新能源汽車高壓互鎖原理及故障診斷技術(shù)探究

柯裕偉

摘 要：隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，新能源汽車品質(zhì)和市場認可度全面提升，受到市場的高度歡迎。和傳統(tǒng)汽車相比較，新能源汽車具有高壓系統(tǒng)，對高壓部件安全運行、維護和修理帶來了嚴峻考驗。為確保新能源汽車高壓系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，高壓互鎖技術(shù)被廣泛應(yīng)用。本文對高壓互鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理進行概述，并以吉利帝豪EV300電動汽車為例，進一步說明了高壓互鎖的故障診斷思路和具體解決辦法。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 高壓互鎖 原理 故障診斷技術(shù)

1 引言

新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)上增加了高壓系統(tǒng)，高壓零部件包括動力電池、驅(qū)動電機、高壓配電箱（PDU）、電動壓縮機、車載充電機（OBC）、PTC加熱器等，互相之間通過高壓線束連接，組成了整車的高壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)動輒300V以上的工作電壓和上百安的工作電流對用電設(shè)備的安全運行及維修提出了更高的要求。為保障新能源汽車的安全穩(wěn)定運行，降低故障發(fā)生幾率，高壓互鎖系統(tǒng)作為新能源汽車電氣保護的一項重要措施，得到廣泛應(yīng)用。

2 高壓互鎖系統(tǒng)概述

2.1 高壓互鎖的定義

高壓互鎖（HVIL），是高壓互鎖回路（Hazardous Voltage InterlockLoop）的簡稱，也叫做危險電壓互鎖回路（High Voltage Interlock System and Control Strategy）。高壓互鎖是指使用低壓信號監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設(shè)計方法。對新能源汽車高壓系統(tǒng)直接監(jiān)測比較困難，所以通常是用低壓信號來檢測確認整車高壓系統(tǒng)回路電氣完整性，確保整車所有的高壓部件和線束插接件都安裝到位，無短路或斷路的情況;能夠識別回路的異常斷開，并及時斷開高壓，避免出現(xiàn)安全事故。

2.2 高壓互鎖設(shè)計的目的

高壓互鎖設(shè)計的目的是，指使用低壓信號來檢測確認整個高壓系統(tǒng)電氣的完整性，當回路斷開或者完整性受到破壞，就啟動安全措施。因此高壓互鎖設(shè)計是確保人員安全和車輛設(shè)備安全運行的關(guān)鍵措施。

2.3 高壓互鎖的作用

（1）在車輛上電之前，若檢測到電路不完整，則高壓系統(tǒng)無法上電，避免因為虛接等問題造成安全事故;如果車輛上電過程中發(fā)生故障，整車會立即下電，避免發(fā)生高壓觸電事故。（2）防止人為誤操作引發(fā)的安全事故。在高壓系統(tǒng)工作過程中，如果沒有高壓互鎖設(shè)計的存在，在手動斷開高壓連接點的瞬間，整個高壓回路電壓全部加在斷點兩端，產(chǎn)生拉弧，嚴重威脅人員和設(shè)備安全。（3）監(jiān)測高壓回路自動松動（會導(dǎo)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發(fā)送報警信息，啟動安全措施。

2.4 高壓互鎖回路組成與結(jié)構(gòu)

高壓互鎖回路由高壓互鎖連接器及高低壓導(dǎo)線、閉合的低壓電源信號回路、高壓互鎖監(jiān)測回路、整車控制器 VCU或電池管理系統(tǒng)BMS等監(jiān)測模塊及高壓繼電器組成。

高壓互鎖設(shè)計是在高壓線束接插件上，增加一組低壓回路用于檢測HVIL回路完整性。高壓互鎖結(jié)構(gòu)是在高壓接插件內(nèi)部，通過互鎖端子和高壓端子位置和長度的不同，實現(xiàn)連接時先連接高壓端子，再連接低壓端子;斷開時先斷開低壓端子，再斷開高壓端子。

