一、新能源汽車高壓安全設(shè)計(jì)之一：高壓互鎖HVIL

隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，尤其是對(duì)充電效率的要求提高，電動(dòng)汽車中使用的高壓電也越來越高。

目前少部分車型采用200V電壓平臺(tái)，主流的車型多采用400V電壓平臺(tái)，部分高端車型開始應(yīng)用800V高壓系統(tǒng)。有些車企已經(jīng)開始研發(fā)更高的900V-1000V平臺(tái)，用以適配6C超快充。

隨著電壓的逐步升高，大家對(duì)電動(dòng)車的高壓安全問題也越來越關(guān)注和重視。

1.高電壓帶來的安全問題

使用高電壓的安全風(fēng)險(xiǎn)我們最熟知的就是觸電風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在高壓器件暴露時(shí)最危險(xiǎn)；此外，車輛中的高電壓在運(yùn)行時(shí)還會(huì)帶來另外兩個(gè)的安全問題：1個(gè)是開關(guān)電弧，另1個(gè)是高壓斷電。

1.1高壓暴露

人體安全電壓的通用標(biāo)準(zhǔn)是指50伏交流電（AC）或120伏直流電（DC）。不過，實(shí)際安全性與環(huán)境、接觸時(shí)間、人體電阻等因素密切相關(guān)。干燥環(huán)境中，36伏以下交流電或60伏以下直流電視為相對(duì)安全；而在潮濕或金屬導(dǎo)電環(huán)境下，安全電壓可能降至12-24伏。

在純電動(dòng)汽車中，主流高壓系統(tǒng)的電壓通常是400V左右的直流電，大大的超過了安全電壓，這么高的電壓一旦暴露，將對(duì)人員安全構(gòu)成極大威脅。

防止高壓暴露通常是在高壓設(shè)備的外面加一個(gè)絕緣的保護(hù)蓋，所以需要確保車輛中的所有高壓部件的物理防護(hù)裝置處于閉合狀態(tài)，如果檢測(cè)到異常打開，就需要及時(shí)處理。

1.2開關(guān)電弧

電路開關(guān)工作在高電壓環(huán)境下，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，觸頭間的電壓很高。根據(jù)氣體放電理論，當(dāng)電壓超過氣體或絕緣介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，介質(zhì)中的電子會(huì)獲得足夠的能量掙脫原子束縛成為自由電子，初始的少量自由電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速并撞擊其他中性原子或分子，產(chǎn)生更多的自由電子和離子，形成雪崩效應(yīng)，最終導(dǎo)致氣體介質(zhì)導(dǎo)電，形成電弧。

開關(guān)電弧

在高壓開關(guān)中，通常通過的電流較大。一旦電弧形成，電流就會(huì)在電弧通道中流動(dòng)。隨著電流的增加，電弧通道中的氣體進(jìn)一步電離，導(dǎo)致電阻下降，這又反過來使得維持電弧所需的電壓降低。在高電流通過的區(qū)域，熱能可以增加氣體的電離概率，進(jìn)一步增強(qiáng)電弧的穩(wěn)定性。

電弧形成后會(huì)持續(xù)增強(qiáng)

電弧的高溫不僅會(huì)損壞開關(guān)的接觸點(diǎn)，還容易引燃周邊的物體，對(duì)附近的人員和設(shè)備造成傷害。

電弧容易引發(fā)火災(zāi)

1.3高壓斷電

傳統(tǒng)車的動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常時(shí)，比如冷卻液溫度高，發(fā)動(dòng)機(jī)排放故障、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障時(shí)都要提前報(bào)警和處理。

電動(dòng)車的動(dòng)力是由動(dòng)力電池的高壓電驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的，車輛行駛時(shí)，如果高壓斷電，使整車失去動(dòng)力，也會(huì)影響車輛和人員的安全，需要提前預(yù)警和啟動(dòng)安全措施。

高壓暴露、開關(guān)電弧和高壓斷電的問題都需要采取一定的方法檢測(cè)、預(yù)警和處理才能避免由此引發(fā)的安全事故。而高壓互鎖HVIL就可以同時(shí)解決這幾個(gè)問題。

2.高壓互鎖HVIL的基本概念

HVIL是High Voltage Interlock Loop的縮寫，表示高壓互鎖。高壓互鎖是一種利用低壓信號(hào)監(jiān)測(cè)高壓回路完整性的安全設(shè)計(jì)方法。通過檢測(cè)電動(dòng)汽車上所有與高壓線束相連的組件，確保電氣連接的完整性和連續(xù)性。

高壓互鎖使用低壓回路來檢查母線上的高壓回路，汽車中的高壓互鎖系統(tǒng)可檢測(cè)的范圍包括電池組、BMS、VCU、PDU、MCU、DC-DC、PTC、線束、連接器及保護(hù)蓋等所有使用高壓電的設(shè)備。

當(dāng)高壓互鎖回路的完整性受到破壞，有1個(gè)或多個(gè)地方出現(xiàn)了故障時(shí)，HVIL可以提供報(bào)警信息、啟動(dòng)安全措施。

