詳解大眾MQB/MEB平臺(tái)高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)

成都市毛建軍新能源汽車(chē)技能大師工作室 毛建軍

高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)承擔(dān)著接通、斷開(kāi)高壓，緊急狀態(tài)下的安全保護(hù)，監(jiān)測(cè)控制結(jié)果，檢測(cè)電壓、電流的重要任務(wù)，是電動(dòng)、混動(dòng)新能源汽車(chē)重要的安全控制部件。

目前，汽車(chē)維修中有關(guān)高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)的介紹還比較少，維修人員對(duì)高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)基本原理掌握不足，這在一定程度上影響了維修人員對(duì)高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)方面故障的判斷及維修。因此，有必有對(duì)高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)、功能與采樣進(jìn)行介紹和說(shuō)明。本文以大眾車(chē)型高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。按照車(chē)型，大眾分為MQB平臺(tái)和MEB 平臺(tái)，按照動(dòng)力狀態(tài)又分為PHEV和BEV，高壓蓄電池高壓開(kāi)關(guān)有MQB-PHEV混合動(dòng)力高壓開(kāi)關(guān)、MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)、MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)三種。其中，MQB-PHEV混合動(dòng)力高壓開(kāi)關(guān)主要用于邁騰、高爾夫、帕薩特、途觀(guān)等混合動(dòng)力車(chē)型上，MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)主要用于朗逸、寶來(lái)、高爾夫等純電動(dòng)車(chē)型上，MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)主要用于ID系列純電動(dòng)車(chē)型上。

1 高壓開(kāi)關(guān)基本組成

（1）開(kāi)關(guān)內(nèi)部橙色部分為高壓，包括電壓采樣線(xiàn)、電流信號(hào)、接觸器觸點(diǎn)、預(yù)充電電路。

（2）開(kāi)關(guān)內(nèi)部包括電流傳感器、高壓熔斷器、電壓采樣電路。

（3）開(kāi)關(guān)內(nèi)部包含高壓蓄電池電源接觸器、直流充電接觸器、預(yù)充電接觸器，其中直流充電接觸器、預(yù)充電接觸器由高壓開(kāi)關(guān)類(lèi)型決定是否安裝。

（4）開(kāi)關(guān)的溫度傳感器、預(yù)充電電阻、電容、燃爆式安全開(kāi)關(guān)等部件由高壓開(kāi)關(guān)類(lèi)型決定是否安裝。

2 高壓開(kāi)關(guān)基本控制框圖

高壓開(kāi)關(guān)安裝在高壓蓄電池內(nèi)部，受高壓蓄電池控制單元控制。如圖1所示，高壓蓄電池控制單元（J840）控制高壓接觸器斷開(kāi)、閉合，從而實(shí)現(xiàn)高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)斷開(kāi)、連接。

圖1 高壓開(kāi)關(guān)基本控制框圖

3 高壓開(kāi)關(guān)主要部件

（1）高壓蓄電池控制單元（圖2）。高壓蓄電池控制單元的功能包括控制高壓蓄電池模組控制器、高壓開(kāi)關(guān)、高壓蓄電池冷卻、電芯均衡、高壓聯(lián)鎖、檢測(cè)絕緣及高壓電池容量管理等，其內(nèi)部包含高壓、控制電路高低壓隔離，外部連接也采用高低壓隔離的連接方式。

圖2 高壓蓄電池控制單元

（2）電流傳感器。高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)集成有2個(gè)霍爾式電流傳感器（圖3），用于檢測(cè)高壓蓄電池實(shí)際充、放電電流，據(jù)此，高壓蓄電池控制單元計(jì)算判斷高壓電路、高壓電池負(fù)載狀態(tài)。2個(gè)電流傳感器是作為冗余控制的。電流傳感器有2線(xiàn)式和6線(xiàn)式，6線(xiàn)式電流傳感器集成有開(kāi)關(guān)溫度傳感器（G1132）。電流傳感器采用螺栓壓接方式安裝在高壓蓄電池HV-與高壓電源接觸器負(fù)之間。

圖3 電流傳感器

（3）高壓電源接觸器和直流充電接觸器（圖4）。高壓電源接觸器、直流充電接觸器控制高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)、直流充電插座的閉合、斷開(kāi)。高壓電源接觸器、直流充電接觸器采用同一型號(hào)高壓接觸器，采用螺栓壓接方式連接高壓回路，采用插接件連接接觸器線(xiàn)圈。接觸器線(xiàn)圈由低壓直流12 V控制，觸點(diǎn)控制高壓。高壓蓄電池控制單元能夠?qū)Ω邏弘娫唇佑|器、直流充電接觸器的觸點(diǎn)閉合狀態(tài)、控制線(xiàn)圈的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 高壓電源接觸器和直流充電接觸器