2.5 高壓互鎖系統(tǒng)原理

高壓互鎖回路工作原理圖如圖1所示：只有當互鎖回路形成了一個完整的閉環(huán)，BMS認為車輛的高壓部件狀態(tài)正常，才會允許接通高壓電源。當回路遭到斷開，觸發(fā)HVIL的斷開信號，BMS將在毫秒級時間內(nèi)斷開高壓電，確保用戶安全。[1]

高壓互鎖信號回路有兩部分，一部分監(jiān)測高壓供電回路的完整性，另一部分檢測所有高壓部件保護蓋是否非法開啟。高壓互鎖監(jiān)測電路分為兩種形式：一種是把所有高壓部件的互鎖連接端子串聯(lián)起來組成一個完整監(jiān)測電路;另一種是每個高壓部件控制器負責監(jiān)測各自的互鎖信號，只有全部控制器接收到互鎖信號時，才被允許上高壓電。當前新能源汽車生產(chǎn)廠家眾多，所產(chǎn)車型種類繁雜，所以不同廠家開發(fā)的新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)也會有所不同。作為新能源汽車維修技術(shù)人員，只有不斷緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，掌握具體車型的控制邏輯和維修手冊等資料，才能維護和修理好新能源汽車。

高壓互鎖（HVIL）檢測電路，一般有兩種方案，直流源方案與PWM方案，如圖2所示。左圖為直流源方案簡圖，外部施加一個直流源在整個HVIL環(huán)路上面，通過檢測V1＼V2處的電壓，來診斷高壓連接器狀態(tài);右圖為PWM方案簡圖，引入了一個可控的開關(guān)，同樣還是檢測V1＼V2處的電壓，不過通過控制開關(guān)，可以得到兩組值，用來識別出更多的狀態(tài)。[2]吉利帝豪EV300電動汽車，其HVIL檢測電路設(shè)計采用的就是是PWM方案。

2.6 高壓互鎖系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

當前我國新能源汽車技術(shù)處在快速發(fā)展當中，很多技術(shù)還不夠成熟，還需要不斷的完善和創(chuàng)新。同樣高壓互鎖系統(tǒng)也有待完善和創(chuàng)新發(fā)展，進一步提升新能源汽車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢，自動化、智能化也必然是高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。隨著高壓互鎖系統(tǒng)內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的完善，新能源汽車的安全性、穩(wěn)定性全面提升，從而全面提升新能源汽車的整體性能，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

3 高壓互鎖的安全策略

高壓互鎖系統(tǒng)識別到車輛存在潛在風險時，整車控制器VCU會根據(jù)車輛的實時狀態(tài)，采取必要的安全策略：

（1）故障報警。通過儀表盤故障指示燈點亮或發(fā)出警告提示音等形式提醒駕駛員注意車輛的異常情況，以便及時處理，消除安全隱患。（2）切斷高壓電。車輛處在停止狀態(tài)，高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險情況時，除了發(fā)出故障報警外，還會完全切斷高壓電輸出，使車輛無法行駛，確保乘客安全。（3）降功率運行。當車輛處在行駛狀態(tài)時，高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險情況時，如果直接切斷高壓電輸出，有可能會產(chǎn)生嚴重的、可怕的后果。除了通過報警提示駕駛員外，同時應(yīng)強制降低車輛速度并保持較小負荷行駛，使駕駛員能夠安全靠邊停車，等待救援，最終徹底排除故障，消除安全隱患。[3]

4 高壓互鎖系統(tǒng)故障診斷與排除

4.1 高壓互鎖故障的現(xiàn)象

如果在汽車啟動前已經(jīng)發(fā)生高壓互鎖故障，車輛將無法上高壓電，車輛也就不能正常行駛;如果在汽車行駛過程中發(fā)生高壓互鎖故障，那么整車會根據(jù)安全控制策略，如發(fā)出報警信號，降低車輛運行功率，直接斷開高壓等安全措施，避免發(fā)生安全事故。

4.2 高壓互鎖故障的原因

電動汽車要想正常行駛，沒有電那是萬萬不行的，因為電動汽車在跑起來之前還要經(jīng)歷一個整車高壓系統(tǒng)上電過程。新能源汽車高壓互鎖回路完整，是整個高壓系統(tǒng)能夠上電的一個前提條件。如果高壓互鎖回路處在斷開狀態(tài)或完整性受到破壞不能正常接通，VCU會判定高壓互鎖系統(tǒng)出現(xiàn)故障，新能源汽車在故障沒有排除之前，不能上高壓電，也就不能正常行駛。

