王紅然 于寶明

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南京市 210023）

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和新能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，電動(dòng)汽車逐漸從公共服務(wù)領(lǐng)域延伸到私家車領(lǐng)域。電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)的不同，它用電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，在一定程度上緩解了能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。但是，電動(dòng)機(jī)所需要的電能由動(dòng)力電池提供，電壓通常在300V以上，同時(shí)，電機(jī)控制器、車載充電機(jī)等都是高壓設(shè)備。因此，電動(dòng)汽車對高壓安全提出了更高的要求。在電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞或?qū)﹄妱?dòng)汽車進(jìn)行維修時(shí)，必須及時(shí)斷開高壓源，而實(shí)現(xiàn)這一功能的重要措施就是高壓互鎖回路。

1 高壓互鎖回路的概念

高壓互鎖回路簡稱 HVIL（Hazardous Voltage Interlock Loop），是電動(dòng)汽車采用的一種高壓安全保護(hù)措施，通過低壓信號來監(jiān)測高壓回路的完整性，如高壓部件連接器是否插接到位，有無開路或短路情況等。在《ISO6469-3: 2001電動(dòng)汽車安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電氣傷害防護(hù)》中規(guī)定，電動(dòng)汽車高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置[1]。

2 高壓互鎖回路的組成

電動(dòng)汽車的高壓部件有動(dòng)力電池、車載充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、PTC加熱器、空調(diào)壓縮機(jī)等。高壓互鎖回路如圖1所示，主要由兩部分構(gòu)成，一部分用于監(jiān)測高壓供電回路的完整性，另一部分用于監(jiān)測高壓部件保護(hù)蓋是否非法開啟[2]。

圖1：高壓互鎖回路的組成

各高壓部件連接到高壓電源上形成高壓電源回路，各高壓部件的互鎖端子按一定順序串聯(lián)形成高壓互鎖信號回路，它是一個(gè)環(huán)形線路。各高壓部件有專門的監(jiān)測器負(fù)責(zé)監(jiān)測各自的高壓互鎖信號，只有當(dāng)高壓互鎖控制器全部收到高壓互鎖接通信號后，才允許上高壓電。

監(jiān)測器分為兩類，一類為高壓連接器監(jiān)測器，如高壓母線互鎖監(jiān)測器，在高壓母線拔出時(shí)，其互鎖監(jiān)測器也會隨之?dāng)嚅_，同時(shí)觸發(fā)高壓斷電信號，確保用戶安全；另一類為高壓部件開蓋監(jiān)測器，它的結(jié)構(gòu)類似于高壓連接器，如電機(jī)控制器開蓋監(jiān)測器，一端安裝在電機(jī)控制器保護(hù)蓋上，另一端安裝在電機(jī)控制器內(nèi)部，當(dāng)保護(hù)蓋打開時(shí)高壓互鎖回路斷開，同時(shí)觸發(fā)高壓斷電信號，確保用戶安全。

高壓繼電器是高壓互鎖的執(zhí)行部件，又稱為正極、負(fù)極接觸器，為互鎖系統(tǒng)切斷高壓源，它的形式類似于繼電器。高壓繼電器是一種自動(dòng)開關(guān)，通過低壓系統(tǒng)的小電流控制高壓系統(tǒng)的大電流，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等作用。在電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)，高壓繼電器閉合，接通高壓源，在電動(dòng)汽車熄火時(shí)，高壓繼電器斷開，切斷高壓源。在電動(dòng)汽車中有高壓繼電器狀態(tài)監(jiān)測電路，通過監(jiān)測高壓繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)來判斷高壓繼電器的工作狀態(tài)，防止在高壓繼電器斷開的情況下給高壓回路施加電氣負(fù)載，或者在高壓回路有較大電氣負(fù)載的情況下斷開高壓繼電器?？傊?，高壓繼電器是緊急情況下斷開高壓源的關(guān)鍵部件，在開發(fā)時(shí)一定要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，以滿足高壓安全需求。

3 高壓互鎖的控制策略

當(dāng)電動(dòng)汽車高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測到危險(xiǎn)情況時(shí)，應(yīng)采取合適的控制策略，常用的有以下三種[3]：

