規(guī)范·第3部分：人身防電擊保護(hù)》中規(guī)定，電動(dòng)車輛上的高壓部件應(yīng)具備高壓互鎖裝置。高壓互鎖，也指高壓互鎖回路（High Voltage Inter-lock，簡(jiǎn)稱HVIL）；通過(guò)電器低壓信號(hào)，來(lái)檢查整個(gè)高壓系統(tǒng)回路的完整性及連續(xù)性，識(shí)別回路的異常斷開(kāi)，并及時(shí)斷開(kāi)高壓輸入端的控制電器件。

3 HVIL回路方案的設(shè)計(jì)原則

GB／T 18384.1—2015、GB／T 18384.2—2015、GB／T 18384.3—2015《電動(dòng)汽車安全要求》等相應(yīng)的法規(guī)要求：純電動(dòng)車高壓系統(tǒng)中的電器元件應(yīng)具絕緣防護(hù)性，可以通過(guò)絕緣、遮攔、外殼和金屬網(wǎng)板等一些防護(hù)裝置來(lái)防止直接接觸。防護(hù)裝置應(yīng)牢固可靠，并耐機(jī)械沖擊。防護(hù)裝置只能通過(guò)專業(yè)工具或維修鑰匙打開(kāi)或去掉而進(jìn)行相應(yīng)的維修、維護(hù)。而高壓連接器非人為自行斷開(kāi)都不應(yīng)導(dǎo)致車輛產(chǎn)生危險(xiǎn)。

因此，設(shè)計(jì)回路應(yīng)滿足以下原則：①HVIL回路必須能夠有效、實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)整個(gè)高壓回路的通／斷情況；②所有高壓連接器應(yīng)具備機(jī)械互鎖裝置，并且只有HVIL回路先行斷開(kāi)以后才能接通連接器；③所有高壓連接器在非人為的情況下，不能被接通或斷開(kāi)；④HVIL回路應(yīng)具備在某種特殊情況下，可以直接通過(guò)BMS檢測(cè)HVIL回路，直接斷開(kāi)高壓回路；⑤無(wú)論電動(dòng)汽車在任何狀態(tài)，HVIL在識(shí)別到危險(xiǎn)時(shí)，車輛必須對(duì)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。

4 HVIL回路不同方案的設(shè)計(jì)分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)回路應(yīng)滿足的原則，設(shè)計(jì)2種控制方案，進(jìn)行對(duì)比后選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4.1設(shè)計(jì)方案I

4.1.1方案I工作原理

設(shè)計(jì)方案I的原理如圖2所示。圖2中粗實(shí)線表示檢測(cè)回路中的12V低壓電源線回路，虛線表示的是HVIL監(jiān)控回路。高壓用電器（包括DC／DC、壓縮機(jī)、PTC）的HVIL監(jiān)控回路通過(guò)VCU控制；VCU的控制引腳直接與繼電器的低壓控制端相連。電池箱內(nèi)部的3個(gè)高壓繼電器（總正繼電器、總負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器）低壓控制輸出端通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)1直接搭鐵（檢測(cè)點(diǎn)1監(jiān)控緊急斷電電路的工作情況）。電機(jī)及MCU高壓的HVIL控制回路直接接至低壓繼電器2的控制線圈，另一端直接搭鐵；將BMS的電源接至低壓繼電器2的電壓輸出端，電壓輸入端接至B+（12V）。

圖2 HVIL監(jiān)控回路方案I

具體工作原理如下：當(dāng)遇到緊急斷電的工作情況時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)1把檢測(cè)結(jié)果直接發(fā)至BMS，BMS直接斷開(kāi)3個(gè)高壓繼電器。當(dāng)電機(jī)和MCU航插連接完好時(shí)，低壓繼電器2線圈接通開(kāi)關(guān)，BMS有常電12 V后正常工作；當(dāng)電機(jī)和MCU航插未連接完好時(shí)，通過(guò)控制低壓繼電器2的線圈來(lái)斷開(kāi)BMS電源，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)斷電功能或通過(guò)VCU間接控制BMS實(shí)現(xiàn)斷電。DC／DC、壓縮機(jī)、PTC3個(gè)高壓用電器分別通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)3、4、5來(lái)檢測(cè)各自高壓連接器的連接情況，并發(fā)送至VCU，若有連接器連接不完好，通過(guò)VCU檢測(cè)結(jié)果而使BMS控制相應(yīng)的高壓繼電器動(dòng)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電情況并分別在儀表上顯示出來(lái)。

4.1.2方案I的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①電機(jī)及MCU母線航插連接情況直接決定BMS的工作與否；②DC／DC、壓縮機(jī)、PTC高壓連接器連接情況分別通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋給VCU，VCU根據(jù)反饋情況分別對(duì)相應(yīng)的繼電器做出動(dòng)作；③DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者的連接器連接情況互不影響；④電機(jī)系統(tǒng)、DC／DC、壓縮機(jī)、PTC都分別通過(guò)VCU將故障通過(guò)儀表顯示出來(lái)；⑤對(duì)后期維修帶來(lái)方便。

缺點(diǎn)：①增加低壓繼電器控制BMS的電源，帶來(lái)線束設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及線束總質(zhì)量的增加；②HVIL檢測(cè)回路中各個(gè)回路均通過(guò)VCU檢測(cè)控制，占用過(guò)多的VCU引腳；③分別顯示故障，對(duì)于儀表而言顯示功能過(guò)多而凌亂，并且增加成本；④若低壓繼電器2發(fā)生粘連，VCU則只能通過(guò)BMS間接斷開(kāi)電器，無(wú)法直接斷開(kāi)高壓回路。