4.3 高壓互鎖故障的診斷

根據(jù)高壓互鎖的檢測原理，當車輛發(fā)生高壓互鎖故障時，VCU要根據(jù)故障情況采取安全策略，發(fā)出故障報警或直接對高壓系統(tǒng)進行安全斷電，確保在故障排除之前VCU不允許高壓電池包的相關(guān)繼電器吸合，車輛不能上高壓電，同時在高壓斷電前觸發(fā)對應(yīng)的診斷故障碼DTC。

由于涉及的高壓互鎖模塊眾多，環(huán)形線路較長，給故障診斷與排除帶來了種種困難，所以互鎖回路故障的檢測變得尤為關(guān)鍵，這樣可以大大提高故障診斷與排除的質(zhì)量和效率，確保新能源汽車的安全可靠運行。

對于高壓互鎖故障，我們首先要根據(jù)電路圖、維修手冊等技術(shù)資料，弄清楚高壓互鎖回路和各個組成部件的連接情況，然后檢查互鎖回路的導(dǎo)通情況，再檢查互鎖回路的電氣信號情況。

高壓互鎖系統(tǒng)故障，主要有高壓互鎖回路故障和監(jiān)控模塊故障，而高壓互鎖回路故障主要又包括短路、斷路、虛接等線路故障和元件故障。

作為車輛維修技術(shù)人員，可以根據(jù)HVIL檢測電路設(shè)計方案，首先對高壓互鎖回路進行故障診斷，可以利用故障診斷儀讀取相關(guān)故障碼，了解故障的具體信息，如：P0A0A11—VCU高壓互鎖斷開、P105763—準備充電過程中高壓互鎖檢測超時等，快速判定故障的大致范圍，然后再具體查找故障點直至排除故障。

下面以吉利帝豪EV300電動車型為例，說明互鎖回路的診斷方法。吉利帝豪EV300電動汽車高壓互鎖回路：其連接線路如圖3所示。

高壓互鎖回路中VCU發(fā)出的PWM信號從CA55/73發(fā)出，經(jīng)過插接器CA70/1、EP01/1后，從EP11/1進入PEU，在PEU上分別流經(jīng)了上蓋互鎖開關(guān)和高壓線束內(nèi)的互鎖端子，從EP11/4流出，然后從EP07/5流入電動壓縮機，然后又經(jīng)過插接器IP90/7、CA39/7后，從CA48/5流入PTC加熱器，再從CA48/7流出，最終由VCU的CA55/51檢測接收到的PWM信號。

高壓互鎖系統(tǒng)具有閉環(huán)特性，是一個閉合回路，所以故障無非就是開路與短路兩大類。下面針對線路斷路、插頭虛接故障、對地和對電源短路故障、VCU內(nèi)部故障、PTC加熱器故障等進行診斷與排除，具體如下：

4.3.1 線路斷路、插頭虛接故障

（1）首先進行基本檢查，確保所有的高壓部件和高壓線束都裝配到位和安裝牢固可靠，避免線路插頭漏接、虛接的現(xiàn)象發(fā)生。常見的故障現(xiàn)象有互鎖開關(guān)失效導(dǎo)致開路，端子退針導(dǎo)致開路，線束錯誤導(dǎo)致開路等。（2）然后測量低壓輔助蓄電池電壓，正常電壓為13V左右。（3）對于斷路或虛接故障，采用電阻測量法，判斷監(jiān)測回路的通斷情況。首先將點火開關(guān)置于OFF擋，斷開低壓輔助蓄電池負極，然后斷開VCU上CA55端子，測量CA55/51與CA55/73間電阻，小于1Ω為正常，若異常，則說明互鎖回路出現(xiàn)了斷路或虛接故障，分段檢測直至找到故障點，排除故障即可。[4]

