柯裕偉

摘 要：隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，新能源汽車品質(zhì)和市場(chǎng)認(rèn)可度全面提升，受到市場(chǎng)的高度歡迎。和傳統(tǒng)汽車相比較，新能源汽車具有高壓系統(tǒng)，對(duì)高壓部件安全運(yùn)行、維護(hù)和修理帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)。為確保新能源汽車高壓系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，高壓互鎖技術(shù)被廣泛應(yīng)用。本文對(duì)高壓互鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行概述，并以吉利帝豪EV300電動(dòng)汽車為例，進(jìn)一步說(shuō)明了高壓互鎖的故障診斷思路和具體解決辦法。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 高壓互鎖 原理 故障診斷技術(shù)

1 引言

新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)上增加了高壓系統(tǒng)，高壓零部件包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓配電箱（PDU）、電動(dòng)壓縮機(jī)、車載充電機(jī)（OBC）、PTC加熱器等，互相之間通過(guò)高壓線束連接，組成了整車的高壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)動(dòng)輒300V以上的工作電壓和上百安的工作電流對(duì)用電設(shè)備的安全運(yùn)行及維修提出了更高的要求。為保障新能源汽車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低故障發(fā)生幾率，高壓互鎖系統(tǒng)作為新能源汽車電氣保護(hù)的一項(xiàng)重要措施，得到廣泛應(yīng)用。

2 高壓互鎖系統(tǒng)概述

2.1 高壓互鎖的定義

高壓互鎖（HVIL），是高壓互鎖回路（Hazardous Voltage InterlockLoop）的簡(jiǎn)稱，也叫做危險(xiǎn)電壓互鎖回路（High Voltage Interlock System and Control Strategy）。高壓互鎖是指使用低壓信號(hào)監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設(shè)計(jì)方法。對(duì)新能源汽車高壓系統(tǒng)直接監(jiān)測(cè)比較困難，所以通常是用低壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)確認(rèn)整車高壓系統(tǒng)回路電氣完整性，確保整車所有的高壓部件和線束插接件都安裝到位，無(wú)短路或斷路的情況;能夠識(shí)別回路的異常斷開(kāi)，并及時(shí)斷開(kāi)高壓，避免出現(xiàn)安全事故。

2.2 高壓互鎖設(shè)計(jì)的目的

高壓互鎖設(shè)計(jì)的目的是，指使用低壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)電氣的完整性，當(dāng)回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞，就啟動(dòng)安全措施。因此高壓互鎖設(shè)計(jì)是確保人員安全和車輛設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵措施。

2.3 高壓互鎖的作用

（1）在車輛上電之前，若檢測(cè)到電路不完整，則高壓系統(tǒng)無(wú)法上電，避免因?yàn)樘摻拥葐?wèn)題造成安全事故;如果車輛上電過(guò)程中發(fā)生故障，整車會(huì)立即下電，避免發(fā)生高壓觸電事故。（2）防止人為誤操作引發(fā)的安全事故。在高壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，如果沒(méi)有高壓互鎖設(shè)計(jì)的存在，在手動(dòng)斷開(kāi)高壓連接點(diǎn)的瞬間，整個(gè)高壓回路電壓全部加在斷點(diǎn)兩端，產(chǎn)生拉弧，嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備安全。（3）監(jiān)測(cè)高壓回路自動(dòng)松動(dòng)（會(huì)導(dǎo)致高壓斷電，整車失去動(dòng)力，影響乘車安全）并在高壓斷電之前給整車控制器發(fā)送報(bào)警信息，啟動(dòng)安全措施。

2.4 高壓互鎖回路組成與結(jié)構(gòu)

高壓互鎖回路由高壓互鎖連接器及高低壓導(dǎo)線、閉合的低壓電源信號(hào)回路、高壓互鎖監(jiān)測(cè)回路、整車控制器 VCU或電池管理系統(tǒng)BMS等監(jiān)測(cè)模塊及高壓繼電器組成。

高壓互鎖設(shè)計(jì)是在高壓線束接插件上，增加一組低壓回路用于檢測(cè)HVIL回路完整性。高壓互鎖結(jié)構(gòu)是在高壓接插件內(nèi)部，通過(guò)互鎖端子和高壓端子位置和長(zhǎng)度的不同，實(shí)現(xiàn)連接時(shí)先連接高壓端子，再連接低壓端子;斷開(kāi)時(shí)先斷開(kāi)低壓端子，再斷開(kāi)高壓端子。