（4）預(yù)充電接觸器（圖5）。預(yù)充電接觸器控制高壓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)預(yù)充電電路的閉合、斷開(kāi)。預(yù)充電接觸器一般采用插接方式安裝。預(yù)充電接觸器線(xiàn)圈由低壓直流12 V控制，觸點(diǎn)控制高壓。高壓蓄電池控制單元能夠?qū)︻A(yù)充電接觸器觸點(diǎn)閉合狀態(tài)、控制線(xiàn)圈的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖5 預(yù)充電接觸器

（5）預(yù)充電電阻（圖6）。預(yù)充電電阻在預(yù)充電狀態(tài)下串聯(lián)在整車(chē)高壓供電電路中，用于降低高壓供電電路的啟動(dòng)電流。預(yù)充電電阻與預(yù)充電接觸器觸點(diǎn)串聯(lián)，電阻為大功率電阻，阻值為30 Ω。不同配置高壓開(kāi)關(guān)預(yù)充電電阻的阻值、功率有差異。

圖6 預(yù)充電電阻

（6）高壓熔斷器（圖7）。高壓熔斷器用于高壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)線(xiàn)路的過(guò)流、短路保護(hù)。高壓熔斷器有額定電流和電壓等級(jí)要求，以保障熔斷器的熔斷斷路能力。高壓熔斷器采用螺栓壓接方式安裝，由電壓采樣線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控。不同配置高壓開(kāi)關(guān)的高壓熔斷器安裝位置不同，不同配置高壓熔斷器的熔斷參數(shù)不同。

圖7 高壓熔斷器

（7）燃爆式安全開(kāi)關(guān)（S415，圖8）。燃爆式安全開(kāi)關(guān)用于碰撞斷電、高壓系統(tǒng)過(guò)流短路保護(hù)。由安全氣囊控制單元根據(jù)碰撞信號(hào)直接觸發(fā)燃爆式安全開(kāi)關(guān)，觸發(fā)后，整車(chē)高壓系統(tǒng)電路與高壓蓄電池?cái)嗦贰Ｈ急桨踩_(kāi)關(guān)具有過(guò)流熔斷功能，不同配置熔斷電流參數(shù)不同。注意：燃爆式安全開(kāi)關(guān)是不可恢復(fù)性緊急斷路器，如果觸發(fā)，則需要更換燃爆式安全開(kāi)關(guān)方可恢復(fù)上電。

圖8 燃爆式安全開(kāi)關(guān)

（8）電容（圖9）。在高壓開(kāi)關(guān)高壓蓄電池輸入端并聯(lián)有電容（25μF/600 V），其作用是保持電壓不變和電壓峰值保持平穩(wěn)，穩(wěn)定高壓電網(wǎng)電壓。特別提醒：電容為儲(chǔ)能元件，在拆、裝高壓開(kāi)關(guān)時(shí)需要按照規(guī)定步驟對(duì)電容進(jìn)行放電、充電操作。

圖9 電容

4 MQB/MEB平臺(tái)典型高壓開(kāi)關(guān)

4.1 MQB-PHEV混合動(dòng)力高壓開(kāi)關(guān)

4.1.1 MQB-PHEV混合動(dòng)力高壓開(kāi)關(guān)的部件

MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)為三接觸器結(jié)構(gòu)（圖10），其控制功能如圖11（圖中A～E為5個(gè)電壓取樣點(diǎn)）所示，接觸器觸點(diǎn)用于控制高壓蓄電池與高壓電路的連接，接觸器線(xiàn)圈為低壓直流12 V控制。預(yù)充電接觸器、預(yù)充電電阻、高壓電源正接觸器安裝在高壓正極電路中；高壓電源負(fù)接觸器安裝在高壓負(fù)極電路中；電流傳感器（有4根線(xiàn)，實(shí)際上為2個(gè)電流傳感器串聯(lián)，每個(gè)傳感器使用2根線(xiàn)）串聯(lián)在高壓蓄電池負(fù)極與高壓熔斷器之間；高壓熔斷器采用螺栓壓接安裝在電流傳感器與電源負(fù)接觸器之間，用于高壓系統(tǒng)的短路保護(hù)。電壓采樣線(xiàn)共5根，其中高壓正2根、高壓負(fù)3根。

