電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖電路及故障檢測方法

【摘 要】文章設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖狀態(tài)檢測電路，通過兩路低壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對高壓器件連接狀態(tài)的有效檢測?；谠撾娐?，提出一種高壓互鎖故障檢測方法，設(shè)計(jì)高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)，通過該參數(shù)表征電磁干擾對高壓互鎖信號(hào)的影響程度，并利用該參數(shù)實(shí)現(xiàn)高壓互鎖故障閾值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以此避免由于車輛環(huán)境中非預(yù)期電磁干擾而導(dǎo)致高壓互鎖故障的誤報(bào)問題。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;高壓連接器;互鎖電路;故障檢測

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0102-03

Interlocking Circuit and Fault Detection Method for High Voltage Connectors of Electric Vehicles*

【Abstract】The article designs a high-voltage connector interlock state detection circuit for electric vehicles，which achieves effective detection of the high-voltage device connection state through two low-voltage signals. Based on this circuit，a method for detecting high-voltage interlock faults is proposed. The high-voltage interlock signal fluctuation parameters are designed，which represent the degree of electromagnetic interference on the high-voltage interlock signal. The high-voltage interlock fault threshold is adjusted adaptively based on these parameters to avoid the problem of false reporting of high-voltage interlock faults due to unexpected electromagnetic interference in the vehicle environment.

【Key words】electric vehicles;high voltage connectors;interlocking circuit;fault detection

0 引言

與傳統(tǒng)燃油車不同，電動(dòng)汽車行駛過程中所有的能量來源于高壓動(dòng)力電池，車輛中大量零部件采用高壓電池供電，如電機(jī)控制器、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、直流/直流電壓轉(zhuǎn)換器和電輔助加熱裝置等。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，民眾對車輛動(dòng)力性能的要求越來越高，如更好的加速性能、更高的最高速度等，在以上因素促使下，純電動(dòng)汽車高壓動(dòng)力電池輸出電壓呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢，目前部分電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出的直流電壓已經(jīng)超過700V。相較于交流電，高壓直流電更具有危險(xiǎn)性，當(dāng)發(fā)生觸電事故時(shí)高壓直流電對人身具有更大的傷害。基于以上背景，電動(dòng)汽車的高壓安全成為各車輛生產(chǎn)廠家及科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[1-3]。

車輛在設(shè)計(jì)之初考慮了絕緣問題，能夠防范正常狀態(tài)下觸電事故的發(fā)生，但在一些非常規(guī)狀態(tài)下會(huì)有絕緣失效情況的發(fā)生，如事故引起的高壓線束破損、維修人員違規(guī)插拔高壓插件、高壓接插件松脫等，此時(shí)由于內(nèi)部高壓環(huán)境與外界環(huán)境相連通，失去絕緣隔離，將使車輛及車上人員暴露在危險(xiǎn)的高壓環(huán)境中。電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖功能通過連接器反饋的低壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓器件連接狀態(tài)的檢測，針對高壓暴露風(fēng)險(xiǎn)，中國純電動(dòng)汽車國家標(biāo)準(zhǔn)以及地方標(biāo)準(zhǔn)均要求針對高壓互鎖故障進(jìn)行檢測?？紤]到純電動(dòng)汽車內(nèi)部具有大量的高低壓零部件，其內(nèi)部電磁干擾情況非常復(fù)雜，在一些極端及異常狀態(tài)下，如零部件故障、零部件異常工作狀態(tài)、零部件屏蔽層老化破損等，用于檢測高壓互鎖故障的信號(hào)會(huì)受到干擾，從而增大故障的誤報(bào)幾率?？紤]到高壓互鎖故障屬于嚴(yán)重影響人身安全的故障，目前業(yè)內(nèi)大多采用嚴(yán)苛的故障處理方法，如整車下高壓或切斷動(dòng)力輸出等，因此需要避免由于電磁干擾這種非真實(shí)因素所造成的故障誤報(bào)。

關(guān)于電動(dòng)汽車高壓互鎖技術(shù)業(yè)內(nèi)已有較多的研究成果[4-8]，但均未針對電動(dòng)汽車所處的強(qiáng)電磁干擾工作環(huán)境進(jìn)行深入探索。本文設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖狀態(tài)檢測電路，通過兩路低壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對高壓器件連接狀態(tài)的有效檢測，在此基礎(chǔ)上提出一種高壓互鎖故障檢測方法，滿足電動(dòng)汽車在強(qiáng)電磁干擾工作環(huán)境下對高壓連接器互鎖故障的檢測需求。