3.高壓互鎖HVIL的基本原理

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

前面說了高壓系統(tǒng)在使用中容易產(chǎn)生開關(guān)電弧問題，車輛中需要斷開和連接的開關(guān)主要是指高壓連接器，也就是插頭和插座。

在車輛安裝和檢修時(shí)，如果帶電插拔，就容易產(chǎn)生開關(guān)電弧，這個(gè)問題是通過特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)來解決的。

普通的連接器只有兩個(gè)引腳，分別是高壓電的正極和負(fù)極，而HVIL的連接器又增加了一對(duì)低壓電的正極和負(fù)極，這對(duì)低壓電就是HVIL系統(tǒng)用來檢查電路完整性的引腳，所以稱為HVIL引腳。

HVIL連接器

如上圖所示，HVIL連接器有4個(gè)引腳，中間多了兩個(gè)HVIL pins。

從右側(cè)圖中還可以看出，中間的HVIL pins與兩側(cè)的HV pins的接觸點(diǎn)不在一個(gè)平面，HVIL pins的插針比較短，這樣的結(jié)果就是連接時(shí)，兩側(cè)的HV pins會(huì)先接觸，而中間的HVIL pins后接觸。

連接過程與斷開過程

連接過程是自左向右：

左圖表示開始時(shí)4個(gè)引腳完全斷開；

中圖表示連接時(shí)，兩側(cè)的HV pins先連接，中間的HVIL pins還未連接；

右圖表示繼續(xù)連接時(shí)，中間兩個(gè)HVIL pins會(huì)連接，從而完成4個(gè)引腳的全部連接。

HVIL pins檢測(cè)到不正常時(shí)，會(huì)斷開高壓回路。而HVIL pins未連接時(shí)是一種開路狀態(tài)，這本身就是一種不正常的狀態(tài)，此時(shí)模塊的內(nèi)部會(huì)斷開高壓電。所以在連接器中的HVIL pins接觸前，高壓電回路是斷開的，沒有高壓，不會(huì)產(chǎn)生電弧，這樣就保證了接插件連接時(shí)的安全。

斷開的過程是自右向左，順序剛好相反，中間的HVIL pins先斷開，兩側(cè)的HVIL后斷開，HVIL pins斷開時(shí)就會(huì)立即切斷高壓回路，這樣再斷開HV pins時(shí)就沒有了高電壓，從而保證了接插件斷開時(shí)的安全。

3.2電氣原理

開關(guān)電弧問題可以通過特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)解決，而高壓電回路的完整性檢測(cè)就需要通過電氣原理來解決。

HVIL電路原理圖示例

上圖是1個(gè)HVIL系統(tǒng)的示例，這里使用了1個(gè)單獨(dú)的HVIL監(jiān)控單元，HVIL監(jiān)控單元與BMS、MDI和OBC模塊中的HVIL引腳串聯(lián)，組成了一個(gè)大的回路。

HVIL監(jiān)控單元中有1個(gè)電流源，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流，這個(gè)電流會(huì)從HVIL控制單元的接插件流出，經(jīng)過BMS、MDI、OBC的接插件和內(nèi)部電路后，最后再流回HVIL控制單元。

正常情況下，HVIL控制單元輸出的預(yù)定義電流與實(shí)際返回的電流應(yīng)該基本相等，但是如果回路中有連接器接觸不良或松動(dòng)、斷開，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際返回的電流值一異常變化。HVIL控制單元通過檢測(cè)輸出電流（預(yù)定義電流）與輸入電流（實(shí)際返回電流）的關(guān)系，就可以判斷系統(tǒng)中連接器的連接情況。

如果電流基本相等，表示所有連接器都已牢固連接；

如果電流變小，表示有連接器接觸不良或連接松動(dòng)，導(dǎo)致接觸電阻變大；

如果電流為0，表示有連接器斷開了連接。

示例中是用的電流源，實(shí)際上用電壓源也是一樣的道理，通過檢測(cè)輸出、輸入和中間各個(gè)點(diǎn)的電壓同樣可以判斷出回路連接異常。

檢測(cè)出大回路異常后，能否進(jìn)一步確定到底是哪個(gè)模塊、哪個(gè)連接器出現(xiàn)了問題呢？也就是如何精確定位問題呢？

這就需要模塊內(nèi)部也具有測(cè)量HVIL參數(shù)的能力，HVIL參數(shù)主要就是指電流和電壓。

模塊內(nèi)部的電流、電壓測(cè)試

比如示例中的BMS內(nèi)部也有HVIL檢測(cè)能力，BMS首先檢測(cè)HVIL電流，如果 HVIL 電流與預(yù)定義值不相等。則BMS會(huì)進(jìn)一步檢測(cè)“HVIL In”和“HVIL Out”兩端的電壓：

1）如果“HVIL In”和“HVIL Out”兩端的電壓均為0V，表示電流根本沒有流進(jìn)BMS，也就是電流輸入端出現(xiàn)了問題，即“HVIL In”側(cè)的組件出現(xiàn)故障，比如HVIL In引腳未連接；

