5-2 高压互锁电路认知及测量（课件）《新能源汽车电学基础与高压安全）（机工版）

和汽车新时代的领导者一起成长 《新能源汽车电学基础与高压安全》 能力模块五 典型电路认知及检测 2 高压互锁电路认知及测量 01 CONTENTS 目录 01 高压互锁 02 控制互锁原理 03 控制互锁的作用 05 实训：控制互锁电路的测量 04 控制互锁系统检测及动作 和汽车新时代的领导者一起成长 inwinic 《新能源汽车电学基础与高压安全》 高压互锁 01 （一）新能源车的高压电 电动车使用的都是电压在300V以上的直流电，60V以上的直流电就对人来说就具有危害性。 标 准 允 许 接 触 最 大 电 压 120V直流电 50V交流电 VDE 高压互锁就是一种防护措施。车辆所有可见的高压插头的公端及母端分别都有一个互锁插口及短接针脚。 （一）新能源车的高压电 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。 它的原理就是电池管理器向外发送一个低电平信号，该信号经过所有的高压线束插头的互锁线之后还要返回到电池管理器内部，如果接收不到此信号电池管理器就默认车辆的高压插头被人为的拔出或者存在插接不牢的情况，为避免造成危险情况的发生，此时电池管理器会将电池的高压接触器断开，不让车辆使用纯电模式并在仪表报警提示EV功能受限。 高压互锁（HVIL），也叫危险电压互锁回路（US7586722 High Voltage Interlock System and Control Strategy），是指通过使用低压信号来检查电动汽车上所有与高压母线相连的各分路，包括整个电池系统、导线、连接器、DCDC、电机控制器、高压盒及保护盖等系统回路的电气连接完整性（连续性）。当整个动力系统高圧回路连接断开或者完整性收到破坏的时候，就需要启动安全措施，如报警或断开高压回路等。由于电动车动力系统是由多个子系统组成的，他们两两之间都是靠高压连接器相互连接，同时运行的环境十分恶劣，大多数工况处在振动与冲击条件下，因此高压互锁设计是确保人员安全和车辆设备安全运行的关键。在电动汽车高压回路中，要求具备HVIL功能的电气元件主要是高压连接器、手动维修开关（MSD）等。《ISO6469》国际标准规定，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。 （一）新能源车的高压电 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。 （一）新能源车的高压电 高压互锁（High Voltage Interlock Loop）：它的原理就是电池管理器向外发送一个低电平信号，该信号经过所有的高压线束插头的互锁线之后还要返回到电池管理器内部，如果接收不到此信号电池管理器就默认车辆的高压插头被人为的拔出或者存在插接不牢的情况，为避免造成危险情况的发生，此时电池管理器会将电池的高压接触器断开，不让车辆使用纯电模式并在仪表报警提示EV功能受限。 高压互锁（HVIL），也叫危险电压互锁回路（US7586722 High Voltage Interlock System and Control Strategy），是指通过使用低压信号来检查电动汽车上所有与高压母线相连的各分路，包括整个电池系统、导线、连接器、DCDC、电机控制器、高压盒及保护盖等系统回路的电气连接完整性（连续性）。当整个动力系统高圧回路连接断开或者完整性收到破坏的时候，就需要启动安全措施，如报警或断开高压回路等。由于电动车动力系统是由多个子系统组成的，他们两两之间都是靠高压连接器相互连接，同时运行的环境十分恶劣，大多数工况处在振动与冲击条件下，因此高压互锁设计是确保人员安全和车辆设备安全运行的关键。在电动汽车高压回路中，要求具备HVIL功能的电气元件主要是高压连接器、手动维修开关（MSD）等。《ISO6469》国际标准规定，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。 （一）新能源车的高压电 第一种 电池管理器向外发送一个信号，信号经过多个插头以及用电负载后还要返回到电池管理器内。 第二种 第三种 互锁线经过用电设备及高压插头后直接在用电设备内搭铁而不再返回到电池管理器内。电池管理器只检测该线束是否一直处于拉低状态即可检测该线路是否正常。 有些用电设备上没有可插拔的高压插头，电池管理器只通过CAN线与该设备通讯，当检测到高压用电设备没有高压电压时电池管理器也会报高压互锁或其它故障。 1 高压互锁的类型 （一）新能源车的高压电 BMS在检测到HVIL回路断开，判断车辆系统存在风险时，根据车辆情况，选择不同安全措施。 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。 （一）新能源车的高压电 BMS在检测到HVIL回路断开，判断车辆系统存在风险时，根据车辆情况，选择不同安全措施。 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。 ②切断高压电输出。 （一）新能源车的高压电 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。 BMS在检测到HVIL回路断开，判断车辆系统存在风险时，根据车辆情况，选择不同安全措施。 ③降低高压输出功率。 和汽车新时代的领导者一起成长 inwinic 《新能源汽车电学基础与高压安全》 控制互锁原理 02 新能源汽车中的高压互锁回路，又称控制互锁回路，是用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。通过使用低压信号来检查电动汽车上所有与高压线束相连的各组件，检测各个高压系统回路的电气连接完整性及连续性。 互锁开关控制 就理论上而言，低压监测回路要比高压先断开、后接通，且间隔一定的时长（比如150ms）。