1 高壓連接器互鎖檢測電路原理

圖1虛線框內(nèi)為高壓互鎖插件示意圖，其中A-B段為銅導(dǎo)線，該導(dǎo)線位于高壓互鎖接插件中，A′與B′右側(cè)的部分為本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖檢測電路。該電路中，電感L1、電阻R3與電容C2為A′通道RCL低通濾波電路，電感L2、電阻R4與電容C3為B′通道RCL低通濾波電路，以上電路實(shí)現(xiàn)了對A′與B′端口信號(hào)的硬件濾波處理，確保AD0與AD1采集端口的信號(hào)穩(wěn)定。該電路中VCC為電路的低壓供電電源（VCC為5V），GND為電源地，電容C1起到隔離穩(wěn)壓的作用，二極管D1、D2、D3、D4的作用為防止A′、B′端的非預(yù)期電壓對AD0與AD1這兩個(gè)A/D采集端口造成沖擊，其中AD0與AD1端口的電壓值由電動(dòng)汽車內(nèi)部控制器進(jìn)行A/D采樣。

圖2為高壓連接器互鎖接插件剖面圖，對應(yīng)圖1中虛線框內(nèi)部分。圖2為接插件的斷開狀態(tài)，當(dāng)接插件插緊后，插件中的高壓線纜1、2連接導(dǎo)通，同時(shí)低壓信號(hào)觸點(diǎn)A-A′、B-B′連接形成回路。根據(jù)該示意圖，高壓連接器由插緊狀態(tài)到斷開狀態(tài)變換過程中，在高壓接插件完全脫落前，低壓接插件能夠提前斷開并觸發(fā)故障，從而提高系統(tǒng)的安全性，即在高壓接插件未斷開前先檢測到高壓互鎖故障，并通過故障機(jī)制對車輛及人員安全提供保障。

當(dāng)高壓連接器為連接狀態(tài)時(shí)，根據(jù)圖1所示電路電容C1處于短路狀態(tài)，這種狀態(tài)下AD0與AD1端口的電壓相等，均為VCC/2;當(dāng)高壓連接器為斷開狀態(tài)，在R1上拉電阻的作用下，AD0端口的電壓為電源電壓VCC。同理，在下拉電阻R2的作用下，AD1端口的電壓為電源地。通過AD0與AD1兩路低壓信號(hào)便能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓連接器互鎖狀態(tài)的檢測。

2 高壓互鎖故障檢測實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在圖1基礎(chǔ)上，提出一種高壓互鎖故障檢測方法，來滿足電動(dòng)汽車在強(qiáng)電磁干擾工作環(huán)境下對高壓連接器互鎖故障的檢測需求。該方法的高壓互鎖故障檢測實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖3所示。

1）對利用高壓互鎖電路采集到的兩路高壓互鎖信號(hào)進(jìn)行二階低通濾波處理。

2）在低通濾波基礎(chǔ)上采用卡爾曼濾波繼續(xù)對兩路高壓互鎖信號(hào)進(jìn)行濾波，以此提高采集信號(hào)的可信度。

3）利用濾波后的兩路高壓互鎖信號(hào)進(jìn)行高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)的計(jì)算。

4）根據(jù)高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)確定故障檢測的電壓閾值和持續(xù)時(shí)間閾值，實(shí)現(xiàn)故障閾值根據(jù)電磁干擾強(qiáng)度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到在高壓互鎖故障檢測中避免誤報(bào)的目的。

5）利用4）確定的故障電壓閾值和故障持續(xù)時(shí)間閾值進(jìn)行高壓互鎖故障的判斷。

2.1 高壓互鎖信號(hào)二階低通濾波

根據(jù)圖2，首先對兩路低壓互鎖信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，避免由于電磁干擾引起故障誤報(bào)。由于高壓接插件虛接或線路虛接所引起的互鎖信號(hào)波動(dòng)屬于低頻擾動(dòng)，其與車輛的振動(dòng)頻率有關(guān)，但總而言之仍屬于低頻范疇，本文采用低通濾波方式能夠有效地將此頻段的有效信號(hào)予以保留，使由于高壓接插件或線路虛接所引起的真實(shí)故障能夠被有效地檢測出。

定義從圖1中AD0與AD1兩個(gè)采集端得到的原始高壓互鎖信號(hào)分別為UAD0與UAD1。以UAD0信號(hào)為例，對二階低通濾波處理方法進(jìn)行說明。