2.5 高壓互鎖系統(tǒng)原理

高壓互鎖回路工作原理圖如圖1所示：只有當(dāng)互鎖回路形成了一個(gè)完整的閉環(huán)，BMS認(rèn)為車輛的高壓部件狀態(tài)正常，才會(huì)允許接通高壓電源。當(dāng)回路遭到斷開(kāi)，觸發(fā)HVIL的斷開(kāi)信號(hào)，BMS將在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)高壓電，確保用戶安全。[1]

高壓互鎖信號(hào)回路有兩部分，一部分監(jiān)測(cè)高壓供電回路的完整性，另一部分檢測(cè)所有高壓部件保護(hù)蓋是否非法開(kāi)啟。高壓互鎖監(jiān)測(cè)電路分為兩種形式：一種是把所有高壓部件的互鎖連接端子串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)完整監(jiān)測(cè)電路;另一種是每個(gè)高壓部件控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各自的互鎖信號(hào)，只有全部控制器接收到互鎖信號(hào)時(shí)，才被允許上高壓電。當(dāng)前新能源汽車生產(chǎn)廠家眾多，所產(chǎn)車型種類繁雜，所以不同廠家開(kāi)發(fā)的新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)也會(huì)有所不同。作為新能源汽車維修技術(shù)人員，只有不斷緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，掌握具體車型的控制邏輯和維修手冊(cè)等資料，才能維護(hù)和修理好新能源汽車。

高壓互鎖（HVIL）檢測(cè)電路，一般有兩種方案，直流源方案與PWM方案，如圖2所示。左圖為直流源方案簡(jiǎn)圖，外部施加一個(gè)直流源在整個(gè)HVIL環(huán)路上面，通過(guò)檢測(cè)V1＼V2處的電壓，來(lái)診斷高壓連接器狀態(tài);右圖為PWM方案簡(jiǎn)圖，引入了一個(gè)可控的開(kāi)關(guān)，同樣還是檢測(cè)V1＼V2處的電壓，不過(guò)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，可以得到兩組值，用來(lái)識(shí)別出更多的狀態(tài)。[2]吉利帝豪EV300電動(dòng)汽車，其HVIL檢測(cè)電路設(shè)計(jì)采用的就是是PWM方案。

2.6 高壓互鎖系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)新能源汽車技術(shù)處在快速發(fā)展當(dāng)中，很多技術(shù)還不夠成熟，還需要不斷的完善和創(chuàng)新。同樣高壓互鎖系統(tǒng)也有待完善和創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)一步提升新能源汽車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)，自動(dòng)化、智能化也必然是高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。隨著高壓互鎖系統(tǒng)內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的完善，新能源汽車的安全性、穩(wěn)定性全面提升，從而全面提升新能源汽車的整體性能，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

3 高壓互鎖的安全策略

高壓互鎖系統(tǒng)識(shí)別到車輛存在潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，整車控制器VCU會(huì)根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)，采取必要的安全策略：

（1）故障報(bào)警。通過(guò)儀表盤故障指示燈點(diǎn)亮或發(fā)出警告提示音等形式提醒駕駛員注意車輛的異常情況，以便及時(shí)處理，消除安全隱患。（2）切斷高壓電。車輛處在停止?fàn)顟B(tài)，高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，除了發(fā)出故障報(bào)警外，還會(huì)完全切斷高壓電輸出，使車輛無(wú)法行駛，確保乘客安全。（3）降功率運(yùn)行。當(dāng)車輛處在行駛狀態(tài)時(shí)，高壓互鎖系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，如果直接切斷高壓電輸出，有可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的、可怕的后果。除了通過(guò)報(bào)警提示駕駛員外，同時(shí)應(yīng)強(qiáng)制降低車輛速度并保持較小負(fù)荷行駛，使駕駛員能夠安全靠邊停車，等待救援，最終徹底排除故障，消除安全隱患。[3]

4 高壓互鎖系統(tǒng)故障診斷與排除

4.1 高壓互鎖故障的現(xiàn)象

如果在汽車啟動(dòng)前已經(jīng)發(fā)生高壓互鎖故障，車輛將無(wú)法上高壓電，車輛也就不能正常行駛;如果在汽車行駛過(guò)程中發(fā)生高壓互鎖故障，那么整車會(huì)根據(jù)安全控制策略，如發(fā)出報(bào)警信號(hào)，降低車輛運(yùn)行功率，直接斷開(kāi)高壓等安全措施，避免發(fā)生安全事故。

4.2 高壓互鎖故障的原因

電動(dòng)汽車要想正常行駛，沒(méi)有電那是萬(wàn)萬(wàn)不行的，因?yàn)殡妱?dòng)汽車在跑起來(lái)之前還要經(jīng)歷一個(gè)整車高壓系統(tǒng)上電過(guò)程。新能源汽車高壓互鎖回路完整，是整個(gè)高壓系統(tǒng)能夠上電的一個(gè)前提條件。如果高壓互鎖回路處在斷開(kāi)狀態(tài)或完整性受到破壞不能正常接通，VCU會(huì)判定高壓互鎖系統(tǒng)出現(xiàn)故障，新能源汽車在故障沒(méi)有排除之前，不能上高壓電，也就不能正常行駛。