圖10 MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)

4.1.2 MQB-PHEV混合動(dòng)力高壓開(kāi)關(guān)的控制功能

如圖11所示，MQB-PHEV帶預(yù)充電電阻的三接觸器控制功能如下。

圖11 MQB-PHEV帶預(yù)充電電阻的三接觸器控制功能

（1）正常上電功能。MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)激活受點(diǎn)火開(kāi)關(guān)點(diǎn)火信號(hào)（15號(hào)線(xiàn)）控制。高壓蓄電池控制單元判斷總線(xiàn)信號(hào)、電流傳感器、電池溫度、電芯電壓、電壓采樣線(xiàn)、絕緣信號(hào)、安全聯(lián)鎖、低壓蓄電池電壓、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)等高壓上電條件，所有高壓上電條件滿(mǎn)足，高壓系統(tǒng)經(jīng)預(yù)充電后完成高壓系統(tǒng)上電，高壓電源正、負(fù)接觸器受控閉合。高壓上電任一條件不滿(mǎn)足，高壓系統(tǒng)斷電，高壓電源正、負(fù)接觸器處于受控?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)。

（2）預(yù)充電功能。MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)受高壓蓄電池控制器單元控制，在滿(mǎn)足上電條件后，高壓蓄電池控制器單元控制預(yù)充電接觸器和高壓電源負(fù)接觸器閉合，預(yù)充電電阻降低高壓系統(tǒng)啟動(dòng)電流，進(jìn)行高壓系統(tǒng)預(yù)充電。高壓系統(tǒng)預(yù)充電電流、電壓曲線(xiàn)由高壓蓄電池控制單元通過(guò)電流傳感器和電壓采樣線(xiàn)監(jiān)控。預(yù)充電完成后，高壓蓄電池控制單元控制高壓電源正接觸器閉合，斷開(kāi)預(yù)充電接觸器。

（3）交流充電功能。車(chē)載充電裝置通過(guò)總線(xiàn)激活高壓蓄電池控制單元，在判斷交流充電條件滿(mǎn)足后，高壓蓄電池控制單元控制預(yù)充電功能和正常上電功能，最終實(shí)現(xiàn)高壓電源正、負(fù)接觸器受控閉合。

（4）過(guò)載保護(hù)功能。MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)電流傳感器串聯(lián)在高壓蓄電池負(fù)與高壓熔斷器之間，通過(guò)實(shí)測(cè)高壓蓄電池的充、放電電流，與相關(guān)控制器中當(dāng)前工況下的理論電流進(jìn)行對(duì)比，判斷高壓系統(tǒng)負(fù)載狀態(tài)。如果高壓蓄電池控制單元根據(jù)電流傳感器信號(hào)判斷高壓系統(tǒng)過(guò)載，則控制高壓電源正、負(fù)接觸器處于受控?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)。

（5）短路保護(hù)功能。高壓熔斷器采用螺栓壓接安裝在電流傳感器與電源負(fù)接觸器之間，用于高壓系統(tǒng)的過(guò)流、短路保護(hù)。

（6）斷路保護(hù)功能。高壓蓄電池控制單元通過(guò)安全聯(lián)鎖線(xiàn)判斷高壓電路連接狀態(tài)，任何一個(gè)高壓導(dǎo)線(xiàn)連接異常，高壓蓄電池控制單元均控制高壓電源正、負(fù)接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。

（7）碰撞斷電功能。MQB-PHEV高壓開(kāi)關(guān)碰撞斷路由安全氣囊控制單元根據(jù)碰撞減速度通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送不同等級(jí)的碰撞信號(hào)，當(dāng)高壓蓄電池控制單元接收到不同等級(jí)的碰撞信號(hào)后，控制高壓電源接觸器線(xiàn)圈斷電，斷開(kāi)高壓。典型的碰撞高壓斷電分為2種：一種可以通過(guò)斷開(kāi)、接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)恢復(fù)高壓系統(tǒng)供電；另一種不能通過(guò)斷開(kāi)、接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)恢復(fù)高壓系統(tǒng)供電，必須通過(guò)故障檢測(cè)儀清除故障代碼或設(shè)定來(lái)恢復(fù)高壓系統(tǒng)供電。