3.1 故障警告

當(dāng)高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測到危險(xiǎn)情況時(shí)，無論當(dāng)前電動(dòng)汽車處于何種狀態(tài)，都應(yīng)該及時(shí)向駕駛員發(fā)出危險(xiǎn)警告，如通過儀表盤以聲音報(bào)警或點(diǎn)亮相應(yīng)故障指示燈的形式提醒駕駛員，以避免安全事故的發(fā)生。

3.2 切斷高壓源

如果高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測到嚴(yán)重危險(xiǎn)情況時(shí)電動(dòng)汽車處于停車狀態(tài)，除了進(jìn)行聲光報(bào)警外，還應(yīng)通知系統(tǒng)控制器切斷高壓源，確保人身安全。

3.3 降功率運(yùn)行

如果高壓互鎖系統(tǒng)監(jiān)測到危險(xiǎn)情況時(shí)電動(dòng)汽車處于高速行駛狀態(tài)，此時(shí)不能立刻切斷高壓源，應(yīng)首先向駕駛員發(fā)出警告，然后控制系統(tǒng)功率使車速降下來，確保駕駛員有充分的時(shí)間將電動(dòng)汽車停到安全的地方，避免高壓安全事故的發(fā)生。

4 電動(dòng)汽車高壓上電過程

以吉利EV450為例，用戶踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕。低壓上電成功后，車身控制模塊BCM收到高壓上電請求，并將請求信號發(fā)送至VCU。VCU確認(rèn)制動(dòng)踏板踩下信號后，檢查高壓互鎖信號和碰撞信號，確認(rèn)高壓互鎖回路和碰撞信號正常后，VCU通過CAN總線向BMS請求上電。BMS確認(rèn)動(dòng)力電池內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)正常后，接通預(yù)充接觸器和負(fù)極接觸器。電機(jī)控制器檢測預(yù)充完成后通過CAN總線通知BMS，BMS接通正極接觸器。電機(jī)控制器檢測上電完成后通知VCU，VCU通過CAN總線通知組合儀表上電完成，READY燈點(diǎn)亮。在高壓上電過程中，需要檢測高壓互鎖回路，確認(rèn)正常后才會向BMS請求上電。如果高壓互鎖回路出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致電動(dòng)汽車不能上高壓電，組合儀表上的READY燈將不會點(diǎn)亮。

5 高壓互鎖常見故障

高壓互鎖回路是一個(gè)閉合回路，常見故障有開路和短路故障等。造成開路故障的原因有連接器虛接、互鎖端子損壞、開蓋互鎖元件變形等。連接器虛接通常是由于接插件未插接到位導(dǎo)致，互鎖端子損壞通常表現(xiàn)為端子退針或插座折斷，開蓋互鎖元件通常由于操作不當(dāng)造成互鎖元件變形或損壞。短路故障有對地短路和對電源短路。此外，動(dòng)力電池內(nèi)部故障也會報(bào)高壓互鎖故障[4]。

6 高壓互鎖故障診斷案例

高壓互鎖回路作為一個(gè)閉合回路，任何一個(gè)地方出現(xiàn)開路，都會造成高壓互鎖故障。高壓互鎖對地或?qū)﹄娫炊搪?，也會造成高壓互鎖故障。但是，造成開路和短路故障的原因可能是多方面的，因此，需要我們嚴(yán)格遵循電動(dòng)汽車故障排查步驟，在確保人員和車輛安全的前提下快速定位、排除故障[5]。

6.1 故障現(xiàn)象

車主反映，吉利EV450電動(dòng)汽車購車3年，突然出現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)指示燈報(bào)警，低壓上電正常，不能上高壓電，車輛無法行駛。

與車主進(jìn)一步溝通后了解到，事故車輛之前曾經(jīng)出現(xiàn)過不能上高壓電的現(xiàn)象，未定期保養(yǎng)。

維修人員進(jìn)行故障驗(yàn)證。踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，儀表點(diǎn)亮，ready指示燈未點(diǎn)亮，系統(tǒng)故障警告燈點(diǎn)亮，如圖2所示。

