电动汽车高压互锁研究

Design●Research
电动汽车高压互锁研究
设计●研究
李高林， 黄舞浩， 邹圣星， 范 学 （比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118）
摘要： 对电动汽车高压安全领域中的高压互锁系统进行研究， 并对高压互锁的组成和控制策略进行详细介绍， 为电动汽车的高压安全设计提供借鉴。
关键词： 电动汽车； 高压安全； 互锁回路 中图分类号： U469.72 文献标识码： A 文章编号： 1003－8639（2013）05－0001－03
参考文献：
［1］ ISO 6469-3： 2001 电 动 汽 车 安 全 技 术 规 范 第3部 分 ：
人 员 电 气 伤 害 防 护 ［S］.
（编辑 杨 景）
《汽车电器》２０１３ 年第 ５ 期 3
图9 自动断路器
1） 自动断路器需要尽可能地接近电池包 （高 压源）， 以减少在断电时候继续蓄能的电路。
2） 自动断路器的初始状态应该是常开的状态， 需要控制器给予安全信号方能闭合， 以避免高压线 路误接通。
3） 复位自动断路器应要求操作者施加额外的信 号， 需其确认当前为已消除高压危险的情况方能复位。
3） 在车辆维修保养时， 采用紧急维修开关进 行安全防护。
4） 在异常使用时 （例如碰撞、 非正常操作断 开高压连接器等）， 采用高压互锁、 高压泄放 （主 动放电、 被动放电） 保障使用安全。
5） 在电路设计时， 应能满足电气间隙、 爬电距 离等要求， 并具备各类过压、 过流、 短路防护功能。
以上为电动汽车高压电安全设计的保护措施， 本文主要对高压互锁进行介绍。
On the Hazardous Voltage Interlock Loop for EV
LI Gao-lin， HUANG Wu-hao， ZOU Sheng-xing， FAN Xue （BYD Auto Industry Co.， Ltd.， Shenzhen 518118， China） Abstract： Based on research of hazardous voltage interlock loop （HVIL）， its composition and control policy of HVIL is introduced to provide references to the design for high voltage safety. Key words： electrical vehicle （EV）； high voltage safety； interlock loop
部件包括： ①驱动电机控制器； ②DC-DC变换器；
③高压配电箱； ④车载充电器； ⑤空调驱动器； ⑥
电池管理器。
2 《汽车电器》２０１３ 年第 ５ 期
Design●Research
设计●研究
图8 某高压部件开盖监测器
2.3 自动断路器 自动断路器 （也称正极、 负极接触器） 为互锁
系统切断高压源的执行部件， 形式类似于继电器， 如图9所示。 在高压互锁系统识别到危险情况时， 能否正确断开高压源是非常关键的， 所以自动断路 器对高压互锁的作用影响相当大， 其如何设置需参 照以下原则。
《汽车电器》２０１３ 年第 ５ 期 1
设计●研究
图2 高压互锁回路示意图
Design●Research
2） 虚线部分用来监测所有高压部件保护盖是 否非法开启， 利用信号线将所有高压器件上的监测 器全部串联起来， 组成另外一条监测信号回路。 2.2 互锁监测器
监测器分为两类， 一种用于监测高压连接器连 接是否完好， 另外一种用于监测高压部件的保护盖 是否开启。
图7 某车型动力电池动力 母线互锁监测器
会随之断开， HVIL高压互锁回路就会触发高压断电
信号， 保障用户的操作安全。
2） 高压部件开盖监测器如图8所示， 结构类似
于连接器， 一端安装于高压部件保护盖上， 另外一
端安装于高压部件主体内部， 当保护盖开启时连接
器也断开， HVIL信号中断。 通常需要设置监测器的
1） 高压连接器监测器如图6所示， 图6a为将监 测器设置在连接器上的一体式的设计， 图6b为通用 的最新专利设计。
图3 碰撞时HVIL断开高压电
2 高压互锁的组成 2.1 互锁信号回路
高压互锁信号回路包括两部分， 如图2中黑线 和虚线所示。
1） 黑线部分用于监测高压供电回路的完整性， 可以分为两种形式： 一种是与高压电源线并联， 并 在所有高压连接器端与连接器监测器连接， 将所有 的连接串接起来组成一个完整的回路 （图4）， 可以 利用高压线上的屏蔽线组成信号回路的一部分， 以 使整个系统变得更简单和可靠； 另外一种形式为各 个高压部件控制器负责监测各自的HVIL信号， 只有 当全部的控制器收到HVIL接通信号时， 才允许接通 高压源， 如图5所示。