具体的高压互锁实现形式，不同项目有不同设计。 目前多采用集成在高压线束接插件上的形式。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。 互锁开关控制 一般电动车使用的高压部件有：、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。 电动车高压部件 电池包 车载充电装置 电驱动装置及控制电子系统 高压互锁回路 高压互锁回路。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。 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。 和汽车新时代的领导者一起成长 inwinic 《新能源汽车电学基础与高压安全》 控制互锁的作用 03 检测高压回路松动（会导致高压断电，整车失去动力，影响乘车安全）并在高压断电之前给整车控制器提供报警信息，预留整车系统采取应对措施的时间。 在车辆上电之前，若检测到电路不完整，则系统无法上电，避免因为虚接等问题造成事故； 防止人为误操作引发的安全事故。在高压系统工作过程中，如果没有高压互锁设计的存在，则手动断开高压连接点时。在断开的瞬间，整个回路电压将会全部加在断点两端，电压击穿空气在两个器件之间拉弧，时间虽短，但能量很高，可能对断点周围的人员和设备造成伤害 作用一 作用二 作用三 1 2 3 和汽车新时代的领导者一起成长 inwinic 《新能源汽车电学基础与高压安全》 高压防护措施 04 （一）由低压系统检测高压系统中连接位置的连接状态； 全部高压连接器对接位置，都配合有高压互锁信号回路，但回路形式与高压回路不具有必然的联系。 （一）由低压系统检测高压系统中连接位置的连接状态； 高压和互锁端子连接、高压和互锁端子断开状态 （一）由低压系统检测高压系统中连接位置的连接状态； 高压和互锁端子断开过程示意图 高压互锁线束 （一）由低压系统检测高压系统中连接位置的连接状态； 高压互锁端子 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压回路内以动力电池包作为电源，低压回路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。一旦低压信号中断，说明某一个高压连接器有松动或者脱落。 图中体现的高压互锁信号回路的基础上，按照整体策略，由监测点或监测回路，负责将高压互锁信号回路的状态传递给VCU或者BMS，完成整车的下电操作。 高压互锁检测电路 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压回路内以动力电池包作为电源，低压回路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。一旦低压信号中断，说明某一个高压连接器有松动或者脱落。 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。 高压互锁检测电路 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压回路内以动力电池包作为电源，低压回路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。一旦低压信号中断，说明某一个高压连接器有松动或者脱落。 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。 高压互锁检测电路 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压回路内以动力电池包作为电源，低压回路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。一旦低压信号中断，说明某一个高压连接器有松动或者脱落。 左图可看出，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。 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。 高压互锁插件剖面图 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 根据图5-2-11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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 正是通过图5-2-11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5-2-11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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压互锁故障检测机制: 在图5-2-11、图5-2-12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5-2-13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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压互锁故障逻辑实现框图 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压互锁故障检测机制: 高压互锁故障 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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 根据图5-2-13，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5-2-11中AD0、AD1与ADC端口采集到的电压分别为V0、V1与Vc，则当式3-2-1条件得到满足时判断高压接插件连接良好。