纯电动汽车高压互锁检测电路及故障机制

本处共有两篇关于高压互锁的文章

此篇来源电动学堂

这里提出的纯电动汽车高压互锁检测电路中，利用2路低压信号实现了对高压接插件连接状态的判断，区分出正常连接状态、对电源短路状态、对地短路状态、虚接状态等。

以该检测电路为基础，提出了与之配套使用的一种纯电动汽车高压互锁故障检测及处理机制。故障检测机制通过对高压互锁插件中的2路低压信号范围及变化趋势进行特定的逻辑判断实现对高压互锁故障的细分检测，在此基础上针对不同类型高压互锁故障所引起的安全风险，设计一套故障处理方法，实现在保证车辆及人身安全的前提下大幅降低故障对车上人员驾乘感受影响的目的。

1高压互锁故障检测电路

高压互锁检测电路如图1所示。

图1中，虚线框内为高压互锁插件示意，其中AB段为铜导线，该导线位于高压互锁接插件中，A'与B'右侧部分为提出的纯电动汽车高压互锁检测电路，需要注意的是该检测电路并不包含AB段导线。

该检测电路中各器件的参数：R1为阻值R1=3.0kΩ的电阻，R2为阻值R2=6.2kΩ的电阻，R3为阻值R3=3.0kΩ的电阻，R4为阻值R4=1.0kΩ的电阻，R5为阻值R5=1.0kΩ的电阻，C1、C2均为容值10nF的电容，L1与L2为电感线圈，其阻值均为120，D1、D2、D3、D4为二极管。

图1中，AA'端与BB'端为高压插件接触端，AD0与AD1端为模拟信号采集端，车辆的控制芯片通过采集AD0与AD1端的电压值实现高压互锁插件连接状态的检测；在该检测电路达到稳态的情况下，AD0端的电压与A'端的电压相等，AD1端的电压与B'端的电压相等。高压互锁故障检测电路实际上是检测A'与B'端的电压，并利用该电压进行故障状态判断。ADC为5V电源电压Vc的A/D采集端口，用于后续的故障检测实现。

图2为高压互锁接插件的局部剖面示意图（对应图1中虚线框内部分），当接插件插紧后，高压接插件中的直流母线+、–极连线导通，同时低压信号触点A-A'、B-B'闭合形成回路（与图1相对应）。

根据图2可以看出，接插件低压检测线路中的插针要比高压母线+、–极对应的插针短，这样能够保证在高压接插件完全脱落前，尤其是高压母线的+、–极连线断开前，低压接插件能够提前断开并触发故障，从而提高系统的安全性，即在高压接插件未断开前先检测到高压互锁故障，并通过故障机制对车辆及人员安全提供保障。

根据图1所示高压互锁电路原理图，在高压接插件断开的情况下，AA'与BB'端均呈断开状态，此时通过AD0与AD1端口采集得到的电压为5V电源Vc关于R1、R2、R3的分压值，此时AD0与AD1端口采集到的理想电压值分别为5×（R2+R3）/（R1+R2+R3）=3.77V、5×R3/（R1+R2+R3）=1.23V；在高压接插件连接良好的情况下，AA'与BB'端均呈连接状态，此时电阻R2被AB所表示的导线所短路（由于AB段导线为铜制，因此所产生的电阻可忽略），这种状态下AD0与AD1端口采集到的理想电压值相等，均为5×R3/（R1+R3）=2.50V。

正是通过图1所示检测电路的这种分压特性进行高压接插件状态的检测。图1所示电路能够检测出高压接插件连接与断开状态，还能够进行接插件短路、接触电阻大、虚接等故障的判断，关于这些故障的检测方法将在故障检测部分进行详细说明。

另外，在高压互锁故障检测电路中，L1、R4、C1与L2、R5、C2为RCL（Resistance、Capacitance、Inductance，电阻、电容、电感）低通滤波电路，分别实现了对A'与B'端口采集信号的滤波处理，从而为后续故障检测方法的有效实现打下基础。D1、D2、D3、D4二极管的作用是防止A'、B'端的非预期电压对AD0与AD1这2个A/D采集端口造成冲击，以AD0端口举例说明，当A'端出现一个非预期的正向大电压信号（远大于5V电源电压），则所产生的冲击电流会通过A'端经D1二极管回馈至5V电源，此时AD0端口的电压不会高于5V电源电压加D1二极管的导通压降；当A'端出现一个非预期的负向大电压信号（远小于0V），则所产生的冲击电流方向为电源地经D2二极管到A'端，此时AD0端口的电压不会低于D2二极管导通压降的负值。

2 高压互锁故障检测机制

在图1、图2所示高压互锁故障检测电路的基础上，给出了一种高压互锁故障检测方法，图3所示为高压互锁故障逻辑实现图，其中包含1种正常状态和6种故障状态，在故障检测中将高压互锁故障细化为6种，分别为：①高压接插件断开故障；②高压接插件对电源短路故障；③高压接插件对地短路故障；④高压接插件接触电阻大故障；⑤高压接插件虚接故障；⑥高压接插件其他故障。