4.3.2 短路故障

在接通電路的情況下，使用背插法，用萬用表測量信號電壓或用示波器讀取波形進行故障判斷。用萬用表測量CA55/51的對地電壓，正常應(yīng)該會在5V左右，或用示波器讀取波形，電壓為10V左右為正常。若異常，則可能存在信號短路故障，用隔離法進一步尋找故障點，然后排除故障。

4.3.3 VCU內(nèi)部故障

若線路一切正常，測量CA55/73又沒有對電源短路，那么故障就出現(xiàn)在VCU模塊本身，VCU無法發(fā)出和接收PWM信號，導(dǎo)致高壓互鎖失效，高壓無法上電。

4.3.4 PTC加熱器故障

PTC故障問題及其故障處理。純電動汽車PTC 制熱主要利用依靠電流通過半導(dǎo)體的熱敏電阻來進行生熱，從而為車內(nèi)的空調(diào)制熱。對于高壓互鎖系統(tǒng)中PTC故障問題而言，可以對PTC元件進行檢測，首先用萬用表電阻檔檢查熱敏保險絲電阻的電阻大小，其次檢查空調(diào)的轉(zhuǎn)換開關(guān)能否正常工作，最后檢查暖風加熱絲的加熱情況即可。

4.4 高壓互鎖故障診斷與排除舉例

4.4.1 故障現(xiàn)象

吉利帝豪EV300電動汽車，檔位置于P檔，踩住制動踏板，按啟動開關(guān)，系統(tǒng)故障指示燈點亮，車輛無法上電。

4.4.2 故障原因分析

利用故障診斷儀讀取與本故障相關(guān)的故障碼或信息。

VCU：

P0A0A11—— 整車控制器VCU 高壓互鎖斷開

P105763——準備充電過程中高壓互鎖檢測超時

記錄與本故障相關(guān)的主要數(shù)據(jù)流：

VCU：

車載充電機高壓互鎖：HVIL打開/錯誤

分析故障范圍：根據(jù)故障現(xiàn)象和故障碼提示信息，初步判斷是高壓互鎖故障，導(dǎo)致車輛無法上高壓電。

4.4.3 故障診斷過程

（1）測量EP11/1對地電壓值。

測量條件：打開點火開關(guān)

電壓實測值為：5V

電壓正常值為：4-6V

判斷：電壓正常

（2）測量EP11/4對地電壓值。

測量條件：打開點火開關(guān)

電壓實測值：10V

電壓正常值：4-6V

判斷：電壓異常

（3）測量EP11/1與EP11/4器件端電阻值。

測量條件：關(guān)閉點火開關(guān)

電阻實測值：無窮大

電阻正常值：<0.1Ω或0Ω

判斷：電阻值異常

查閱電路圖，確認故障點為：PEU內(nèi)部高壓互鎖開關(guān)故障。

故障機理分析：因為電機控制器PEU內(nèi)部高壓互鎖開關(guān)未安裝，導(dǎo)致高壓互鎖回路電氣完整性自檢失敗。因為高壓互鎖線路斷開，致使高壓不能上電。

4.5 故障排除

更換新的電機控制器，踩下制動踏板，按下點火開關(guān)，READY燈點亮，上路試車，行駛正常，故障排除。

5 結(jié)語

本文論述了新能源汽車高壓互鎖的組成、結(jié)構(gòu)、原理、安全策略和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，對高壓互鎖系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的故障問題進行歸納總結(jié)，并以吉利帝豪EV300電動汽車為例，進一步探究了高壓互鎖系統(tǒng)的故障診斷思路和檢修技術(shù)，對新能源汽車高壓互鎖故障的檢測與維修具有參考借鑒意義，助力新能源汽車更好更快發(fā)展。

參考文獻：

[1]單黎婷等.新能源汽車高壓線束高壓互鎖原理和應(yīng)用淺析.汽車電器，2019（02）：第8-10頁.

[2]佘翔，劉冬梅，何琰萍.新能源汽車高壓互鎖故障分析與排除.內(nèi)燃機與配件，2020（07）：第186-187頁.

[3]張仁峰，趙曉清.新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)原理及故障診斷.湖北農(nóng)機化，2019（16）：第69頁.