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （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3-2-3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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （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3-2-4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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （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3-2-5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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （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3-2-6条件得到满足时，判断发生高压接插件虚接故障。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 高压互锁故障处理方式 高压互锁故障逻辑实现框图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5-2-1，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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 序号 故障分类 高压暴露风险 处理方式 1 高压接插件断开故障 是 高压下电 2 高压接插件对电源短路故障 否 上报不处理 3 高压接插件对地短路故障 否 上报不处理 4 高压接插件解除电阻大故障 否 上报不处理 5 高压接插件虚接故障 否 上报不处理 6 高压接插件其他故障 否 上报不处理 高压互锁故障处理方式 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 （1）当车速>5km/h时，仅上报不处理； 具体的故障处理方法如下： （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 具体的故障处理方法如下： （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。 （二）低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。 具体的故障处理方法如下： 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。 和汽车新时代的领导者一起成长 inwinic 《新能源汽车电学基础与高压安全》 实训：控制互锁电路的测量 05 （一）设备及工具准备。 序号 设备及工具名称 数量 1 动力电池pack台架 1张 2 绝缘手套 1双 任务实施前需要做好场地防护准备，检查实训场地和设备设施是否存在安全隐患，如不正常需进行处理方可实施任务。 （二）安全防护准备 防护准备2 检测绝缘手套有无破损、漏气等。 防护准备1 检查动力电池PACK台架上电情况； （三）实施步骤 步骤一：拉开隔离带，放置安全警示牌。 拉开隔离带，放置安全警示牌 （三）实施步骤 观察互锁系统的组成 步骤二：打开台架高压互锁界面观察互锁系统的组成。 （三）实施步骤 检查绝缘手套外观 步骤三：检查绝缘手套外观有无破损、漏气，耐压等级1000V以上，如都正常，佩戴好绝缘手套。 （三）实施步骤 步骤四：断开蓄电池负极，断开维修开关。 断开蓄电池负极（左）断开维修开关（右） （三）实施步骤 拔下高压配电箱PTC高压电源输出插接件 步骤五：拔下高压配电箱PTC高压电源输出插接件。 （三）实施步骤 观察PTC高压互锁结构 步骤六：观察PTC高压互锁结构，内有U型针。 （三）实施步骤 接回负极、台架警告灯亮起（上图）互锁结构界面显示高压互锁断开 步骤七：直接接回负极，台架警告灯亮起。互锁结构界面显示高压互锁断开。 （三）实施步骤 连续测试模式 步骤八：打开高压上下电界面，关闭警告灯。 （三）实施步骤 断开蓄电池 步骤九：断开蓄电池，接回高压插接件。 接回高压插接件 （三）实施步骤 步骤十：装回维修开关。 装回维修开关 步骤十一：再次接回蓄电池负极。 再次接回蓄电池负极 （三）实施步骤 步骤十二：打开POWER开关，旋转档位到D档，轻踩油门，电机运转正常。 档位到D档 轻踩油门 步骤十三：松开油门，转回N档，关闭POWER灯。 转回N档 （三）实施步骤 步骤十四：切断电源。 切断电源 （三）实施步骤 步骤十五：实训结束，清洁台面。 实训已完成 （四）6S管理 A B C 清洁车辆现场 收拾桌面 整理防护用品 C 现场6S管理 和汽车新时代的领导者一起成长 《新能源汽车电学基础与高压安全》 能力模块五 典型电路认知及检测 感谢您的观看 汇报人： $$