PHEV车型高压互锁方案设计及分析

为了保证一款新能源PHEV  （ 插电式混合动力电动车 ） 车型高压线束回路的安全可靠连接 ， 进行了一种冗余设计方案 ， 符合ISO 26262的标准要求 ；  采用控制器实时检测车辆整个高压回路的电气连接完整性 ；  对车辆使用过程中出现的可能故障进行处理 ， 确保车辆和人员的安全 。  

【 关键词 】 新能源 ；  高压互锁 ；  采样电阻 ；  电池包 ；  故障诊断 ；  整车控制器 ；  电池管理系统

1.高压互锁  （ HVIL ） 功能介绍

 HVIL是High Voltage Interlock Loop  （ 高压互锁回路 ） 的简称 。 HVIL通过使用低压电信号 ， 来检查整个高压模块 、 导线及连接器的电气完整性情况 。 当 发生互锁故障后 ， 必须保证整车高压系统下电且在故障排除前高压系统不能上电 ， 同时触发相应的警示信号 。

1 ） 带有高压的模块从高压回路断开的时候 ， 防止由于高压回路存在容性负载  （ 必须执行特定的放电程序将高压释放至安全电压范围内 ） ， 导致人员接触带电部件而发生触电事故 ， 保证人身安全 。  

2 ） 带有高压的模块从高压回路断开的时候 ， 防止由于高压线缆带电 、 整车意外上电导致人员接触带电部件而发生触电事故 ， 保证人身安全 。  

3 ） 车辆在使用过程中 ， 防止由于人为操作不当 、 车辆颠簸 、 产品老化 、 线路磨损等带来的局部发热和 拉弧导致产品性能急剧下降 、 起火事故 ， 保证车辆和 人身安全 。  

2.HVIL设计要求 

2.1 HVIL系统功能安全要求 

①与HVIL相关的控制器安全等级要求如下 ：  控制器中与HVIL相关模块的功能安全等级应达到ASILC[1]  ；  ②HVIL应包括一个信号发生器和2个信号检测装置 。  

2.2 HVIL系统诊断功能要求[1]  

HVIL相关控制器应诊断出如下故障 ：  ①回路断开 ；  ②对GND （ 整车搭铁 ） 短路 ；  ③对电源 （ 12 V ） 短路 ；  ④回路短路 ；  ⑤回路阻抗变大 。  

2.3 HVIL信号源要求

 ①HVIL信号源电压为5V ；  ②HVIL与12V电源短路时 ， 信号源不应失效 ， 且具有反向保护功能 ；  ③ HVIL线束不允许出现分支压接点 ；  ④当12V蓄电池电 压降到10.2V时 ， 也应保证HVIL信号源有稳定输出 。  

2.4 HVIL对高压连接器要求 

①高压电气系统中插接形式的高压连接器应集成互锁功能 ， 当高压连接器断开时应先断开HVIL ， 接合时应后接通HVIL ；  ②高压连接器接合后接触电阻应满足Q ／ CC JT0638—2014  《 汽车电线束插接器技术条件 》 中4.12的要求 。  

3.HVIL拓扑结构 

3.1 PHEV高压布置简图 

根据PHEV车型的布置情况 ， 确定高压电气布置简图 ， 见图1 。

3.2 HVIL拓扑图 

根据HVIL相关零部件布置位置 ， 确定HVIL拓扑图 ， 见图2 。

HVIL拓扑图中高压插接件参数见表1 。

4.HVIL阻抗匹配[2] 

按照高压互锁回路信号源电压为5V 、 电流接近 10 mA的设计 ， 得到回路总的阻抗R1+R2+R3=500 Ω 。 HCU及BMS均检测互锁回路R2两端电压值 ， 从而判断 回路是否有故障 。 现阶段我司选用的BMS中R1和R3的 最大可用功率均为1 W ， HCU中R2的最大可用功率为 0.08 W  （ 实际为0.1 W ， 取0.8保险系数使用 ） 。  

为满足以上条件 ， 我们以最极限的情况来分析 ， 互锁原理简图见图3 。

故障模式1 ：  A侧对GND短路 ；  

故障模式2 ：  A侧对 蓄电池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式3 ：  B侧对GND短路 ；

故障模式4 ：  B侧对蓄电池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式5 ：  HVIL回路断开 ；  

故障模式6 ：  A侧对B侧短路 。

根据计算结果 ， 可知第1组为可用的值 ， 通过查找相近型号的电阻 ， 得出 ：  R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3= 374 Ω 。

由上可知 ， R1 、 R2 、 R3在各种情况下的最大功率分别为 ：  P1_max=0.333 W ， P2_max=0.082 W ， P3_max=0.684 W ， 均满足所选电阻的要求 。 因此 ， 推荐匹配电阻阻值为 R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3=374 Ω 。

5.HVIL故障诊断方法  （ 表2 ）  

该互锁方案的原理是 ：  将所有识别的高压互锁回路故障转换为高压互锁回路检测的电压值 ， 通过采集电压信号进行故障检测 。 HVIL正常情况下 ， H1与H2 之间电压差 、 B1与B2之间电压差均应在0.2~0.9 V  （ 5 V 信号源的4%~18% ） 之间 。

6.HVIL故障诊断分析 

对HVIL各种故障情况进行分析 ， 结果见表3 。

根据故障诊断方法 ， HVIL在各种故障下 ， HCU及 BMS检测出的电压均在正常工作电压范围  （ 0.2~0.9 V ） 之外 ， 表明本设计方案满足设计要求 。  

7.HVIL失效场景分析

高压互锁系统在识别到危险时 ， 整车控制器  （ 以下简称HCU ） 和电池管理系统  （ 以下简称BMS ） 应根据危险时的行车状态及故障危险程度运用合理的安全策略 ， 策略简述见表4 。  

8.总结 

该高压互锁方案给出了HVIL拓扑结构 、 诊断方法 、 故障诊断分析表 ， 并计算得出了一组阻抗匹配数据 。  

1 ） 在HVIL标定验证阶段 ， 必须仿效整车线路进行所有故障和动作测试 ， 并应根据实际标定情况对R1 、 R2和R3的阻抗值以及故障类型和判定方法进行相 应调整 。  

2 ） 充电机 ： 将民用电网220 V交流电转化成车辆 需求电压的直流电 ， 给电池包提供稳定的直流电源补充能量 。  

3 ） 后驱电机 ： 放置在车辆后桥部位的永磁同步交流电机 ， 同减速器集成为独立的电驱动桥结构 ， 为实现整车的独立驱动 、 四轮驱动提供电力驱动扭矩 。  

作者第1次进行该功能的设计 ， 没有经过试验标定和市场考验 ， 其中不免有考虑不周和设计不足 ， 后期会根据标定数据以及样车测试对方案进行不断完善 ， 也希望各位读者批评指正 。