电动汽车,高压互锁怎样应用

IT嗅 2019-10-15


1 什么是电动汽车上的高压互锁?

高压互锁(High Voltage Inter-lock, 简称HVIL),用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。理论上,低压监测回路比高压先接通,后断开,中间保持必要的提前量,时间长短可以根据项目具体情形确定,比如150ms,大体在这个量级。具体的高压互锁实现形式,不同项目可能有不同设计。监测目标是高压连接器这类要求人力操作实现电路接通还是断开的电气接口元件。

在电动汽车高压回路中,要求具备HVIL功能的电气元件主要是高压连接器,手动维修开关(MSD)。

2 电动汽车为什么需要高压互锁?

从系统功能安全的角度出发,每个可能存在的风险,都需要配置相应的安全技术手段予以监测,以降低风险发生的概率。从这个层面出发,高压互锁,作为电动汽车高压系统安全的一个安全措施,在电路设计中使用。

电动汽车高压系统的风险点之一,是突然断电,汽车失去动力。可能造成汽车失去动力的原因有几种,其中之一就是高压回路自动松脱。高压互锁可以监测到这种迹象,并在高压断电之前给整车控制器提供报警信息,预留整车系统采取应对措施的时间。

电动汽车的另外一个风险点,是人为误操作,在系统工作过程中,手动断开高压连接点。如果没有高压互锁设计存在,在断开的瞬间,整个回路电压加在断点两端,对于高压连接器这类本身不具备分断能力的器件来说,是非常危险的。电压击穿空气在两个器件之间拉弧,时间虽短,但能很高,可能对断点周围的人员和设备造成伤害。

关于高压互锁的具体目的,还有几个不同的说法。有的观点认为,高压互锁主要在车辆上电行车之前发挥作用,检测到电路不完整,则系统无法上电,避免因为虚接等问题造成事故;也有人认为,高压互锁主要在碰撞断电过程中发挥作用,碰撞信号通过触发高压互锁信号,执行系统下电。只是,处于碰撞后比较危急的情况中,执行断电的步骤应该是越少越好,碰撞信号直接传递给VCU,逻辑上比较合理一些。

3 高压互锁原理

高压互锁设计有两个方面的因素需要考虑,一个是低压系统怎样全面检测到整个高压系统每个连接位置的连接状态;另一个问题是,怎样实现低压检测回路的信息传递动作必须领先于高压回路断开的动作。因此高压互锁原理需要从这两个方面出发,考虑整体电路设计原理和连接器自身设计原理。

3.1 高圧互锁回路设计原理

全部高压连接器对接位置,都配合有高压互锁信号回路,但回路形式与高压回路不具有必然的联系。也就是说,高压上,电气A和电气B构成一个完整回路。但高压互锁,可能给A设置一个单独的互锁信号回路,给B单独设置一个互锁信号回路;也可能把A和B的互锁信号串联在一个回路中。

高压回路内以动力电池包作为电源,低压回路也需要一个检测用电源,让低压信号沿着闭合的低压回路传递。一旦低压信号中断,说明某一个高压连接器有松动或者脱落。高压互锁原理图如下。在下面图片体现的高压互锁信号回路基础上,按照整体策略,设计监测点或者监测回路,负责将高压互锁信号回路的状态传递给VCU或者BMS。

高压互锁回路的组成

高压互锁技术的实现,需要如下设备共同完成:高压互锁连接器及高低压导线,闭合的低压电源信号周转回路,高压互锁监测回路及监测器(监测模块可以在电池管理系统BMS上,也可以在整车控制器VCU上,或者二者分别具备监测功能),直接受高压互锁监测信号控制的高压继电器(如果有),VCU根据高压互锁监测结果控制的高压继电器。

高压互锁监测器分为两种,一种是监测高压回路是否完整连接,另一种是监测高压电气外壳是否就位。两种监测器分别用在不同的高压互锁系统中,不能混用。


3.2 HVIL连接器的工作原理

具备高压互锁功能的高压连接器,由壳体、高压导电件、低压信号导电件和监测器及监测线路共同组成。

高压互锁连接器,一般实现方式是,对插的一对公头、母头上,分别固定着一对高压接插件和一对低压接插件。高压断开状态,低压回路被切断;高压连接状态,低压回路的断点被短接,形成完整回路

