新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)原理及檢修*

校金龍

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

新能源汽車包括純電動汽車和（油電）混合動力汽車等。新能源汽車搭載的動力電池電壓遠(yuǎn)高于人體的安全電壓，因此高壓安全是貫穿新能源汽車全生命周期的一大課題。高壓互鎖又被稱為危險電壓互鎖回路[1-4]，是利用低壓電源通過控制器發(fā)出和接收相應(yīng)信號來判斷被監(jiān)測高壓回路是否安全有效連接及車輛高壓系統(tǒng)是否有安全隱患以提高新能源汽車高壓安全的一種低壓電路系統(tǒng)。高壓互鎖系統(tǒng)在新能源汽車中起著舉足輕重的作用。隨著新能源汽車市場保有量的逐漸增大，汽車后市場從業(yè)人員數(shù)量增加，專業(yè)知識有待提高，掌握高壓互鎖系統(tǒng)的工作原理及檢修方法無論是出于安全角度還是出于服務(wù)質(zhì)量角度都是非常有必要的[5]。

1 高壓互鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 高壓互鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

高壓互鎖系統(tǒng)由高壓電池、高壓線束、空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、DCDC、高壓配電單元、電機(jī)、互鎖信號發(fā)射單元、互鎖信號接收單元、互鎖線路等組成。不同品牌、不同型號的新能源汽車由于整車設(shè)計不同，系統(tǒng)集成度不同，功能要求不同等原因，其高壓互鎖系統(tǒng)的連線方式及結(jié)構(gòu)也略有不同。每個高壓互鎖系統(tǒng)都有一個主控模塊，負(fù)責(zé)信號發(fā)射和回收、高壓互鎖回路功能完整性判斷以及應(yīng)對策略實施。如圖1所示，高壓互鎖系統(tǒng)的檢測電路一般有環(huán)形連接和星形連接兩種基本方式，目前采用最多的是環(huán)形連接方式。

圖1 高壓互鎖系統(tǒng)的檢測電路

1.2 高壓互鎖系統(tǒng)的原理

在物理結(jié)構(gòu)上，監(jiān)測同一高壓模塊的兩根導(dǎo)線均連接于該模塊的同一低壓插接件處，然后通過內(nèi)部電路連接至高壓插接件。如果高壓插接件連接不完整、有松動、損壞等，均有可能導(dǎo)致高壓互鎖回路異常，從而無法完成車輛上電操作，車輛將上報故障代碼，儀表亮起相應(yīng)故障燈。在有維修端蓋的高壓模塊中，維修端蓋處安裝有接入互鎖監(jiān)測回路的觸點開關(guān)。端蓋打開時開關(guān)斷開，互鎖回路斷開，禁止高壓繼電器閉合，從而達(dá)到保護(hù)維修人員安全的目的。一些車型會將碰撞開關(guān)接入互鎖回路，在車輛發(fā)生劇烈碰撞時，斷開回路，斷開高壓繼電器，保護(hù)駕乘人員安全。早期的碰撞開關(guān)為慣性開關(guān)，現(xiàn)多將安全氣囊碰撞傳感器的信號作為高壓互鎖系統(tǒng)故障的因素之一。

高壓互鎖的信號為電壓信號，其形式有12 V電平信號、5 V電平信號、方波信號等，目前應(yīng)用最廣泛的為12 V方波信號。互鎖信號從控制器發(fā)出，沿互鎖線路，依次通過各高壓模塊的高壓接插件、維修端蓋觸點開關(guān)、碰撞開關(guān)，然后返回至控制器?？刂破鲗Ρ劝l(fā)出信號與接收信號，判斷所監(jiān)測高壓線路及車輛的完整情況。

2 高壓互鎖系統(tǒng)案例

2.1 榮威Ei5高壓互鎖系統(tǒng)

