電動汽車，高壓互鎖怎樣應用

1 什麼是電動汽車上的高壓互鎖？

高壓互鎖（High Voltage Inter-lock， 簡稱HVIL），用低壓信號監視高壓迴路完整性的一種安全設計方法。理論上，低壓監測迴路比高壓先接通，後斷開，中間保持必要的提前量，時間長短可以根據項目具體情形確定，比如150ms，大體在這個量級。具體的高壓互鎖實現形式，不同項目可能有不同設計。監測目標是高壓連接器這類要求人力操作實現電路接通還是斷開的電氣介面元件。

在電動汽車高壓迴路中，要求具備HVIL功能的電氣元件主要是高壓連接器，手動維修開關（MSD）。

2 電動汽車為什麼需要高壓互鎖？

從系統功能安全的角度出發，每個可能存在的風險，都需要配置相應的安全技術手段予以監測，以降低風險發生的概率。從這個層面出發，高壓互鎖，作為電動汽車高壓系統安全的一個安全措施，在電路設計中使用。

電動汽車高壓系統的風險點之一，是突然斷電，汽車失去動力。可能造成汽車失去動力的原因有幾種，其中之一就是高壓迴路自動鬆脫。高壓互鎖可以監測到這種跡象，並在高壓斷電之前給整車控制器提供報警信息，預留整車系統採取應對措施的時間。

電動汽車的另外一個風險點，是人為誤操作，在系統工作過程中，手動斷開高壓連接點。如果沒有高壓互鎖設計存在，在斷開的瞬間，整個迴路電壓加在斷點兩端，對於高壓連接器這類本身不具備分斷能力的器件來說，是非常危險的。電壓擊穿空氣在兩個器件之間拉弧，時間雖短，但能很高，可能對斷點周圍的人員和設備造成傷害。

關於高壓互鎖的具體目的，還有幾個不同的說法。有的觀點認為，高壓互鎖主要在車輛上電行車之前發揮作用，檢測到電路不完整，則系統無法上電，避免因為虛接等問題造成事故；也有人認為，高壓互鎖主要在碰撞斷電過程中發揮作用，碰撞信號通過觸發高壓互鎖信號，執行系統下電。只是，處於碰撞後比較危急的情況中，執行斷電的步驟應該是越少越好，碰撞信號直接傳遞給VCU，邏輯上比較合理一些。

3 高壓互鎖原理

高壓互鎖設計有兩個方面的因素需要考慮，一個是低壓系統怎樣全面檢測到整個高壓系統每個連接位置的連接狀態；另一個問題是，怎樣實現低壓檢測迴路的信息傳遞動作必須領先於高壓迴路斷開的動作。因此高壓互鎖原理需要從這兩個方面出發，考慮整體電路設計原理和連接器自身設計原理。

3.1 高圧互鎖迴路設計原理

全部高壓連接器對接位置，都配合有高壓互鎖信號迴路，但迴路形式與高壓迴路不具有必然的聯繫。也就是說，高壓上，電氣A和電氣B構成一個完整迴路。但高壓互鎖，可能給A設置一個單獨的互鎖信號迴路，給B單獨設置一個互鎖信號迴路；也可能把A和B的互鎖信號串聯在一個迴路中。

高壓迴路內以動力電池包作為電源，低壓迴路也需要一個檢測用電源，讓低壓信號沿著閉合的低壓迴路傳遞。一旦低壓信號中斷，說明某一個高壓連接器有鬆動或者脫落。高壓互鎖原理圖如下。在下面圖片體現的高壓互鎖信號迴路基礎上，按照整體策略，設計監測點或者監測迴路，負責將高壓互鎖信號迴路的狀態傳遞給VCU或者BMS。

高壓互鎖迴路的組成

高壓互鎖技術的實現，需要如下設備共同完成：高壓互鎖連接器及高低壓導線，閉合的低壓電源信號周轉迴路，高壓互鎖監測迴路及監測器（監測模塊可以在電池管理系統BMS上，也可以在整車控制器VCU上，或者二者分別具備監測功能），直接受高壓互鎖監測信號控制的高壓繼電器（如果有），VCU根據高壓互鎖監測結果控制的高壓繼電器。

高壓互鎖監測器分為兩種，一種是監測高壓迴路是否完整連接，另一種是監測高壓電氣外殼是否就位。兩種監測器分別用在不同的高壓互鎖系統中，不能混用。

3.2 HVIL連接器的工作原理

具備高壓互鎖功能的高壓連接器，由殼體、高壓導電件、低壓信號導電件和監測器及監測線路共同組成。

高壓互鎖連接器，一般實現方式是，對插的一對公頭、母頭上，分別固定著一對高壓接插件和一對低壓接插件。高壓斷開狀態，低壓迴路被切斷；高壓連接狀態，低壓迴路的斷點被短接，形成完整迴路

