電動汽車高壓互鎖研究

李高林，黃舞浩，鄒圣星，范 學

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳 518118）

隨著經濟的發展，能源與環保問題日益突出，世界各國都逐漸將目光投向了環保和節能的電動汽車。時至今日，電動汽車已成為各大車企爭先奪取的高地，我司也成功推出了多款電動汽車產品，并在國內甚至世界保持領先水平。

相對于傳統汽車而言，電動汽車的一個重要特點就是車內裝有能保證足夠動力性能的高壓系統，包括了充電系統、配電箱、儲能系統 （動力電池）、動力系統 （即驅動電機）等高壓部件，如圖1所示。由此而存在的高壓電傷害隱患完全有別于傳統汽車，其高達300 V以上的電壓以及可能達到數十、甚至數百安培的電流隨時考驗著車載高壓用電器的使用安全。因此，隨著電動汽車行業的不斷向前發展，對電動汽車電安全的研究刻不容緩。電動汽車高壓電安全措施有以下幾點。

1）在用戶正常操作時，通過絕緣防護、等電勢 （搭鐵電阻）、外殼IP防護、泄漏電流等措施提供電氣防護。

2）環境條件和可能發生的意外事件都可能使得這種保護的強度降低。因此，高壓系統配置了絕緣監測功能，一般采用漏電傳感器對高壓系統進行絕緣監控。

3）在車輛維修保養時，采用緊急維修開關進行安全防護。

4）在異常使用時 （例如碰撞、非正常操作斷開高壓連接器等），采用高壓互鎖、高壓泄放 （主動放電、被動放電）保障使用安全。

5）在電路設計時，應能滿足電氣間隙、爬電距離等要求，并具備各類過壓、過流、短路防護功能。

以上為電動汽車高壓電安全設計的保護措施，本文主要對高壓互鎖進行介紹。

1 高壓互鎖的定義

在ISO國際標準 《ISO 6469-3：2001電動汽車安全技術規范 第3部分：人員電氣傷害防護》中，規定車上的高壓部件應具有高壓互鎖裝置，但并沒有詳細地定義高壓互鎖系統。高壓互鎖，也指危險電壓互鎖回路 （HVIL-Hazardous Voltage Interlock Loop）：通過使用電氣小信號，來檢查整個高壓產品、導線、連接器及護蓋的電氣完整性 （連續性），識別回路異常斷開時，及時斷開高壓電。

高壓互鎖回路如圖2所示。當整車發生碰撞時，碰撞傳感器發出碰撞信號，觸發HVIL斷電信號，整車高壓源會在毫秒級時間內自動斷開，以保障用戶的安全，如圖3所示。

2 高壓互鎖的組成

2.1 互鎖信號回路

高壓互鎖信號回路包括兩部分，如圖2中黑線和虛線所示。

1）黑線部分用于監測高壓供電回路的完整性，可以分為兩種形式：一種是與高壓電源線并聯，并在所有高壓連接器端與連接器監測器連接，將所有的連接串接起來組成一個完整的回路 （圖4），可以利用高壓線上的屏蔽線組成信號回路的一部分，以使整個系統變得更簡單和可靠；另外一種形式為各個高壓部件控制器負責監測各自的HVIL信號，只有當全部的控制器收到HVIL接通信號時，才允許接通高壓源，如圖5所示。

2）虛線部分用來監測所有高壓部件保護蓋是否非法開啟，利用信號線將所有高壓器件上的監測器全部串聯起來，組成另外一條監測信號回路。

2.2 互鎖監測器

監測器分為兩類，一種用于監測高壓連接器連接是否完好，另外一種用于監測高壓部件的保護蓋是否開啟。

1）高壓連接器監測器如圖6所示，圖6a為將監測器設置在連接器上的一體式的設計，圖6b為通用的最新專利設計。

通用監測器的設計是利用壓接方法在連接器自鎖結構上增加電氣連接作為自鎖回路短接信號，這種設計既保證了連接器防水等級又能不增加冗余的空間，非常巧妙。圖7中白色方框區為某車型動力電池動力母線互鎖監測器，在動力母線拔出時，其也會隨之斷開，HVIL高壓互鎖回路就會觸發高壓斷電信號，保障用戶的操作安全。

2）高壓部件開蓋監測器如圖8所示，結構類似于連接器，一端安裝于高壓部件保護蓋上，另外一端安裝于高壓部件主體內部，當保護蓋開啟時連接器也斷開，HVIL信號中斷。通常需要設置監測器的部件包括：①驅動電機控制器；②DC-DC變換器；③高壓配電箱；④車載充電器；⑤空調驅動器；⑥電池管理器。

2.3 自動斷路器

自動斷路器 （也稱正極、負極接觸器）為互鎖系統切斷高壓源的執行部件，形式類似于繼電器，如圖9所示。在高壓互鎖系統識別到危險情況時，能否正確斷開高壓源是非常關鍵的，所以自動斷路器對高壓互鎖的作用影響相當大，其如何設置需參照以下原則。

1）自動斷路器需要盡可能地接近電池包 （高壓源），以減少在斷電時候繼續蓄能的電路。

2）自動斷路器的初始狀態應該是常開的狀態，需要控制器給予安全信號方能閉合，以避免高壓線路誤接通。

3）復位自動斷路器應要求操作者施加額外的信號，需其確認當前為已消除高壓危險的情況方能復位。

4）自動斷路器應具有自診斷的能力，將其內部的故障檢測出來并予以顯示，如果不能正常工作，則整車需要特殊處理 （停車或報警）。

5）自動斷路器即使是在出現供電電壓過低的情況下也應能操作。

6）自動斷路器需要提供一個輸出信號，提前通知其他用電負載，使之能在斷電之前有提前響應的時間。

7）行駛過程中等特殊情況不能強行斷開。

圖10為DC-DC供電原理圖，其中自動斷路器建議設計在最靠近動力電池包處，由此可以減少斷電時蓄能的電路，而且使用的是雙極同時斷開，可以使高壓互鎖起作用時高壓源徹底和各高壓部件隔離，能夠很好地保護使用者。斷路器也可以設置在電池包的正中央位置，通過切斷高壓源內部的連接，起到整車徹底斷電的目的。

3 控制策略

高壓互鎖系統在識別到危險時，整個控制器應根據危險時的行車狀態及故障危險程度運用合理的安全策略，這些策略包括以下幾點。

1）故障報警。無論電動汽車在何種狀態，高壓互鎖系統在識別到危險時，車輛應該對危險情況做出報警提示，需要儀表或指示器以聲或光報警的形式提醒駕駛員，讓駕駛員注意車輛的異常情況，以便及時處理，避免發生安全事故。

2）切斷高壓源。當電動汽車在停止狀態時，高壓互鎖系統在識別嚴重危險情況時，除了進行故障報警，還應通知系統控制器斷開自動斷路器，使高壓源被徹底切斷，避免可能發生的高壓危險，確保財產和人身安全。

3）降功率運行。電動汽車在高速行車過程中，高壓互鎖系統在識別到危險情況時，不能馬上切斷高壓源，應首先通過報警提示駕駛員，然后讓控制系統降低電機的運行功率，使車輛速度降下來，以使整車高壓系統在負荷較小的情況下運行，盡量降低發生高壓危險的可能性，同時也允許駕駛員能夠將車輛停到安全地方。

［1］ISO 6469-3：2001電動汽車 安全技術規范 第3部分：人員電氣傷害防護［S］.