下面这个自然段里提到了几个名词,高压连接器、公头,母头,公端子,母端子,公针、母针,没找到合适的图示,请自行理解一下。

以下图中的高压连接器为例,直流高压连接器,有正极和负极两组公端子母端子。低压回路同样由两对公针母针和壳体组成。在公头和母头上,高低压导电件被固定在一个壳体上,相对位置固定。要实现低压比高压首先获得断开的信息,落后获得连接完成的信息,需要确保低压回路插针晚于高压回路端子的对接接触时间,调节高压端子和低压插针的长度就可以实现。一个笼统的说法是,低压插针短(或者位置落后),高压端子刚刚接触的状态,低压插针还有一段距离;高压端子已经对接大半,低压插针才刚接触;高压端子插接到位,低压端子也插接到位。

监测器,负责采集低压信号回路的通断状态,发送给控制器。这样,在高压回路真正实现通断以前,控制器已经掌握了这个连接器的状态。

高压互锁连接器的基本实现形式

4 高压互锁案例

案例来自孙李璠的文章《纯电动汽车高压互锁方案设计》,介绍了高压互锁技术在电动汽车高压回路中的应用。

方案1

下图中,粗实线表示12V电源的高压互锁信号回路,虚线是高压互锁监测回路,HVIL监控回路向VCU汇报信息,由VCU确定是否接通或断开高压继电器,并通过BMS执行动作。

图中可以看到,电机和电机控制器串联在一个高压互锁检测回路中,由一个检测点2监测状态;其余3个用电器,每人单独处于一个高压互锁信号回路,具备1个检测点。

检测点1的工作与高压互锁无关,是为了应对电路出现异常情形。检测点1将异常情形传递至VCU,VCU要求BMS断开电池包内的主回路继电器。

检测点2,既是电机和电机控制器高压互锁的监测点,也连接着低压继电器2的线圈一端。当电机和电机控制器的HVIL连接正常时,检测点2的电压是12V,VCU指令继电器2吸合,通过继电器2给BMS供给12V电源;当连接器没有完好连接,VCU要求继电器2断开,则检测点2电压为0,BMS电源为0,不能工作;这个回路的总体想法是由电机的连接状态去控制BMS工作与否。

检测点3、 4、 5分别体现DCDC、压缩机和PTC3个装置的高压连接器状态,检测电压12V说明连接良好,检测电压0说明高压连接器处于断开状态,VCU根据 检测结果执行控制策略。

这个方案,由于继电器2的工作方式,使得BMS的工作状态与电机和电机控制器产生了联动。但VCU始终需要通过BMS合分主回路继电器。

方案2

如下图所示,粗线和虚线的含义与方案1相同,去掉了继电器2的设置,异常情况依然依靠检测点1的信号反应。

检测点2体现电机和电机控制器的高压互锁检测结果,检测点3反应DCDC、空调压缩机和PTC的高压互锁回路完整情形。如果检测点2、 3的电压是12V说明连接正常,如果是0V,说明有连接器断开。VCU根据检测点传递过来的信息,要求BMS控制主回路继电器的通断。



从这个案例我们不难看出,高压互锁回路,如果想要确切了解是哪个电气的连接器处于断开状态,则需要对这个用电器设计单独的HVIL回路并单独设置检测点。

如果没有确切了解的必要,则最好将工作上有相关性的电气安排在同一个HVIL回路中,以简化控制;

实际上,高压互锁的监测任务,也可以由BMS来担当;

某些电动汽车的设计,将主回路继电器的控制权限放在VCU这里,可以减少一次VCU判断高压互锁情况以后,需要发报文给BMS,才能实现继电器的通断的步骤;

案例中,没有给动力电池包设置高压互锁检测点,这是不太常见的情形。一般,动力电池包的高压连接器和手动维修开关(MSD)都会设置高压互锁。