4.3 高壓互鎖故障的診斷

根據(jù)高壓互鎖的檢測(cè)原理，當(dāng)車輛發(fā)生高壓互鎖故障時(shí)，VCU要根據(jù)故障情況采取安全策略，發(fā)出故障報(bào)警或直接對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行安全斷電，確保在故障排除之前VCU不允許高壓電池包的相關(guān)繼電器吸合，車輛不能上高壓電，同時(shí)在高壓斷電前觸發(fā)對(duì)應(yīng)的診斷故障碼DTC。

由于涉及的高壓互鎖模塊眾多，環(huán)形線路較長(zhǎng)，給故障診斷與排除帶來(lái)了種種困難，所以互鎖回路故障的檢測(cè)變得尤為關(guān)鍵，這樣可以大大提高故障診斷與排除的質(zhì)量和效率，確保新能源汽車的安全可靠運(yùn)行。

對(duì)于高壓互鎖故障，我們首先要根據(jù)電路圖、維修手冊(cè)等技術(shù)資料，弄清楚高壓互鎖回路和各個(gè)組成部件的連接情況，然后檢查互鎖回路的導(dǎo)通情況，再檢查互鎖回路的電氣信號(hào)情況。

高壓互鎖系統(tǒng)故障，主要有高壓互鎖回路故障和監(jiān)控模塊故障，而高壓互鎖回路故障主要又包括短路、斷路、虛接等線路故障和元件故障。

作為車輛維修技術(shù)人員，可以根據(jù)HVIL檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案，首先對(duì)高壓互鎖回路進(jìn)行故障診斷，可以利用故障診斷儀讀取相關(guān)故障碼，了解故障的具體信息，如：P0A0A11—VCU高壓互鎖斷開(kāi)、P105763—準(zhǔn)備充電過(guò)程中高壓互鎖檢測(cè)超時(shí)等，快速判定故障的大致范圍，然后再具體查找故障點(diǎn)直至排除故障。

下面以吉利帝豪EV300電動(dòng)車型為例，說(shuō)明互鎖回路的診斷方法。吉利帝豪EV300電動(dòng)汽車高壓互鎖回路：其連接線路如圖3所示。

高壓互鎖回路中VCU發(fā)出的PWM信號(hào)從CA55/73發(fā)出，經(jīng)過(guò)插接器CA70/1、EP01/1后，從EP11/1進(jìn)入PEU，在PEU上分別流經(jīng)了上蓋互鎖開(kāi)關(guān)和高壓線束內(nèi)的互鎖端子，從EP11/4流出，然后從EP07/5流入電動(dòng)壓縮機(jī)，然后又經(jīng)過(guò)插接器IP90/7、CA39/7后，從CA48/5流入PTC加熱器，再?gòu)腃A48/7流出，最終由VCU的CA55/51檢測(cè)接收到的PWM信號(hào)。

高壓互鎖系統(tǒng)具有閉環(huán)特性，是一個(gè)閉合回路，所以故障無(wú)非就是開(kāi)路與短路兩大類。下面針對(duì)線路斷路、插頭虛接故障、對(duì)地和對(duì)電源短路故障、VCU內(nèi)部故障、PTC加熱器故障等進(jìn)行診斷與排除，具體如下：

4.3.1 線路斷路、插頭虛接故障

（1）首先進(jìn)行基本檢查，確保所有的高壓部件和高壓線束都裝配到位和安裝牢固可靠，避免線路插頭漏接、虛接的現(xiàn)象發(fā)生。常見(jiàn)的故障現(xiàn)象有互鎖開(kāi)關(guān)失效導(dǎo)致開(kāi)路，端子退針導(dǎo)致開(kāi)路，線束錯(cuò)誤導(dǎo)致開(kāi)路等。（2）然后測(cè)量低壓輔助蓄電池電壓，正常電壓為13V左右。（3）對(duì)于斷路或虛接故障，采用電阻測(cè)量法，判斷監(jiān)測(cè)回路的通斷情況。首先將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于OFF擋，斷開(kāi)低壓輔助蓄電池負(fù)極，然后斷開(kāi)VCU上CA55端子，測(cè)量CA55/51與CA55/73間電阻，小于1Ω為正常，若異常，則說(shuō)明互鎖回路出現(xiàn)了斷路或虛接故障，分段檢測(cè)直至找到故障點(diǎn)，排除故障即可。[4]