根据图3，在一个检测周期中首先进行高压接插件连接良好条件判断，若条件满足则表明车辆无高压互锁故障，若条件不满足，则进行高压接插件断开故障判断。在之后的故障判断过程中，依次进行以上6 种故障的判断，当故障判断条件得到满足，则进入到相应故障处理环节。

定义通过图1 中AD0、AD1 与ADC 端口采集到的电压分别为V0、V1 与Vc，则当式（1）条件得到满足时判断高压接插件连接良好。

接下来介绍以上6种高压互锁故障检测方法。

（1）高压接插件断开故障检测。

当式（2）条件得到满足并持续100ms，则判断发生高压接插件断开故障。

（2）高压接插件对电源短路故障检测。

高压接插件对电源短路故障是指在接插件连

接良好的状态下，AB段与图1中5V电源Vc发生短路，当式（3）条件得到满足并持续100ms，则判断发生高压接插件对电源短路故障。

（3）高压接插件对地短路故障检测。

高压接插件对地短路故障指的是在接插件连接良好的状态下，AB段与图1中的地发生短路，当式（4）条件得到满足并持续100ms，则判断发生高压接插件对地短路故障。

（4）高压接插件接触电阻大故障检测。

高压接插件接触电阻大故障是指高压接插件处于接插状态，但图1中A-A'端口与B-B'端口间存在较大的接触电阻，因此在图1中可等效为电阻R2与接触电阻并联，导致R2两端的实际电阻变小，当式（5）条件得到满足并持续100ms，则判断发生高压接插件接触电阻大故障。

（5）高压接插件虚接故障检测。

高压接插件虚接故障对应图1中A-A'端与B-B'端接触不良，即接插件反复处于闭合、断开、再闭合、再断开的状态，这种现象体现在AD0与AD1口采集到的电压为反复振荡，当式（6）条件得到满足时，判断发生高压接插件虚接故障。

（6）高压接插件其他故障检测。

在检测到高压接插件未处于连接良好的状态下，若以上5种故障判断条件均未得到满足，则将该异常归类于高压接插件其他故障。

至此，纯电动汽车高压互锁故障检测方法介绍完成，接下来进行故障处理方法的说明。

3 高压互锁故障处理方式

根据图3高压互锁故障逻辑实现图，可确定1种正常状态和6种故障状态，在这6种高压互锁故障中，故障①高压接插件断开故障表明高压接插件处于断开状态，此时车辆存在高压暴露风险，对车辆及车上人员产生较大的安全隐患，需要立即采取有效措施进行处理，比如高压下电等。

除故障①外，其他高压互锁故障（②～⑥）则不存在高压暴露的隐患，因此不需要采取高压下电这样严重的处理措施，此时可以根据故障所引起的安全风险采取不同的处理方式，实现故障的精细化处理，见表1，在保证车辆及人员安全的前提下，尽可能地降低由于故障处理对车上人员驾驶感受造成的不良影响。

具体的故障处理方法如下：

（1）当车速>5km/h时，仅上报不处理；

（2）当车速≤5km/h时，根据是否允许高压互锁故障整车下电/禁止高压上电采用不同的故障处理方式：

①允许由于该故障执行高压下电/禁止高压上电，则立即高压下电/禁止高压上电，仪表点亮整车系统故障灯，鸣报警声；

②禁止由于该故障执行高压下电/禁止高压上电，则仅上报不处理。

根据以上故障处理方法，首先根据车速条件区分故障的处理方式。考虑到车辆在非静止状态下即使发生高压接插件断开也不会对车辆及人员造成安全风险（有车速的状态下车辆不会处于维修状态，因此不会造成车辆维修人员的触电事故；同时有车速的状态下车内人员不会有机会接触到高压接插件，因此不存在触电风险），所以此时高压互锁故障采用仅上报不处理的方法。

当车速≤5km/h时，根据高压互锁故障分类实施不同的处理方法，当发生允许下高压的高压互锁故障时，如高压接插件断开故障则采取立即高压下电/禁止高压上电，仪表点亮整车系统故障灯，鸣报警声的故障处理措施，达到故障警示的目的；当发生禁止下高压的高压互锁故障时，如高压接插件对电源短路故障、高压接插件对地短路故障、高压接插件接触电阻大故障等，考虑到故障不会引起安全隐患，此时采用仅上报不处理的方法。

4 实车验证

目前，该纯电动汽车高压互锁故障硬件检测电路、故障检测方法以及故障处理方法已经应用于小型纯电动汽车中并通过了实车验证。经过多轮、多批次实车验证，发现该故障检测电路能够有效、准确地检测出车辆高压接插件的连接状态，同时该故障检测电路还具有抗干扰能力强、易于工程实现、成本低廉等优点，因此具有批量推广的价值。另外，该高压互锁故障检测方法实现了对高压互锁故障的精细化检测，配合所提供的故障处理方法实现了故障的精细化处理，相对于传统高压互锁故障一刀切式的处理方式（高压下电），在保障车辆及人身安全的前提下有效地提高了车辆的驾乘感受。 