式（1）為二階低通濾波離散型表達(dá)式。

ULow-0（n）=fAD（n）-fAD（n-2）（1）

式中：ULow-0（n）——當(dāng)前控制周期低通濾波后AD0端口高壓互鎖電壓;fAD——中間變量，其表達(dá)式如下。

fAD（n）=KAUAD0（n）-KB fAD（n-1）-KC fAD（n-2）（2）

式中：UAD0（n）——本控制周期采集的AD0端口高壓互鎖原始電壓信號(hào);KA、KB與KC——濾波系數(shù)，這3個(gè)系數(shù)用于調(diào)節(jié)低通濾波截止頻率等參數(shù)。

2.2 高壓互鎖信號(hào)卡爾曼濾波

考慮到由于圖1中基準(zhǔn)電壓VCC、電容、電阻等元器件精度的影響，會(huì)導(dǎo)致采集到的高壓互鎖信號(hào)與真實(shí)值之間存在一定的誤差，為保證所獲得的高壓互鎖信號(hào)真實(shí)性，本文引入卡爾曼濾波。通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，對經(jīng)低通濾波后得到的高壓互鎖信號(hào)再次進(jìn)行濾波。

以AD0端口高壓互鎖信號(hào)為例，介紹卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)過程。針對經(jīng)低通濾波后的AD0端口高壓互鎖信號(hào)ULow-0建立系統(tǒng)的狀態(tài)和觀測方程。式（3）為系統(tǒng)狀態(tài)方程，式（4）為系統(tǒng)觀測方程。

UK0（n）=UK0（n-1）+W（n-1）（3）

ULow-0（n）=UK0（n）+V（n）（4）

式中：UK0（n）——經(jīng)卡爾曼濾波處理后得到的AD0端口高壓互鎖電壓信號(hào);W——方差為Q的過程噪聲;V——觀測噪聲，其方差為R。

針對該系統(tǒng)，卡爾曼濾波利用第n-1個(gè)控制周期的高壓互鎖電壓信號(hào)預(yù)測第n個(gè)控制周期實(shí)際的高壓互鎖電壓信號(hào)。定義該系統(tǒng)的預(yù)計(jì)偏差為P（n|n-1），其表達(dá)式為：

P（n|n-1）=P（n-1）+Q（5）

式中：P（n|n-1）——第n-1個(gè)控制周期的偏差。

根據(jù)式（5）可以得到卡爾曼增益K，其表達(dá)式為：

根據(jù)式（6）得到關(guān)于高壓互鎖信號(hào)的卡爾曼濾波表達(dá)式：

UK0（n）=ULow-0（n-1）+K[ULow-0（n）-ULow-0（n-1）]（7）

式中：UK0（n）——經(jīng)卡爾曼濾波處理后得到的AD0端口高壓互鎖電壓信號(hào)。

在完成式（7）的計(jì)算后需要更新P，即計(jì)算本控制周期的偏差P（n），具體方法為：

P（n）=（1-K）P（n|n-1）（8）

式（8）計(jì)算完成后可以按照式（5）、式（6）、式（7）的形式開展下一周期的卡爾曼濾波，通過不斷迭代修正，來提高互鎖采集電壓信號(hào)的可信度。

2.3 高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)計(jì)算

本文針對高壓互鎖故障的檢測提出了高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)概念，利用該參數(shù)來表征電磁干擾對高壓互鎖信號(hào)的影響程度。以AD0端口高壓互鎖電壓信號(hào)為例，給出高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)的計(jì)算方法。

式中：KLock-0——根據(jù)AD0端口高壓互鎖電壓信號(hào)（卡爾曼濾波后得到的電壓信號(hào)）計(jì)算得到的高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)。該參數(shù)利用k個(gè)控制周期的采集數(shù)據(jù)計(jì)算得到，根據(jù)該式，在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)（k個(gè)控制周期）KLock-0值越大，則表明該路高壓互鎖信號(hào)的波動(dòng)越劇烈，即此時(shí)的電磁干擾越強(qiáng)烈。本文正是利用該參數(shù)表征高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)程度的這一特點(diǎn)來確定后續(xù)的高壓互鎖故障閾值。

2.4 高壓互鎖故障閾值自適應(yīng)調(diào)節(jié)

高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)確定的高壓互鎖故障閾值包括電壓閾值與時(shí)間閾值。以AD0端口對應(yīng)的高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)為例，計(jì)算故障判斷閾值。

首先對計(jì)算得到的AD0端口高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)KLock-0進(jìn)行限制，將其限制在區(qū)間[KMin-0，KMax-0]中，KMax-0>KMin-0>0。經(jīng)過限制后，AD0端口高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)KLock-0不會(huì)低于KMin-0，同時(shí)也不會(huì)高于KMax-0。在此基礎(chǔ)上給出故障判斷閾值的確定方法。