上汽榮威Ei5新能源汽車的高壓互鎖回路原理如圖2所示，其主控模塊為高壓電池包內(nèi)的電池管理系統(tǒng)。榮威Ei5的高壓互鎖回路有三條，回路A和回路B的信號為12 V方波信號，回路C的信號為12 V信號。以回路A為例，方波信號從高壓電池包的BY123/9管腳發(fā)出，通過FA184/1和FA184/2管腳將高壓電加熱器接入互鎖回路，通過EB189/6和EB189/7管腳將電空調(diào)壓縮機(jī)接入互鎖回路，通過EB076/53和EB076/56管腳將電力電子箱接入互鎖回路，通過EB199/8和EB199/7管腳將電驅(qū)動變速器接入互鎖回路，通過EB184/1和EB184/2管腳將高壓配電單元接入互鎖回路，通過EB177/7和EB177/8管腳將高壓DCDC接入互鎖回路，最后經(jīng)過BY123/6管腳返回至高壓電池包，形成完整回路，實現(xiàn)對高壓系統(tǒng)的監(jiān)測。

圖2 榮威Ei5高壓互鎖系統(tǒng)

2.2 榮威e550高壓互鎖系統(tǒng)

榮威e550混合動力汽車的高壓互鎖回路原理如圖3所示。榮威e550的高壓互鎖回路與Ei5類似，同樣有三條，回路A和回路B的信號為12 V方波信號，回路C的信號為12 V信號。不同的是，e550互鎖回路C中接入了慣性開關(guān)。當(dāng)車輛碰撞時的加速度大于一定值時，慣性開關(guān)斷開，高壓電池包的BY088/8管腳電壓由12 V變?yōu)? V，高壓電池包中的BMS單元認(rèn)為互鎖故障，斷開高壓繼電器，停止對外供電，保護(hù)駕乘人員免受高壓傷害。榮威e550為雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，ISG電機(jī)用于啟動和發(fā)電，TM電機(jī)用于驅(qū)動，兩個電機(jī)的高壓線束均接入高壓互鎖回路。

圖3 榮威e550高壓互鎖系統(tǒng)

2.3 吉利EV450高壓互鎖系統(tǒng)

吉利EV450新能源車的高壓互鎖回路如圖4所示，為環(huán)形回路。方波信號從整車控制器CA67/76管腳發(fā)出，依次經(jīng)過電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、PTC加熱控制器，形成閉合回路，整車控制器為主控模塊。同時，整車控制器與氣囊傳感器通信，監(jiān)控車輛的碰撞情況。正常狀態(tài)下，回路的信號為12 V方波信號。如果高壓互鎖回路異常，整車控制器將執(zhí)行相應(yīng)控制策略，通過一系列動作實現(xiàn)整車安全下電。需要指出，車輛在不同工況下的下電控制策略不同[6-7]。

圖4 吉利EV450高壓互鎖系統(tǒng)

3 高壓互鎖系統(tǒng)診斷檢修

高壓互鎖故障導(dǎo)致的車輛無法上電現(xiàn)象較普遍，原因較難排查，下面以2018款吉利EV450新能源汽車為例說明高壓互鎖故障的診斷與檢修方法。

3.1 故障現(xiàn)象

車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，對車輛進(jìn)行正常上電操作。點火后，發(fā)現(xiàn)車輛儀表能夠正常點亮，“ready”指示燈不亮，蓄電池故障指示燈、整車故障指示燈、駐車制動指示燈等點亮。車輛驅(qū)動模式“ECO”指示燈正常點亮，聽不到高壓繼電器動作聲音，檔位無法切換至D或R檔。故障車輛儀表顯示如圖5所示。