来源 | 线束工程师

国家标准定义电压超过60 V就被定义为高压电，和传统汽油车使用12 V低电压系统相比，电动车使用了220 V高压电气系统，高电压电流在随时提供车辆足够动力的同时，也考验着车载高压用电器的使用安全。

高压线束采用多种防护措施来保障可能发生的高压电伤害现象，其中高压线束接插件的高压互锁装置就是其中一项非常重要的防护措施。本文将从高压互锁的定义、工作原理、相关接插件的设计思路、应用等多方面来进行浅析。

1 高压互锁的定义和作用

1） 根据《ISO6469》国际标准中所规定的，电动车（包括BEV、PHEV等车型） 的高压部件（及其接插件） 都应具有高压互锁装置。

2） 高压互锁（High Voltage Interlock Loop），其作用是使用12V的小电流来确认整个高压电气系统的完整性，整车所有的高压部件和线束接插件都必须安装到位，无短路或断路的情况。当控制器检测到HVIL回路断开或是完整性受到破坏时，需要启动必要的安全措施。

3） BMS在检测到HVIL回路断开，判断车辆系统存在风险时，会根据当时的车辆情况，选择不同的必要安全措施。

①故障报警。常通过仪表警告灯亮起或发出警告鸣声等形式提醒驾驶员注意车辆情况，尽早将车辆送至专业维修点检测，避免发生安全事故。

②切断高压电输出。当车辆处于停止状态，BMS检测到HVIL断开，除了进行必要的警告外，还会直接切断高压电输出，使车辆无法启动，最大限度地保障乘客安全。

③降低高压输出功率。当车辆处于行驶状态下，BMS检测到HVIL断开，直接切断高压电输出会产生严重的、不可控的后果。此时，除了进行必要的警告灯／ 警告音提醒驾驶员外，高压控制系统将强制降低电机的输出功率，强制降低车速，使车辆始终处于一个降低速的运行状态下，给驾驶员足够的时间和机会寻找合适的地点停车。如驾驶员在停车后未及时将车辆送检维修， 那么在下次启动车辆时，BMS将会直接实施上文提及的直接切断高压电的措施，用以保障用户及车辆安全。

2 高压互锁的系统原理

1） 一般电动车使用的高压部件有：电池包、车载充电装置、电驱动装置及控制电子系统、高电压加热装置（PTC）、空调压缩机等用电器。

2） 高压互锁回路如图1所示。只有当互锁回路形成了一个完整的闭环，BMS认为车辆的高压部件状态正常，才会允许接通高压电源。当回路遭到断开，触发HVIL的断开信号，BMS将在毫秒级时间内断开高压电，确保用户安全。

3） 除了车辆由于意外或碰撞等因素导致HVIL回路断开外，断开服务插头（Service Disconnect Stecker） 也会导致HVIL回路断路。服务断开插头是低压接插件，在电动车车辆维修时，作为安全保障，维修人员需要先行断开服务插头，即将HVIL回路断开，停止高压电的输出后，才能进行车辆维修。

3 线束接插件的互锁结构

目前市面上的高压互锁设计大多是集成于高压线束接插件。即在高压线束接插件上，额外多一组低压回路用于检测HVIL的回路完整性。

1） 图2是比较常见的高压互锁结构。

高压互锁结构包含在接插件内部，通过互锁端子和主回路（高压） 端子的长度和位置差异，实现连接时，先连接高压端子，再连接低压端子；断开时，先断开低压端子，再断开高压端子。该设计的优点是设计紧凑，体积小。

高压及互锁端子连接顺序可见图3，高压及互锁端子断开顺序可见图4。

2） 图5是另一种高压互锁接插件。高压互锁结构独立于内塑壳或有一个单独的小连接器连接，通过2个连接器的先后安装关系保证。此设计的优点是方便主体塑壳结构扩展定制，缺点是设计复杂。高压及互锁端子断开顺序可见图6。

4 高压互锁的设计结构的输入及测试项目

高压互锁的设计结构的输入：高压互锁集成在接插件中，一般是遵循已有的对配公端安装界面进行定义设计。如果在没有任何参考对配公端界面的情况下，最少通过以下2个输入条件决定高压互锁结构的设计：

①接插件的外形轮廓尺寸要求，从而确定能够选择的最小端子系列及其接插位置；

②接插件安装位置的环境温度，从而确定端子所使用的镀层类型。

高压互锁设计结构的一般测试内容：

①高压互锁端子初态接触电阻；

②高压互锁端子环境老化测试后的接触电阻；

③在接插件装配状态下，高压互锁端子的接触深度，以及高压互锁端子分离后，主回路端子的接触深度。

5 总结

高压互锁作为高压电动车非常重要的防护措施之一，线束工程师在设计和使用时需要重点关注。理解高压接插件的定义、工作原理和应用等信息，将为线束工程师提供一些工作思路。