式中：ΔV0——AD0端口高壓互鎖信號(hào)故障電壓閾值;T0——AD0端口高壓互鎖信號(hào)故障持續(xù)時(shí)間閾值。

可以看出，隨著KLock-0在區(qū)間[KMin-0，KMax-0]內(nèi)的變化，故障電壓閾值ΔV0將在0.5～2V范圍內(nèi)線性變化，故障持續(xù)時(shí)間閾值T0將在0.5～2.5s區(qū)間內(nèi)線性變化。以上故障判斷閾值將用于最終的高壓互鎖故障判斷。

2.5 高壓互鎖故障檢測

在確定高壓互鎖故障的檢測閾值后進(jìn)入到最后一個(gè)步驟——高壓互鎖故障檢測。本文基于AD0端口與AD1端口的互鎖信號(hào)進(jìn)行高壓互鎖故障的檢測。

1）AD0端口高壓互鎖故障檢測：當(dāng)互鎖電壓信號(hào)ULow-0不在2.5±ΔV0V的范圍并持續(xù)時(shí)間T0，則判斷發(fā)生AD0端口高壓互鎖故障。

2）AD1端口高壓互鎖故障檢測：故障檢測方法與AD0端口完全一致。

當(dāng)AD0與AD1兩端口任意一個(gè)發(fā)生高壓互鎖故障，則判斷車輛發(fā)生高壓互鎖故障。

隨著電磁干擾的愈加強(qiáng)烈，高壓互鎖信號(hào)的電壓判斷范圍也相應(yīng)增大，即從2.5±0.5V增大到2.5±2V，同時(shí)故障的持續(xù)判斷時(shí)間也由0.5s調(diào)整到2.5s，本文最終通過故障判斷閾值根據(jù)電磁干擾狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)避免強(qiáng)電磁干擾狀態(tài)下車輛高壓互鎖故障的誤報(bào)。

3 技術(shù)成果推廣應(yīng)用

本文所涉及的技術(shù)成果已在電動(dòng)汽車高壓連接器中推廣應(yīng)用，圖4為某電動(dòng)汽車電機(jī)控制器側(cè)視圖，中間橢圓形接口與左右兩側(cè)的圓形接口為電機(jī)控制器連接高壓電纜的接插口，其內(nèi)部包含低壓互鎖檢測機(jī)構(gòu)。圖5為高壓連接器的截面圖。目前本文所提出的電動(dòng)汽車高壓連接器互鎖電路與故障檢測方法已經(jīng)應(yīng)用于多型號(hào)的電動(dòng)汽車中。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高壓互鎖故障檢測方法，對高壓互鎖接插件反饋的兩路低壓信號(hào)實(shí)施二階低通與卡爾曼相結(jié)合的濾波方式，以此保證所獲得信號(hào)的可信度，同時(shí)定義高壓互鎖信號(hào)波動(dòng)參數(shù)概念，利用該參數(shù)來表征電磁干擾對高壓互鎖信號(hào)的影響程度，并通過該參數(shù)實(shí)現(xiàn)高壓互鎖故障閾值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以此解決由于車輛環(huán)境中非預(yù)期電磁干擾而導(dǎo)致高壓互鎖故障的誤報(bào)問題。高壓互鎖檢測電路與故障檢測方法已經(jīng)在電動(dòng)汽車中實(shí)際推廣應(yīng)用，技術(shù)成果的可靠性與有效性通過了市場驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李東，沙文瀚，王飛，等. 基于分級(jí)模型的電動(dòng)汽車高壓電氣策略研究[J]. 汽車電器，2022（2）：16-18，21.

[2] 姜點(diǎn)雙，趙久志，秦李偉，等. 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全防護(hù)研究[J]. 汽車制造業(yè)，2020（11）：38-40.

[3] 李春，張磊，閆肅軍. 電動(dòng)汽車電安全標(biāo)準(zhǔn)分析及測試[J]. 汽車零部件，2019（9）：79-83.

[4] 賈延林，趙璇，周達(dá)超. 新能源汽車高壓互鎖故障診斷分析[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2024，49（2）：55-58.

[5] 譚仕發(fā). 新能源汽車高壓互鎖原理及故障診斷方法研究[J]. 汽車電器，2023（1）：21-22，27.

[6] 李瑋，王晶. 純電動(dòng)汽車高壓互鎖檢測電路及故障機(jī)制[J]. 北京汽車，2020（4）：1-4，8.

[7] 左振龍，高京. 高壓互鎖回路原理及常見故障排查[J]. 上海汽車，2020（5）：15-18.

[8] 周霖，成瀚. 基于某款新能源車的高壓互鎖研究及故障排除[J]. 汽車電器，2021（3）：69-71.