下面這個自然段里提到了幾個名詞，高壓連接器、公頭，母頭，公端子，母端子，公針、母針，沒找到合適的圖示，請自行理解一下。

以下圖中的高壓連接器為例，直流高壓連接器，有正極和負極兩組公端子母端子。低壓迴路同樣由兩對公針母針和殼體組成。在公頭和母頭上，高低壓導電件被固定在一個殼體上，相對位置固定。要實現低壓比高壓首先獲得斷開的信息，落後獲得連接完成的信息，需要確保低壓迴路插針晚於高壓迴路端子的對接接觸時間，調節高壓端子和低壓插針的長度就可以實現。一個籠統的說法是，低壓插針短（或者位置落後），高壓端子剛剛接觸的狀態，低壓插針還有一段距離；高壓端子已經對接大半，低壓插針才剛接觸；高壓端子插接到位，低壓端子也插接到位。

監測器，負責採集低壓信號迴路的通斷狀態，發送給控制器。這樣，在高壓迴路真正實現通斷以前，控制器已經掌握了這個連接器的狀態。

4 高壓互鎖案例

案例來自孫李璠的文章《純電動汽車高壓互鎖方案設計》，介紹了高壓互鎖技術在電動汽車高壓迴路中的應用。

方案1

下圖中，粗實線表示12V電源的高壓互鎖信號迴路，虛線是高壓互鎖監測迴路，HVIL監控迴路向VCU彙報信息，由VCU確定是否接通或斷開高壓繼電器，並通過BMS執行動作。

圖中可以看到，電機和電機控制器串聯在一個高壓互鎖檢測迴路中，由一個檢測點2監測狀態；其餘3個用電器，每人單獨處於一個高壓互鎖信號迴路，具備1個檢測點。

檢測點1的工作與高壓互鎖無關，是為了應對電路出現異常情形。檢測點1將異常情形傳遞至VCU，VCU要求BMS斷開電池包內的主迴路繼電器。

檢測點2，既是電機和電機控制器高壓互鎖的監測點，也連接著低壓繼電器2的線圈一端。當電機和電機控制器的HVIL連接正常時，檢測點2的電壓是12V，VCU指令繼電器2吸合，通過繼電器2給BMS供給12V電源；當連接器沒有完好連接，VCU要求繼電器2斷開，則檢測點2電壓為0，BMS電源為0，不能工作；這個迴路的總體想法是由電機的連接狀態去控制BMS工作與否。

檢測點3、 4、 5分別體現DCDC、壓縮機和PTC3個裝置的高壓連接器狀態，檢測電壓12V說明連接良好，檢測電壓0說明高壓連接器處於斷開狀態，VCU根據 檢測結果執行控制策略。

這個方案，由於繼電器2的工作方式，使得BMS的工作狀態與電機和電機控制器產生了聯動。但VCU始終需要通過BMS合分主迴路繼電器。

方案2

如下圖所示，粗線和虛線的含義與方案1相同，去掉了繼電器2的設置，異常情況依然依靠檢測點1的信號反應。

檢測點2體現電機和電機控制器的高壓互鎖檢測結果，檢測點3反應DCDC、空調壓縮機和PTC的高壓互鎖迴路完整情形。如果檢測點2、 3的電壓是12V說明連接正常，如果是0V，說明有連接器斷開。VCU根據檢測點傳遞過來的信息，要求BMS控制主迴路繼電器的通斷。

從這個案例我們不難看出，高壓互鎖迴路，如果想要確切了解是哪個電氣的連接器處於斷開狀態，則需要對這個用電器設計單獨的HVIL迴路並單獨設置檢測點。

如果沒有確切了解的必要，則最好將工作上有相關性的電氣安排在同一個HVIL迴路中，以簡化控制；

實際上，高壓互鎖的監測任務，也可以由BMS來擔當；

某些電動汽車的設計，將主迴路繼電器的控制許可權放在VCU這裡，可以減少一次VCU判斷高壓互鎖情況以後，需要發報文給BMS，才能實現繼電器的通斷的步驟；

案例中，沒有給動力電池包設置高壓互鎖檢測點，這是不太常見的情形。一般，動力電池包的高壓連接器和手動維修開關（MSD）都會設置高壓互鎖。

參考文獻

1 宋炳雨，純電動汽車高壓電安全管理系統研究與設計；

2 張俊，純電動汽車高壓電安全監控系統研究；

3 樂登，純電動汽車突然失壓的應急控制策略研究；

4 石東海，地鐵車輛高壓設備互鎖設計；

5 何國新，HEV高壓互鎖迴路安全設計研究；

6 孫李璠，純電動汽車高壓互鎖方案設計；

7 武曉華，PHEV車型高壓互鎖方案設計及分析；

8 李高林，電動汽車高壓互鎖研究；

（圖片來自互聯網公開信息）