高压互锁回路如图2所示。 当整车发生碰撞时， 碰撞传感器发出碰撞信号， 触发HVIL断电信号， 整 车高压源会在毫秒级时间内自动断开， 以保障用户 的安全， 如图3所示。
收稿日期： 2013-01-22 作者简介： 李高林 （1960-）， 男， 高级工程师， 主要从事汽车整车及零部件检测技术的研究和开发 。
4） 自动断路器应具有自诊断的能力， 将其内 部的故障检测出来并予以显示， 如果不能正常工 作， 则整车需要特殊处理 （停车或报警）。
5） 自动断路器即使是在出现供电电压过低的 情况下也应能操作。
6） 自动断路器需要提供一个输出信号， 提前 通知其他用电负载， 使之能在断电之前有提前响应 的时间。
7） 行驶过程中等特殊情况不能强行断开。 图10为DC-DC供电原理图， 其中自动断路器建 议设计在最靠近动力电池包处， 由此可以减少断电 时蓄能的电路， 而且使用的是双极同时断开， 可以 使高压互锁起作用时高压源彻底和各高压部件隔 离， 能够很好地保护使用者。 断路器也可以设置在 电池包的正中央位置， 通过切断高压源内部的连 接， 起到整车彻底断电的目的。
2） 切断高压源。 当电动汽车在停止状态 时 ， 高压互锁系统在识别严重危险情况时， 除了进行故 障报警， 还应通知系统控制器断开自动断路器， 使 高压源被彻底切断， 避免可能发生的高压危险， 确 保财产和人身安全。
3） 降功率运行。 电动汽车在高速行车过程中， 高压互锁系统在识别到危险情况时， 不能马上切断 高压源， 应首先通过报警提示驾驶员， 然后让控制 系统降低电机的运行功率， 使车辆速度降下来， 以 使整车高压系统在负荷较小的情况下运行， 尽量降 低发生高压危险的可能性， 同时也允许驾驶员能够 将车辆停到安全地方。
图1 电动汽车高压系统示意图
1） 在用户正常操作时， 通过绝缘防护、 等电 势 （搭铁电阻）、 外壳IP防 护 、 泄 漏 电 流 等 措 施 提 供电气防护。
2） 环境条件和可能发生的意外事件都可能使 得这种保护的强度降低。 因此， 高压系统配置了绝 缘监测功能， 一般采用漏电传感器对高压系统进行 绝缘监控。
随着经济的发展， 能源与环保问题日益突出， 世界各国都逐渐将目光投向了环保和节能的电动汽 车。 时至今日， 电动汽车已成为各大车企争先夺取 的高地， 我司也成功推出了多款电动汽车产品， 并 在国内甚至世界保持领先水平。
相对于传统汽车而言， 电动汽车的一个重要特 点就是车内装有能保证足够动力性能的高压系统， 包括了充电系统、 配电箱、 储能系统 （动力电池）、 动力系统 （即驱动电机） 等高压部件， 如图1所示。 由此而存在的高压电伤害隐患完全有别于传统汽 车 ， 其 高 达300 V 以 上 的 电 压 以 及 可 能 达 到 数 十 、 甚至数百安培的电流随时考验着车载高压用电器的 使用安全。 因此， 随着电动汽车行业的不断向前发 展， 对电动汽车电安全的研究刻不容缓。 电动汽车 高压电安全措施有以下几点。
1 高压互锁的定义 在ISO国际标准 《ISO 6469-3： 2001 电动汽车
安全技术规范 第3部分： 人员电气伤害防护》 中， 规定车上的高压部件应具有高压互锁装置， 但并没 有详细地定义高压互锁系统。 高压互锁， 也指危险 电 压 互 锁 回 路 （ HVIL -Hazardous Voltage Interlock Loop）： 通过使用 电 气 小 信 号 ， 来 检 查 整 个 高 压 产 品、 导线、 连接器及护盖的电气完整性 （连续性）， 识别回路异常断开时， 及时断开高压电。
图10 DC到危险时， 整个控制器应
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， 这些策略包括以下几点。
1） 故障报警。 无论电动汽车在何种状态， 高 压互锁系统在识别到危险时， 车辆应该对危险情况 做出报警提示， 需要仪表或指示器以声或光报警的 形式提醒驾驶员， 让驾驶员注意车辆的异常情况， 以便及时处理， 避免发生安全事故。
图4 高压供电监测回路1
图5 高压供电监测回路2
图6 高压连接器监测器
通用监测器的设计是利用压接方法在连接器自
锁结构上增加电气连接
作为自锁回路短接信
号， 这种设计既保证了
连接器防水等级又能不
增加冗余的空间， 非常
巧妙。 图7中白色方框
区为某车型动力电池动 力母线互锁监测器， 在 动力母线拔出时， 其也