PHEV车型高压互锁方案设计及分析

【 摘要 】 为了保证一款新能源PHEV  （ 插电式混合动力电动车 ） 车型高压线束回路的安全可靠连接 ， 进行了一种冗余设计方案 ， 符合ISO 26262的标准要求 ；  采用控制器实时检测车辆整个高压回路的电气连接完整性 ；  对车辆使用过程中出现的可能故障进行处理 ， 确保车辆和人员的安全 。  

【 关键词 】 新能源 ；  高压互锁 ；  采样电阻 ；  电池包 ；  故障诊断 ；  整车控制器 ；  电池管理系统

1.高压互锁  （ HVIL ） 功能介绍

 HVIL是High Voltage Interlock Loop  （ 高压互锁回路 ） 的简称 。 HVIL通过使用低压电信号 ， 来检查整个高压模块 、 导线及连接器的电气完整性情况 。 当 发生互锁故障后 ， 必须保证整车高压系统下电且在故障排除前高压系统不能上电 ， 同时触发相应的警示信号 。

1 ） 带有高压的模块从高压回路断开的时候 ， 防止由于高压回路存在容性负载  （ 必须执行特定的放电程序将高压释放至安全电压范围内 ） ， 导致人员接触带电部件而发生触电事故 ， 保证人身安全 。  

2 ） 带有高压的模块从高压回路断开的时候 ， 防止由于高压线缆带电 、 整车意外上电导致人员接触带电部件而发生触电事故 ， 保证人身安全 。  

3 ） 车辆在使用过程中 ， 防止由于人为操作不当 、 车辆颠簸 、 产品老化 、 线路磨损等带来的局部发热和 拉弧导致产品性能急剧下降 、 起火事故 ， 保证车辆和 人身安全 。  

2.HVIL设计要求 

2.1 HVIL系统功能安全要求 

①与HVIL相关的控制器安全等级要求如下 ：  控制器中与HVIL相关模块的功能安全等级应达到ASILC[1]  ；  ②HVIL应包括一个信号发生器和2个信号检测装置 。  

2.2 HVIL系统诊断功能要求[1]  

HVIL相关控制器应诊断出如下故障 ：  ①回路断开 ；  ②对GND （ 整车搭铁 ） 短路 ；  ③对电源 （ 12 V ） 短路 ；  ④回路短路 ；  ⑤回路阻抗变大 。  

2.3 HVIL信号源要求

 ①HVIL信号源电压为5V ；  ②HVIL与12V电源短路时 ， 信号源不应失效 ， 且具有反向保护功能 ；  ③ HVIL线束不允许出现分支压接点 ；  ④当12V蓄电池电 压降到10.2V时 ， 也应保证HVIL信号源有稳定输出 。  

2.4 HVIL对高压连接器要求 

①高压电气系统中插接形式的高压连接器应集成互锁功能 ， 当高压连接器断开时应先断开HVIL ， 接合时应后接通HVIL ；  ②高压连接器接合后接触电阻应满足Q ／ CC JT0638—2014  《 汽车电线束插接器技术条件 》 中4.12的要求 。  

3.HVIL拓扑结构 

3.1 PHEV高压布置简图 

根据PHEV车型的布置情况 ， 确定高压电气布置简图 ， 见图1 。

3.2 HVIL拓扑图 

根据HVIL相关零部件布置位置 ， 确定HVIL拓扑图 ， 见图2 。

HVIL拓扑图中高压插接件参数见表1 。

4.HVIL阻抗匹配[2] 

按照高压互锁回路信号源电压为5V 、 电流接近 10 mA的设计 ， 得到回路总的阻抗R1+R2+R3=500 Ω 。 HCU及BMS均检测互锁回路R2两端电压值 ， 从而判断 回路是否有故障 。 现阶段我司选用的BMS中R1和R3的 最大可用功率均为1 W ， HCU中R2的最大可用功率为 0.08 W  （ 实际为0.1 W ， 取0.8保险系数使用 ） 。  