4.2設(shè)計(jì)方案II

4.2.1設(shè)計(jì)方案II工作原理

設(shè)計(jì)方案II的原理如圖3所示。圖3中粗實(shí)線表示12V電源線，細(xì)虛線表示的是HVIL監(jiān)控回路。相比設(shè)計(jì)方案I來(lái)說(shuō)，電機(jī)及MCU連接器的連接情況；DC／DC、壓縮機(jī)、PTC連接器的連接情況都是通過(guò)VCU來(lái)檢測(cè)并反饋。

圖3 HVIL監(jiān)控回路方案II

具體工作原理如下：當(dāng)遇到緊急斷電的工作情況時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)1把檢測(cè)結(jié)果直接發(fā)至BMS，BMS直接斷開(kāi)3個(gè)高壓繼電器；電機(jī)及MCU通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)2檢測(cè)高壓連接器的連接情況，并發(fā)送至VCU。若有連接器連接不完好，VCU檢測(cè)結(jié)果控制BMS，使BMS控制3個(gè)高壓繼電器動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電，并在儀表處顯示動(dòng)力系統(tǒng)連接器故障。通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)3檢測(cè)DC／DC、壓縮機(jī)、PTC3個(gè)高壓連接器串聯(lián)后的連接情況，并發(fā)送至VCU。若有連接器連接不完好，VCU檢測(cè)結(jié)果控制BMS，使BMS控制相應(yīng)的高壓繼電器動(dòng)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電并在儀表處顯示附件高壓連接器故障。

4.2.2方案II的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①電機(jī)及MCU母線航插連接情況通過(guò)VCU的檢測(cè)結(jié)果控制BMS的工作與否，并可在儀表處顯示動(dòng)力系統(tǒng)連接器故障；②DC／DC、壓縮機(jī)、PTC高壓連接器連接情況通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋給VCU，VCU只需判斷是否為附件高壓連接器故障；③DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者HVIL互鎖回路通過(guò)串聯(lián)接至VCU，減少VCU引腳的使用；④電動(dòng)汽車在高速行車過(guò)程中，HVIL回路檢測(cè)到高壓危險(xiǎn)時(shí)，首先通過(guò)報(bào)警提示駕駛員，并通過(guò)VCU控制實(shí)行降功率運(yùn)行；⑤售后通過(guò)儀表可以根據(jù)所報(bào)故障進(jìn)行針對(duì)性的處理。

缺點(diǎn)：①無(wú)法直觀地看出DC／DC、壓縮機(jī)、PTC三者哪一個(gè)連接器連接松動(dòng)從而導(dǎo)致報(bào)出附件高壓連接器故障；②除了緊急斷電的工作情況以外，HVIL監(jiān)控回路是通過(guò)VCU檢測(cè)并控制BMS間接實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)相應(yīng)的高壓繼電器。

4.3對(duì)比分析

綜合以上2種設(shè)計(jì)方案，得出如下結(jié)論：方案II針對(duì)故障的排查相對(duì)直接，可以減少維修成本；占用VCU引腳相對(duì)較少；針對(duì)線束的更改相對(duì)較少；可以通過(guò)VCU控制實(shí)現(xiàn)車輛在有高壓危險(xiǎn)情況時(shí)，減低電機(jī)的運(yùn)行功率，使車輛速度降下來(lái)，從而讓駕駛員將車輛停到安全地方。結(jié)合我司現(xiàn)有車型實(shí)際情況，選用設(shè)計(jì)方案II進(jìn)行后期的品質(zhì)提升。

在HVIL回路的設(shè)計(jì)方案中，VCU通過(guò)低電壓控制HVIL回路的接通。即VCU拉低低壓繼電器1的控制線圈使繼電器吸合，12 V電源通過(guò)HVIL回路達(dá)到VCU，當(dāng)檢測(cè)引腳檢測(cè)不到HVIL回路中的12V后，通過(guò)VCU向BMS發(fā)送斷開(kāi)相應(yīng)連接器回路中所涉及到的高壓繼電器的線圈控制端，從而達(dá)到切斷高壓回路的目的。

5 結(jié)論

本文針對(duì)我司現(xiàn)有純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，按照GB／T18384的要求，設(shè)計(jì)了適用于我司車輛的HVIL回路。針對(duì)2種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，選擇相對(duì)適合我司車輛的HVIL檢測(cè)回路。

［1］ISO 6469-3—2011，電動(dòng)道路車輛·安全規(guī)范·第3部分：人身防電擊保護(hù)［S］．

［2］GB／T 18384.1—2015，電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載儲(chǔ)能裝置［S］．

［3］GB／T 18384.2—2015，電動(dòng)汽車安全要求第2部分：操作安全和故障防護(hù)［S］．

［4］GB／T 18384.3—2015，電動(dòng)汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)［S］．

（編輯 心翔）

Electric Vehicle High Voltage Interlock Design

SUN Li-fan1，ZHOU Li-bo2
（1.Zhengzhou Bak New Energy Automobile Co.，Ltd.，Zhengzhou 451400；2.Henan LandHigh New Energy Electric Automobile Co.，Ltd.，Xinxiang 453000，China）

This article first introduces structure characteristics of high voltage circuit，and proposes the definition of high voltage interlock（HVIL）.Practical examples are used to analyze the HVIL design principals as well as pros &cons of different design schemes，which provides valuable reference for safety testing circuit on pure-electrical vehicle high voltage system.

pure-electric vehicles；high voltage interlock；high voltage safety

U469.72

：A

1003－8639（2016）12－0004－03

2016-04-24

孫李璠（1991-），男，河南新鄉(xiāng)人，從事純電動(dòng)汽車高壓線束設(shè)計(jì)工作。