4.2 MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)

4.2.1 MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)的部件

MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)（圖12）的結(jié)構(gòu)與MQBPHEV高壓開(kāi)關(guān)基本一致，但由于純電車(chē)輛增加了直流充電功能，因此在高壓開(kāi)關(guān)中增加了直流充電接觸器1和直流充電接觸器2，同時(shí)為穩(wěn)定高壓蓄電池輸出電壓，在高壓開(kāi)關(guān)輸入端HV+與HV-之間并聯(lián)有高壓電容器（C30）。電壓采樣線(xiàn)共7根，其中高壓正4根，高壓負(fù)3根。

圖12 MQB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)

4.2.2 MQB-BEV帶預(yù)充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能

MQB-BEV高壓開(kāi)關(guān)為五接觸器結(jié)構(gòu)，與MQBPHEV高壓開(kāi)關(guān)相比，主要變化是增加了直流充電功能、電容穩(wěn)壓和交流充電功能。直流充電功能由高壓蓄電池充電電壓控制單元激活，其他控制功能與MQBPHEV一致。如圖13（圖中A～G為7個(gè)電壓取樣點(diǎn)）所示，MQB-BEV帶預(yù)充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能如下。

圖13 MQB-BEV帶預(yù)充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能

（1）直流充電功能。MQB-BEV直流充電功能由高壓蓄電池充電電壓控制單元通過(guò)總線(xiàn)激活高壓蓄電池控制單元，高壓蓄電池充電電壓控制單元和高壓蓄電池控制單元在判斷直流充電條件全部滿(mǎn)足后控制控制高壓開(kāi)關(guān)工作。直流充電時(shí)，高壓電源正、負(fù)接觸器及直流充電正、負(fù)接觸器都處于閉合狀態(tài)。

（2）交流充電功能。高壓蓄電池充電電壓控制單元通過(guò)總線(xiàn)激活高壓蓄電池控制單元，高壓蓄電池充電電壓控制單元、高壓蓄電池控制單元在判斷交流充電條件滿(mǎn)足后，高壓蓄電池控制單元控制預(yù)充電功能和正常上電功能，最終實(shí)現(xiàn)高壓電源正、負(fù)接觸器受控閉合。

（3）電容穩(wěn)壓。高壓電容器并聯(lián)在高壓蓄電池HV+與HV-之間，用于穩(wěn)定高壓蓄電池電壓。

4.3 MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)

4.3.1 MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)

MEB-BEV車(chē)型高壓開(kāi)關(guān)（圖14和圖15）包括高壓蓄電池負(fù)開(kāi)關(guān)盒（SX7）和高壓蓄電池正開(kāi)關(guān)盒（SX8），取消了預(yù)充電接觸器及預(yù)充電電阻，但保留預(yù)充電功能，在高壓開(kāi)關(guān)中增加了燃爆式安全開(kāi)關(guān)，部分配電功能也在高壓開(kāi)關(guān)中。SX7與SX8通過(guò)外部連接（圖16），實(shí)現(xiàn)高壓蓄電池與外部電路連接、計(jì)量、控制、監(jiān)控、配電。

圖14 MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)

圖15 MEB-BEV純電高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路

圖16 SX7與SX8的連接方式

如圖17所示，SX7中有2個(gè)電流傳感器、開(kāi)關(guān)溫度傳感器、燃爆式安全開(kāi)關(guān)（S415）、高壓電源接觸器負(fù)、直流充電接觸器負(fù)及4根電壓采樣線(xiàn)等。SX7與直流充電插座負(fù)、高壓蓄電池負(fù)和輸出負(fù)連接。如圖18所示，SX8中有高壓電源接觸器正、直流充電接觸器正、高壓熔斷器（S352）及4根電壓采樣線(xiàn)等。SX8與直流充電插座正、高壓蓄電池正、高壓輸出正極T N+及高壓輸出正極AUX+連接。

圖17 高壓蓄電池負(fù)開(kāi)關(guān)盒（SX7）的組成

圖18 高壓蓄電池正開(kāi)關(guān)盒（SX8）的組成

4.3.2 MEB-BEV高壓開(kāi)關(guān)控制功能

如圖19所示，MEB-BEV高壓開(kāi)關(guān)過(guò)載保護(hù)功能、安全聯(lián)鎖功能與MQB-BEV功能一致；直流充電、交流充電功能由車(chē)載充電裝置激活。其功能變化主要有上電條件、預(yù)充電功能、斷路保護(hù)、高壓斷電。