圖5 吉利EV450高壓互鎖故障儀表顯示

3.2 故障分析

結(jié)合車輛上電流程，對車輛故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。踩下制動踏板，打開點火開關(guān)，各控制系統(tǒng)會先進(jìn)行喚醒，然后進(jìn)行自檢，自檢無誤后BMS控制主正、主負(fù)、預(yù)充繼電器按一定的次序閉合。繼電器動作時，會聽到“噠噠”聲。高壓上電后，DCDC開始工作，鉛酸蓄電池故障指示燈熄滅。據(jù)此分析，上電流程在高壓繼電器閉合節(jié)點處無法繼續(xù)進(jìn)行。車輛儀表上只有整車故障燈和蓄電池故障指示燈點亮，因此判斷極有可能是整車控制器自檢不通過導(dǎo)致的低壓上電無法完成，從而無法完成整車上電。

踩下制動踏板，打開點火開關(guān)，將解碼儀連接OBD口，訪問整車控制器。清除歷史故障碼后，重新讀取故障碼。如圖6所示，故障碼顯示為P1C4096，含義為高壓互鎖故障，1C8E04為未定義故障碼。

圖6 吉利EV450高壓互鎖故障代碼

據(jù)故障碼分析結(jié)果，高壓互鎖回路故障的原因可能有高壓插接件松脫、觸點開關(guān)損壞等導(dǎo)致的互鎖回路開路，高壓互鎖回路本身線路故障，參與高壓互鎖回路的模塊故障，觸點開關(guān)故障等。

3.3 故障診斷與處理

故障診斷一般遵循由易到難的原則。在做好高壓防護(hù)的前提下對高壓插接件進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)脫落和松動現(xiàn)象。打開點火開關(guān)，使車輛處于ON檔狀態(tài)，采用示波器測量CA66/76管腳。正常情況下應(yīng)能夠測得幅值為12 V，占空比為50%的方波，如圖7a所示。實際測得幅值為3 V，占空比為50%的方波，如圖7b所示。若互鎖回路對電源短路或?qū)Φ囟搪?，測得波形應(yīng)為12 V或0 V的直線。若互鎖回路虛接，在虛接點前應(yīng)測得基值為0 V，幅值約為8 V的方波，如圖7c所示；在虛節(jié)點后應(yīng)測得基值約為3 V，幅值約為6 V的方波，如圖7d所示。據(jù)此判斷互鎖回路開路。

圖7 高壓互鎖故障波形

可以繼續(xù)采用示波器排查故障點的位置，也可采用萬用表排查。此處課題組采用萬用表對故障點排查進(jìn)行進(jìn)一步的說明。將車輛下電，5 min后斷開蓄電池負(fù)極，進(jìn)行絕緣包裹。斷開整車控制器的CA66和CA67插接件，用萬用表測量CA66/58和CA67/76管腳的電阻，阻值為12.5 kΩ（正常值小于2 Ω[8]），確認(rèn)為互鎖回路開路故障。為提高診斷效率，采用“二分法”[9]進(jìn)行診斷，最終確定開路位置。

對于高壓互鎖回路開路故障點的診斷也可采用“短接法”[10]。即將回路中的某一模塊或某一部件短接，然后在上電狀態(tài)下測量CA66/58和CA67/76管腳的電阻。若將某一段短接時，測量阻值接近于0 Ω，則判斷被短接處出現(xiàn)開路故障。對于短路和虛接故障，也可采用類似方法進(jìn)行故障點診斷。

3.4 故障恢復(fù)

確定故障點后，對故障點進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后對車輛進(jìn)行上電，車輛能夠正常上電，儀表上無故障指示燈亮，掛檔能夠正常行駛。

4 結(jié)束語

本文介紹了新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)介紹了榮威Ei5電動汽車、榮威e550混合動力汽車和吉利EV450電動汽車的高壓互鎖回路的結(jié)構(gòu)與特點。并以吉利EV450為例，闡明了高壓互鎖系統(tǒng)檢修的方法與流程，為售后維修人員提供了新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)故障的維修解決方案。在一定程度上解決了新能源汽車維修難的問題，有利于促進(jìn)新能源汽車的推廣與普及。