分析研究電動汽車高壓互鎖

1、分析研究電動汽車高壓互鎖 相對于傳統(tǒng)汽車而言，電動汽車的一個重要特點(diǎn)就是車內(nèi)裝有能保證足夠動力性能的高壓系統(tǒng)，包括了充電系統(tǒng)、配電箱、儲能系統(tǒng)（動力電池）、動力系統(tǒng)（即驅(qū)動電機(jī)）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(tǒng)汽車，其高達(dá)300 V以上的電壓以及可能達(dá)到數(shù)十、甚至數(shù)百安培的電流隨時考驗(yàn)著車載高壓用電器的使用安全。因此，隨著電動汽車行業(yè)的不斷向前發(fā)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(diǎn)。 1）在用戶正常操作時，通過絕緣防護(hù)、等電勢（搭鐵電阻）、外殼IP防護(hù)、泄漏電流等措施提供電氣防護(hù)。 2）環(huán)境條件和可能發(fā)生的意外事件都可能使得這種保

2、護(hù)的強(qiáng)度降低。因此，高壓系統(tǒng)配置了絕緣監(jiān)測功能，一般采用漏電傳感器對高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣監(jiān)控。 3）在車輛維修保養(yǎng)時，采用緊急維修開關(guān)進(jìn)行安全防護(hù)。 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(shè)計(jì)時，應(yīng)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(hù)功能。 以上為電動汽車高壓電安全設(shè)計(jì)的保護(hù)措施，本文主要對高壓互鎖進(jìn)行介紹。1高壓互鎖的定義 在ISO國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469-3: 2001電動汽車安全技術(shù)規(guī)范第3部分：人員電氣傷害防護(hù)中，規(guī)定車上的高壓部件應(yīng)具有高壓互鎖裝置，但并沒有詳細(xì)地定義高壓互

3、鎖系統(tǒng)。高壓互鎖，也指危險電壓互鎖回路（HVIL Hazardous Voltage InterlockLoop）：通過使用電氣小信號，來檢查整個高壓產(chǎn)品、導(dǎo)線、連接器及護(hù)蓋的電氣完整性（連續(xù)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(dāng)整車發(fā)生碰撞時，碰撞傳感器發(fā)出碰撞信號，觸發(fā)HVIL斷電信號，整車高壓源會在毫秒級時間內(nèi)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(jiān)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(lián)，并在所有高壓連接器端與連接器監(jiān)測器連

4、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(tǒng)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(fù)責(zé)監(jiān)測各自的HVIL信號，只有當(dāng)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(jiān)測所有高壓部件保護(hù)蓋是否非法開啟，利用信號線將所有高壓器件上的監(jiān)測器全部串聯(lián)起來，組成另外一條監(jiān)測信號回路。2.2互鎖監(jiān)測器 監(jiān)測器分為兩類，一種用于監(jiān)測高壓連接器連接是否完好，另外一種用于監(jiān)測高壓部件的保護(hù)蓋是否開啟。 1）高壓連接器監(jiān)測器如圖6所示，圖6a為將監(jiān)測器設(shè)置在連接器上的一體式的設(shè)計(jì)，圖6b為通用的最新專

5、利設(shè)計(jì)。通用監(jiān)測器的設(shè)計(jì)是利用壓接方法在連接器自鎖結(jié)構(gòu)上增加電氣連接作為自鎖回路短接信號，這種設(shè)計(jì)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(qū)為某車型動力電池動力母線互鎖監(jiān)測器，在動力母線拔出時，其也會隨之?dāng)嚅_，HVIL高壓互鎖回路就會觸發(fā)高壓斷電信號，保障用戶的操作安全。 2）高壓部件開蓋監(jiān)測器如圖8所示，結(jié)構(gòu)類似于連接器，一端安裝于高壓部件保護(hù)蓋上，另外一端安裝于高壓部件主體內(nèi)部，當(dāng)保護(hù)蓋開啟時連接器也斷開，HVIL信號中斷。通常需要設(shè)置監(jiān)測器的部件包括：驅(qū)動電機(jī)控制器；（2）DC-DC變換器；高壓配電箱；車載充電器；空調(diào)驅(qū)動器；電池管理器。2.3自動斷路器 自動

6、斷路器（也稱正極、負(fù)極接觸器）為互鎖系統(tǒng)切斷高壓源的執(zhí)行部件，形式類似于繼電器，如圖9所示。在高壓互鎖系統(tǒng)識別到危險情況時，能否正確斷開高壓源是非常關(guān)鍵的，所以自動斷路器對高壓互鎖的作用影響相當(dāng)大，其如何設(shè)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(xù)蓄能的電路。 2）自動斷路器的初始狀態(tài)應(yīng)該是常開的狀態(tài)，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(fù)位自動斷路器應(yīng)要求操作者施加額外的信號，需其確認(rèn)當(dāng)有貧為已消除高壓危險的情況方能復(fù)位。 4）自動斷路器應(yīng)具有自診斷的能力，將其內(nèi)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

7、處理（停車或報(bào)警）。 5）自動斷路器即使是在出現(xiàn)供電電壓過低的情況下也應(yīng)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(fù)載，使之能在斷電之前有提前響應(yīng)的時間。 7）行駛過程中等特殊情況不能強(qiáng)行斷開。 圖10為DC-DC供電原理圖，其中自動斷路器建議設(shè)計(jì)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(hù)使用者。斷路器也可以設(shè)置在電池包的正中央位置，通過切斷高壓源內(nèi)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(tǒng)在識別到危險時，整個控制器應(yīng)根據(jù)危險時的行車狀態(tài)及故障危險程度運(yùn)用合理的安全策略，這些策略包括以下幾點(diǎn)。 1）故障報(bào)警。無論電動汽車在何種狀態(tài)，高壓互鎖系統(tǒng)在識別到危險時，車輛應(yīng)該對危險情況做出報(bào)警提示，需要儀表或指示器以聲或光報(bào)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(fā)生安全事故。 2）切斷高壓源。當(dāng)電動汽車在停止?fàn)顟B(tài)時，高壓互鎖系統(tǒng)在識別嚴(yán)重危險情況時，除了進(jìn)行故障報(bào)警，還應(yīng)通知系統(tǒng)控制器斷開自動斷路器，使高壓源被徹底切斷，避免可能發(fā)生的高壓危險，確保財(cái)產(chǎn)和人身安全。 3）降功率運(yùn)行。電動汽車在高速行車過程