圖19 MEB-BEV高壓開(kāi)關(guān)控制功能

（1）正常上電功能。正常上電狀態(tài)由駕駛?cè)俗握加眯盘?hào)激活，高壓電源接觸器處于閉合狀態(tài)，駕駛?cè)穗x開(kāi)座椅高壓系統(tǒng)斷電。其他上電條件與MQB-BEV高壓開(kāi)關(guān)一致。

（2）預(yù)充電功能。MEB-BEV高壓開(kāi)關(guān)系統(tǒng)沒(méi)有預(yù)充電接觸器、預(yù)充電電阻，整車(chē)具備預(yù)充電保護(hù)功能。MEB-BEV高壓系統(tǒng)通過(guò)低壓蓄電池與DC/DC（直流/直流轉(zhuǎn)換器）升壓功能，在高壓接觸器閉合前利用低壓蓄電池儲(chǔ)存的低壓電能，通過(guò)DC/DC升壓向高壓系統(tǒng)充電，當(dāng)高壓系統(tǒng)預(yù)充電電壓上升曲線(xiàn)和電流下降曲線(xiàn)符合要求后，高壓電源接觸器閉合，高壓蓄電池向整車(chē)供電，DC/DC升壓功能關(guān)閉。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率和控制電子裝置（JX1）的中間電路電容器1（C25）等由DC/DC進(jìn)行預(yù)充電。

（3）短路保護(hù)。高壓熔斷器（S352）提供AUX輸出端口過(guò)流、短路保護(hù)（空調(diào)、交流充電、PTC、DC/DC）。燃爆安全開(kāi)關(guān)（S415）具有過(guò)流、短路保護(hù)功能，用于高壓蓄電池輸出過(guò)流、短路保護(hù)。特別提醒：不同MQB-BEV車(chē)輛燃爆式安全開(kāi)關(guān)（S415）熔斷電流參數(shù)不同，熔斷后需要更換方可恢復(fù)。

（4）碰撞斷電。碰撞斷電除保留總線(xiàn)傳遞碰撞信號(hào)由高壓接觸器斷電外，增加了由安全氣囊控制單元直接控制的燃爆式安全開(kāi)關(guān)（S415斷電）。特別提醒：燃爆式安全開(kāi)關(guān)（S415）觸發(fā)后需要更換方可恢復(fù)。

5 高壓開(kāi)關(guān)電壓檢測(cè)原理

高壓開(kāi)關(guān)電壓采樣線(xiàn)用于高壓蓄電池控制單元檢測(cè)高壓蓄電池輸出電壓、高壓熔斷器狀態(tài)、高壓接觸器閉合及斷開(kāi)狀態(tài)、預(yù)充電電壓曲線(xiàn)。高壓開(kāi)關(guān)中電壓采樣電路全部為高電壓，高壓蓄電池控制單元通過(guò)這些電壓采樣來(lái)判斷高壓開(kāi)關(guān)故障。高壓蓄電池控制單元中電壓采樣算法不是單一的，電壓采樣算法包含2種以上的算法，高壓蓄電池控制單元可以精準(zhǔn)地確定任意電壓采樣線(xiàn)路的故障、接觸器觸點(diǎn)的狀態(tài)、高壓熔斷器的狀態(tài)等。

6 典型開(kāi)關(guān)控制時(shí)序（預(yù)充電控制）

高壓蓄電池控制單元按照工作順序、時(shí)間間隔和預(yù)充電狀態(tài)控制高壓接觸器工作（圖20）。不同車(chē)輛高壓電源接觸器負(fù)與預(yù)充電接觸器的起動(dòng)時(shí)序會(huì)有差異。高壓電源接觸器負(fù)在整個(gè)上電過(guò)程中一直都處于閉合狀態(tài)。高壓電源接觸器正工作在預(yù)充電完成之后，高壓電源接觸器正觸點(diǎn)閉合后預(yù)充電接觸器斷開(kāi)。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)鑰匙置于OFF位時(shí)，高壓電源接觸器正與高壓電源接觸器負(fù)觸點(diǎn)斷開(kāi)。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)鑰匙置于ON位時(shí)，預(yù)充接觸器閉合→高壓電源接觸器負(fù)閉合→預(yù)充電完成→高壓電源接觸器正閉合→預(yù)充接觸器斷開(kāi)。

圖20 開(kāi)關(guān)控制時(shí)序（預(yù)充電控制）