淺析高壓互鎖回路的設計方法

楊 康 方海峰

（上海航天科工電器研究院有限公司，上海200331）

0 引言

在全球能源危機和環境污染的大背景下，推進新能源汽車的應用與發展已是大勢所趨。數十年來，新能源汽車的發展已成為中國乃至全球汽車行業的熱點，在各國政府的大力支持下，新能源汽車產業得到了快速的發展。而在電動汽車及其他工業上，高壓系統的電壓已經遠遠超過人體的安全電壓，在系統帶電情況下的人為操作是不可避免的。目前高壓連接器插拔時主電路會帶電，容易產生電弧或擊穿現象，從而影響操作人員的安全，損壞電器，嚴重時甚至會引起火災，造成重大損失。因此在設計過程中需增加更多可靠的結構來避免非專業人員操作導致的危害人身安全的情況。

本文通過分析傳統連接器產品，沒有高壓互鎖裝置，導致產品電路接觸瞬間過載，以及高壓互鎖裝置沒有延時功能，導致電氣控制系統來不及對高壓電路進行控制，從而引起接觸時的瞬間過載、危害人身安全的問題，有針對性地設計了一種具有延時功能的高壓互鎖回路。并以此為實例，介紹了具有延時功能的高壓互鎖回路的設計方法。

1 高壓回路及高壓互鎖回路的結構原理圖

圖1為傳統高壓回路結構原理圖，圖中高壓電路沒有信號監測保護。圖2為帶有高壓互鎖回路保護的高壓回路原理圖，該高壓互鎖回路為高壓回路提供信號監測功能，避免高壓電器在人為操作過程中產生帶電現象，可有效延長電器使用壽命，降低安全事故發生的概率。

圖1 傳統高壓回路結構原理圖

圖2 帶高壓互鎖結構的高壓回路原理圖

2 高壓互鎖結構的設計

2.1 高壓互鎖結構的定義

高壓互鎖（High Voltage Inter-lock，簡稱HVIL），是用低壓信號監測高壓回路完整性的一種安全設計方法。其結構原理在于，在高壓互鎖回路接通或斷開的同時，反饋信號給電源控制器，進而控制高壓電路的供電與斷電。理論上，低壓監測回路相比高壓回路后接通先斷開，中間保持必要的量，其時間的長短可以根據具體情形確認。

2.2 高壓互鎖回路的設計方法

（1）確定高壓回路與高壓互鎖回路的制約條件。

1）接通電路：高壓互鎖回路接通的同時反饋供電信號給電源控制器為高壓回路供電，在高壓互鎖回路反饋供電信號時，高壓回路應是已接觸好的，保證高壓回路插入過程是無電的。即高壓互鎖回路相比高壓回路后接通。

2）斷開電路：高壓互鎖回路斷開的同時反饋斷電信號給電源控制器為高壓回路斷電，在高壓互鎖回路反饋斷電信號時，高壓回路仍是接觸的，保證高壓回路分離過程是無電的。即高壓互鎖回路相比高壓回路先分離。

3）高壓互鎖設計原理圖如圖2所示，設計中需保證高壓互鎖回路接觸件距離大于高壓回路接觸件距離，即：DIM A＞DIM B。

（2）為了實現上述功能，高壓互鎖結構應用于產品的結構原理圖如圖3所示。

圖3 結構原理圖

（3）如圖3結構原理圖所示，該高壓電器由插頭與插座共同組成。其中，插頭端子與插座端子為高壓端子，互配連接后組成高壓回路；金屬連接片與低壓探針1、低壓探針2為低壓端子，互配連接后組成高壓互鎖回路。

1）插頭向插座插入過程：插頭端子先與插座端子接觸并繼續插入一段距離后，金屬連接片才與探針1、探針2接通，并反饋供電信號給電源控制器為高壓回路供電。此過程保證高壓回路插入過程無電。