为满足以上条件 ， 我们以最极限的情况来分析 ， 互锁原理简图见图3 。

故障模式1 ：  A侧对GND短路 ；  

故障模式2 ：  A侧对 蓄电池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式3 ：  B侧对GND短路 ；

故障模式4 ：  B侧对蓄电池  （ 16 V ） 短路 ；  

故障模式5 ：  HVIL回路断开 ；  

故障模式6 ：  A侧对B侧短路 。

根据计算结果 ， 可知第1组为可用的值 ， 通过查找相近型号的电阻 ， 得出 ：  R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3= 374 Ω 。

由上可知 ， R1 、 R2 、 R3在各种情况下的最大功率分别为 ：  P1_max=0.333 W ， P2_max=0.082 W ， P3_max=0.684 W ， 均满足所选电阻的要求 。 因此 ， 推荐匹配电阻阻值为 R1=75 Ω ， R2=56 Ω ， R3=374 Ω 。

5.HVIL故障诊断方法  （ 表2 ）  

该互锁方案的原理是 ：  将所有识别的高压互锁回路故障转换为高压互锁回路检测的电压值 ， 通过采集电压信号进行故障检测 。 HVIL正常情况下 ， H1与H2 之间电压差 、 B1与B2之间电压差均应在0.2~0.9 V  （ 5 V 信号源的4%~18% ） 之间 。

6.HVIL故障诊断分析 

对HVIL各种故障情况进行分析 ， 结果见表3 。

根据故障诊断方法 ， HVIL在各种故障下 ， HCU及 BMS检测出的电压均在正常工作电压范围  （ 0.2~0.9 V ） 之外 ， 表明本设计方案满足设计要求 。  

7.HVIL失效场景分析

高压互锁系统在识别到危险时 ， 整车控制器  （ 以下简称HCU ） 和电池管理系统  （ 以下简称BMS ） 应根据危险时的行车状态及故障危险程度运用合理的安全策略 ， 策略简述见表4 。  

8.总结 

该高压互锁方案给出了HVIL拓扑结构 、 诊断方法 、 故障诊断分析表 ， 并计算得出了一组阻抗匹配数据 。  

1 ） 在HVIL标定验证阶段 ， 必须仿效整车线路进行所有故障和动作测试 ， 并应根据实际标定情况对R1 、 R2和R3的阻抗值以及故障类型和判定方法进行相 应调整 。  

2 ） 充电机 ： 将民用电网220 V交流电转化成车辆 需求电压的直流电 ， 给电池包提供稳定的直流电源补充能量 。  

3 ） 后驱电机 ： 放置在车辆后桥部位的永磁同步交流电机 ， 同减速器集成为独立的电驱动桥结构 ， 为实现整车的独立驱动 、 四轮驱动提供电力驱动扭矩 。  

作者第1次进行该功能的设计 ， 没有经过试验标定和市场考验 ， 其中不免有考虑不周和设计不足 ， 后期会根据标定数据以及样车测试对方案进行不断完善 ， 也希望各位读者批评指正 。

参考文献

[1]余化 （ 译 ） . ISO 26262 ：  2011  《 道路车辆功能安全 》 标准 发布实施 ［ J ］ . 中国标准导报 ， 2012(3) ：  45. 

[2] 姚年春 ， 侯玉杰. 电路基础 ［ M ］ . 北京 ：  人民邮电出版社 ， 2010. （ 编辑 陈程 ）

Design and Analysis of HVIL Scenario for New Energy Vehicle 

WU ao-hua ， HOU Wen-tao 

（ The R&D Center of Great Wall Motor Co. ， Ltd. ， BaoDing 071000 ， China ）  

Abstract ： This paper shows a redundant design that complies with the requirements of ISO 26262 ， which is used for ensuring safety and reliability of HV wiring circuit on PHEV  （  Plug -in Hybrid Electric -vehicle ） . Meanwhile ， the scenario is designed to supervise the electrical integrity of the whole HV circuit online in the vehicle by VCU and deal with the fault which may occur in the use of the vehicle as well as ensure the safety of the vehicle and passengers. 

Key words ： new energy ；  HVIL ；  sampling resistance ；  battery pack ；  fault diagnose ；  HCU ；  BMS