圖2：故障現(xiàn)象

6.2 故障分析

連接車輛診斷儀，按下啟動(dòng)按鈕，選擇對應(yīng)車型，讀取故障碼。隨后出現(xiàn)多個(gè)故障碼，選擇清除故障碼，再次讀取故障碼，仍有一個(gè)故障碼“P1C4096”，如圖3所示。結(jié)合車主反映情況和故障驗(yàn)證情況，判斷高壓互鎖系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

圖3：故障碼

6.3 故障診斷

查閱吉利EV450電路圖，繪制高壓互鎖回路如圖4所示。涉及到的主要部件有整車控制器VCU、電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器，涉及到的主要接插件有CA67、BV11、BV10、BV08、CA61、CA66[6]。

圖4：吉利EV450高壓互鎖回路

根據(jù)維修手冊查找各部件在實(shí)車中的位置，并根據(jù)高壓互鎖回路順序檢查各接插件是否有松動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)檢查，各接插件均插接到位。

斷開低壓蓄電池負(fù)極，戴上絕緣手套，斷開高壓源5分鐘后進(jìn)行絕緣檢測，確認(rèn)合格后檢測高壓互鎖回路的完整性。檢測流程如下：

第一步，檢測高壓互鎖回路內(nèi)部是否存在開路。拔下整車控制器VCU的接插件CA67和CA66，將整車控制器VCU從高壓互鎖回路中斷開。用萬用表測量端子CA67/76和CA66/58間的電阻，阻值為無窮大，說明高壓互鎖回路內(nèi)部存在開路。

第二步，以車載充電機(jī)為檢測點(diǎn)檢測相關(guān)端子間的電阻。斷開車載充電機(jī)的接插件BV10，將車載充電機(jī)從高壓互鎖回路中斷開。先用萬用表測量端子CA67/76和BV10/26間的電阻，阻值小于1Ω，說明這兩端子間線路無開路。再用萬用表測量端子BV10/27和CA66/58間的電阻，阻值小于1Ω，說明這兩端子間也無開路。由于高壓互鎖回路內(nèi)部存在開路，初步判斷車載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。

第三步，以高壓互鎖回路上車載充電機(jī)兩側(cè)的部件（電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)）為檢測點(diǎn)驗(yàn)證車載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。連接車載充電機(jī)的接插件BV10并確認(rèn)插接到位，拔下電機(jī)控制器的接插件BV11和空調(diào)壓縮機(jī)的接插件BV08，將電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)從高壓互鎖回路中斷開。用萬用表測量端子BV11/4和BV08/6間的電阻，阻值為無窮大，說明這兩端子間線路有開路，由此驗(yàn)證了車載充電機(jī)本體存在高壓互鎖故障。

第四步，確認(rèn)故障。打開車載充電機(jī)上蓋，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部高壓互鎖元件變形導(dǎo)致本體高壓互鎖開路。

6.4 故障排除

修復(fù)變形的高壓互鎖元件，蓋上車載充電機(jī)上蓋。連接電機(jī)控制器的接插件BV11和空調(diào)壓縮機(jī)的接插件BV08并確認(rèn)插接到位。用萬用表測量端子CA67/76和CA66/58間的電阻，阻值為2.5Ω，說明高壓互鎖故障已排除。

6.5 試車

插接整車控制器VCU的接插件CA67和CA66并確認(rèn)插接到位，連接高壓源和低壓蓄電池負(fù)極，踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，READY指示燈點(diǎn)亮，將擋位掛入D擋，車輛能夠正常行駛，恢復(fù)正常。

7 結(jié)論

高壓互鎖是電動(dòng)汽車高壓安全的重要措施，而高壓互鎖故障是電動(dòng)汽車高壓供電不正常的主要原因。高壓互鎖回路是一個(gè)閉合回路，常見故障有開路和短路故障等。開路故障可以通過分段檢測的方法逐步縮小故障范圍，也可以采用二分法提高檢測效率。本文采用的是二分法，先將VCU從互鎖回路斷開，然后選擇車載充電機(jī)為檢測點(diǎn)，分別檢測兩端線路的通斷。初步判斷故障后如果不便確認(rèn)要通過其他途徑進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行故障診斷時(shí)要結(jié)合故障現(xiàn)象進(jìn)行具體分析，準(zhǔn)確定位故障，采用合適的故障診斷方法，快速排除故障。同時(shí)要做好記錄，不斷總結(jié)，提高故障排除效率。