4.3.2 短路故障

在接通電路的情況下，使用背插法，用萬(wàn)用表測(cè)量信號(hào)電壓或用示波器讀取波形進(jìn)行故障判斷。用萬(wàn)用表測(cè)量CA55/51的對(duì)地電壓，正常應(yīng)該會(huì)在5V左右，或用示波器讀取波形，電壓為10V左右為正常。若異常，則可能存在信號(hào)短路故障，用隔離法進(jìn)一步尋找故障點(diǎn)，然后排除故障。

4.3.3 VCU內(nèi)部故障

若線路一切正常，測(cè)量CA55/73又沒(méi)有對(duì)電源短路，那么故障就出現(xiàn)在VCU模塊本身，VCU無(wú)法發(fā)出和接收PWM信號(hào)，導(dǎo)致高壓互鎖失效，高壓無(wú)法上電。

4.3.4 PTC加熱器故障

PTC故障問(wèn)題及其故障處理。純電動(dòng)汽車PTC 制熱主要利用依靠電流通過(guò)半導(dǎo)體的熱敏電阻來(lái)進(jìn)行生熱，從而為車內(nèi)的空調(diào)制熱。對(duì)于高壓互鎖系統(tǒng)中PTC故障問(wèn)題而言，可以對(duì)PTC元件進(jìn)行檢測(cè)，首先用萬(wàn)用表電阻檔檢查熱敏保險(xiǎn)絲電阻的電阻大小，其次檢查空調(diào)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能否正常工作，最后檢查暖風(fēng)加熱絲的加熱情況即可。

4.4 高壓互鎖故障診斷與排除舉例

4.4.1 故障現(xiàn)象

吉利帝豪EV300電動(dòng)汽車，檔位置于P檔，踩住制動(dòng)踏板，按啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)故障指示燈點(diǎn)亮，車輛無(wú)法上電。

4.4.2 故障原因分析

利用故障診斷儀讀取與本故障相關(guān)的故障碼或信息。

VCU：

P0A0A11—— 整車控制器VCU 高壓互鎖斷開(kāi)

P105763——準(zhǔn)備充電過(guò)程中高壓互鎖檢測(cè)超時(shí)

記錄與本故障相關(guān)的主要數(shù)據(jù)流：

VCU：

車載充電機(jī)高壓互鎖：HVIL打開(kāi)/錯(cuò)誤

分析故障范圍：根據(jù)故障現(xiàn)象和故障碼提示信息，初步判斷是高壓互鎖故障，導(dǎo)致車輛無(wú)法上高壓電。

4.4.3 故障診斷過(guò)程

（1）測(cè)量EP11/1對(duì)地電壓值。

測(cè)量條件：打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)

電壓實(shí)測(cè)值為：5V

電壓正常值為：4-6V

判斷：電壓正常

（2）測(cè)量EP11/4對(duì)地電壓值。

測(cè)量條件：打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)

電壓實(shí)測(cè)值：10V

電壓正常值：4-6V

判斷：電壓異常

（3）測(cè)量EP11/1與EP11/4器件端電阻值。

測(cè)量條件：關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)

電阻實(shí)測(cè)值：無(wú)窮大

電阻正常值：<0.1Ω或0Ω

判斷：電阻值異常

查閱電路圖，確認(rèn)故障點(diǎn)為：PEU內(nèi)部高壓互鎖開(kāi)關(guān)故障。

故障機(jī)理分析：因?yàn)殡姍C(jī)控制器PEU內(nèi)部高壓互鎖開(kāi)關(guān)未安裝，導(dǎo)致高壓互鎖回路電氣完整性自檢失敗。因?yàn)楦邏夯ユi線路斷開(kāi)，致使高壓不能上電。

4.5 故障排除

更換新的電機(jī)控制器，踩下制動(dòng)踏板，按下點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，READY燈點(diǎn)亮，上路試車，行駛正常，故障排除。

5 結(jié)語(yǔ)

本文論述了新能源汽車高壓互鎖的組成、結(jié)構(gòu)、原理、安全策略和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)高壓互鎖系統(tǒng)使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，并以吉利帝豪EV300電動(dòng)汽車為例，進(jìn)一步探究了高壓互鎖系統(tǒng)的故障診斷思路和檢修技術(shù)，對(duì)新能源汽車高壓互鎖故障的檢測(cè)與維修具有參考借鑒意義，助力新能源汽車更好更快發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[2]佘翔，劉冬梅，何琰萍.新能源汽車高壓互鎖故障分析與排除.內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（07）：第186-187頁(yè).

[3]張仁峰，趙曉清.新能源汽車高壓互鎖系統(tǒng)原理及故障診斷.湖北農(nóng)機(jī)化，2019（16）：第69頁(yè).