新能源汽车高压互锁原理及失效分析

2021年4月15日
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摘要

高压连接器自身不具备分断能力,电压击穿空气在两个器件之间产生很强的拉弧,可能对断点周围的人员和设备造成伤害。高压互锁设计的存在,则可以在连接器断开的时候,同时断开动力电池的输出,避免触电。

高压互锁设计作为电动汽车高压系统的一个监测手段应用在汽车电路设计中,电动汽车高压系统工作过程中,最大的一类风险是车辆突然断电,失去动力。造成车辆动力丢失的原因有很多种,其中之一就是高压回路连接位置松脱断开。高压互锁设计可以监测到回路的连续性,并在高压断电之前给VCU 发送报警信号,使VCU对整车系统采取应对措施。

新能源汽车高压互锁原理及失效分析

电动汽车的另外一类风险点,是在系统工作过程中人为误操作,手动断开高压连接器。在断开的瞬间,整个回路电压加在连接器端点两端,而高压连接器自身不具备分断能力,电压击穿空气在两个器件之间产生很强的拉弧,可能对断点周围的人员和设备造成伤害。高压互锁设计的存在,则可以在连接器断开的时候,同时断开动力电池的输出,避免触电。

01
高压互锁分析

1.1
高压互锁定义

高压互锁(High Voltage Inter-lock,简称HVIL),是用低压信号监视高压回路完整性及连续性的一种安全设计方法。高压互锁设计能识别高压回路异常断开或破损,及时断开高压电。理论上,低压监测回路比高压先断开,后接通,中间保持必要的提前量,时间长短可以根据车型具体策略确定。

1.2
高压互锁原理

整车所有高压连接器连接位置,都需高压互锁信号回路,但互锁回路与高压回路不具有必然的联系。整车上高压,电器A和电器B构成一个完整回路。但高压互锁设计,可能对A电器设置一个单独的互锁信号回路,同时给B电器也单独设置一个互锁信号回路;也可能把A和B的互锁信号串联在一个回路中。即互锁回路可设计成并联模式,也可设计成串联模式。

整车高压系统以动力电池作为电源,低压回路同时也需要一个检测用电源,让低压信号沿着闭合的低压回路传递。当低压信号中断,说明某一个高压连接器有松动或者脱落。高压互锁基础原理如图1/图2所示。在高压互锁信号回路基础上,设计监测点或监测回路,负责将高压互锁信号回路的状态传递给 BMS。

新能源汽车高压互锁原理及失效分析

1.3
高压互锁回路的组成

高压互锁设计的实现,需要以下设备组成:高压互锁连接器及高低压导线,闭合的低压电源信号回路,高压互锁监测回路及监测模块 (监测模块可以是电池管理系统BMS,或者整车控制器 VCU),监测模块根据高压互锁监测结果控制的高压继电器。

具备高压互锁功能的高压连接器,由壳体、高压导电件、低压信号导电件和监测模块及监测线路组成。高压互锁连接器,一般实现方式是在对插的一对公端、母端上,分别固定着一对高压接插件和一对低压接插件。当高压插件处于断开状态,低压回路被切断;高压插件处于连接状态,低压回路也接通,形成完整回路。

02
高压互锁案例

2.1
高压互锁设计

图3是某款电动车高压互锁电气原理图示。

新能源汽车高压互锁原理及失效分析

该款电动车采用的串联方式,从 BMS 的正极引出高压互锁低压检测线,途径 PDU-DCDC-ACCM-PTC 再回到 BMS 的负极,形成一个互锁回路。正常上电的情况下,互锁回路的输出电压一般≥5V 且≤9V。需要检查是否存在高压互锁的问题时,检测 BMS 输入输出的两个脚位电压,在设计电压范围内则正常。或者直接测回路电阻,理论上回路的电阻值为 0Ω,低于 5Ω 都可以视为 0Ω。

各个高压电器件由低压互锁回路串联在一起,高压线束与高压用电器连接时,采用带高压互锁结构的连接器连通整个回路。只要高压插件虚接或者断开,整个低压互锁回路则会断开,BMS停止提供高压输出,外部操作人员则不会有触电危险。如图4高压用电器互锁回路连接示意图所示。

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2.2
高压互锁排查

以某款电动汽车为例,判断车辆是否是高压互锁故障,需满足两个条件:

第一:组合仪表中,动力电池故障指示灯常亮;

第二:CAN线上BMS发出的报文$1D8:BMS_General_Status_1::HVInterLoStat=False。

当同时满足这两个条件,则可判定为高压互锁故障。此时根据图3高压互锁的电气原理,制定符合逻辑的排查方法。

互锁回路排查:首先,整车断开 12V 低压供电。再断开 BMS 与动力电池连接的低压插件,用万用表测量 BMS 正极输出 X2-10与负极输入 X2-11 针脚之间的电阻值。 若电阻值大于 5Ω 以上,则需要检查整个高压回路通断。 

a)依次检查所有高压插件是否存在漏接、虚接现象;

b)检查高压插接件互锁回形针是否存在弯曲、断裂现象;

c)检查低压 4 个模块(PDU-DC/DC-ACCM-PTC) 接插件是否存在漏接、虚接现象;

若回路确认有以上故障,可直接解决。若回路检查没有以上故障,则可定位为线束通断或用电器模块内部问题,需继续排查。 

d)依据上述高压互锁电气原理,采用排除法定位故障模块;

e)先从 DC/DC 线束端开始,分段依次排查。

新能源汽车高压互锁原理及失效分析

如图5所示,检查K到X2-10,J到X2-11是否导通。若哪一段没有导通,则可锁定为故障模块。

若电阻值小于等于 5Ω,则需要检查整个高压回路是否存在短路。 

a)若电阻值小于 5Ω,则说明回路导通。需检测 X2-10 对地是否短路。 

b)检测 X2-10 对电源是否短路。若确认有以上故障,可直接解决。若检查没有以上故障,则可定位为PACK 内部问题,需继续排查。 

c)副驾座位下方的 MSD 是否存在漏装、互锁针弯曲、断裂。 

d)BMS 的高压插接件互锁回形针是否存在弯曲、断裂现象。

若确认有以上故障,可直接解决。若检查没有以上故障,则可定位为BMS内部问题。

来源:北京汇智慧众汽车技术研究院
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