2）插頭向插座分離過程：金屬連接片優先與低壓探針1、低壓探針2實現分離，并反饋斷電信號給電源控制器為高壓回路斷電，在主電路已斷電的情況下，插頭端子繼續拔出一段距離后才與插座端子分離。此過程保證高壓回路分離過程無電。

3 高壓互鎖結構設計實例

3.1 結構總裝圖

高壓互鎖插針如圖4所示，高壓互鎖彈片如圖5所示，本高壓互鎖結構總裝圖（高壓電器插頭與高壓電器插座分離、嚙合的結構示意圖）如圖6所示。

圖4 高壓互鎖插針示意圖12—高壓互鎖插針 121—高壓互鎖插針接觸部122—高壓互鎖插針接線孔 123—導線

圖5 高壓互鎖彈片示意圖22—高壓互鎖短接彈片 221—高壓互鎖彈片上彈壁222—高壓互鎖彈片下彈壁 223—彈片導引部224—彈片延長部 225—彈性掛鉤

3.2 具體實施方式介紹

如圖4所示，導線123通過高壓互鎖插針12的接線孔122與接觸部121連接成為一體。

如圖5所示，高壓互鎖短接彈片22由彈片導引部223、彈片延長部224、高壓互鎖彈片上彈壁221和高壓互鎖彈片下彈壁222組成，彈片延長部224上設置有彈性掛鉤225。

如圖6所示，將高壓互鎖插針12和插座插針端子13安置于插座絕緣基座15中，并將插座絕緣基座15安置于插座外殼11內形成高壓電器插座1；高壓互鎖短接彈片22通過彈性掛鉤225固定在插頭絕緣基座25上，插頭插孔端子23安置于插頭絕緣基座25內，插頭絕緣基座25安置于插頭外殼21內形成高壓電器插頭2。

高壓互鎖插針12和插座插針端子13設置在高壓電器插座1上；高壓互鎖短接彈片22和插頭插孔端子23設置在高壓電器插頭2上。插座插針端子13和插頭插孔端子23的接通或斷開用于控制高壓回路的接通或斷開；高壓互鎖插針12和高壓互鎖短接彈片22接通或斷開用于控制高壓互鎖回路的接通或斷開。

圖6 高壓互鎖結構總裝圖1—高壓電器插座 2—高壓電器插頭 11—插座外殼12—高壓互鎖插針 13—插座插針端子 15—插座絕緣基座21—插頭外殼 22—高壓互鎖短接彈片 23—插頭插孔端子25—插頭絕緣基座 121—高壓互鎖插針接觸部221—高壓互鎖彈片上彈壁 222—高壓互鎖彈片下彈壁225—彈性掛鉤

3.3 高壓互鎖回路工作過程介紹

高壓電器插頭2向插座1插入的互配過程：使插頭2向連接器插座1插入，高壓回路的插孔端子23先接觸到高壓回路的插針端子13，并插入一定距離后，連接器插頭2的短接彈片22的上、下彈壁221、222同時向高壓互鎖插針12的接觸部121靠攏并實現彈性接觸。高壓互鎖回路接通并反饋供電信號為高壓回路供電。

高壓電器插頭2向插座1拔出的分離過程：使插頭2向連接器插座1分離，高壓互鎖插針12的接觸部121與短接彈片22的上、下彈壁221、222先分離，高壓互鎖回路斷開并反饋信號給電源控制器為高壓回路斷電，插頭2繼續拔出一定距離后，高壓回路插孔端子23才與高壓回路插針端子13分離。

4 結語

在高壓互鎖回路設計中，并不局限于以上實例結構，也可將短接彈片結構設置于高壓電器插座端，將高壓互鎖插針設置于插頭端。或可設計為可實現高壓互鎖原理和功能的其他結構形式。高壓互鎖結構的特點在于能夠提供安全性更高、結構簡單且能確保高壓回路操作安全性與可靠性的一種保護結構，可廣泛應用于新能源汽車產品領域及相關領域。