2）如果 “HVIL In”和“HVIL Out”兩端的電壓都大于0V，則表示電流正常流過了BMS的內(nèi)部回路，輸入端和中間電路都正常，說明“HVIL Out”側(cè)的組件出現(xiàn)了故障，比如HVIL Out引腳接觸不良。

3）如果“HVIL In”電壓大于0V，而“HVIL Out”電壓等于0V，則表示電流無法從BMS的內(nèi)部回路中流出，也就表示BMS內(nèi)部存在故障。

這里要注意的是，HVIL回路出現(xiàn)故障時(shí)，電流或電壓不一定是0，通常要設(shè)定一個(gè)閾值。因?yàn)楣收显虿恢皇菙嗦罚€有可能是接觸不良，比如接插件端子出現(xiàn)退針時(shí)，可能導(dǎo)致接觸電阻增大，由幾十毫歐變?yōu)?0幾歐，但此時(shí)回路依然是連通的。

3.3 檢測(cè)電路

HVIL 系統(tǒng)中的檢測(cè)電路主要有兩種，直流源方案與PWM方案。

HVIL檢測(cè)電路

4.處理策略

4.1處理速度

高壓連接器中的HVIL接口與高壓大電流HV接口在插入或拔出時(shí)，有個(gè)時(shí)間差Δt，當(dāng)連接器插入時(shí)，高壓端子先接觸，HVIL端子后接觸，時(shí)間差為Δt1；當(dāng)連接器拔出時(shí)，HVIL端子先斷開，高壓端子后斷開，時(shí)間差為Δt2；通過時(shí)間差能確保高壓端子已經(jīng)可靠連接或提前預(yù)判其意外斷開。

連接器HV端子與HVIL端子插拔的時(shí)間差

Δt1與Δt2兩個(gè)時(shí)間差與插入或者拔出的速度有關(guān)，Δt1大概在1s左右，而Δt2大概在100ms左右，也就是斷開的時(shí)間會(huì)快一些。

這就要求HVIL在斷開時(shí)的處理速度要小于Δt2，通常情況下，系統(tǒng)對(duì)互鎖端子回路的響應(yīng)時(shí)間在10~100ms 之間，用來保證安全防護(hù)作用。

4.2互鎖等級(jí)

下面是一個(gè)高壓互鎖HVIL系統(tǒng)的示例，示例中有兩個(gè)HVIL回路，HVIL回路1和HVIL回路2。

高壓互鎖控制系統(tǒng)示例

HVIL1回路是從VCU開始，經(jīng)過MCU、BMS和OBC后返回。HVIL2是空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的回路，也可以認(rèn)為是個(gè)子回路。HVAC會(huì)將HVIL2回路中的狀態(tài)信息通過CAN發(fā)給VCU。

此外，從左邊的HVIL1回路中可以發(fā)現(xiàn)，MCU中除了正常的HVIL引腳，內(nèi)部還連接了1個(gè)開關(guān)k。這個(gè)開關(guān)K是MCU（電機(jī)控制器）的保護(hù)蓋相連。

前面說過，高電壓還有1個(gè)高壓暴露的問題，防止高壓暴露通常是在高壓設(shè)備的外面加一個(gè)絕緣的保護(hù)蓋，蓋板會(huì)采用杠桿式或按鈕式結(jié)構(gòu)，蓋板也是一個(gè)開關(guān)，蓋板打開時(shí)，開關(guān)斷開；蓋板閉合時(shí)，開關(guān)連通。將這個(gè)開關(guān)與HVIL回路串聯(lián)，開關(guān)斷開就相當(dāng)于HVIL回路斷開，此時(shí)高壓就會(huì)斷電。這樣就可以用于開蓋檢測(cè)，也就解決了高壓暴露的問題。

HVIL可以根據(jù)故障的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行等級(jí)劃分，針對(duì)不同的故障等級(jí)，采取不同的安全控制策略。比如故障等級(jí)可以從重到輕分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。

一級(jí)：一般將電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池系統(tǒng)（RESS）、車載充電機(jī)（OBC）等劃為一級(jí)。這些部件是高壓系統(tǒng)的核心部分，一旦出現(xiàn)互鎖故障，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)高壓系統(tǒng)無法正常工作或存在嚴(yán)重安全隱患，通常會(huì)采取切斷高壓電源等較為嚴(yán)格的措施。

二級(jí)：電機(jī)控制器（MCU）、電動(dòng)機(jī)（Motor）等常被劃為二級(jí)。當(dāng)二級(jí)部件出現(xiàn)HVIL故障時(shí)，車輛可能會(huì)先發(fā)出故障警告，然后降低電機(jī)的運(yùn)行功率，使車速平穩(wěn)下降，以確保在故障狀態(tài)下車輛仍能安全行駛到合適位置。

三級(jí)：電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)（EACP）、PTC加熱器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等可劃為三級(jí)。這些部件對(duì)車輛的動(dòng)力性能影響相對(duì)較小，當(dāng)出現(xiàn)HVIL故障時(shí)，一般會(huì)先進(jìn)行故障警告，然后限制或中斷相關(guān)部件的功能，以保障其他關(guān)鍵部件的正常運(yùn)行。

5.小結(jié)

HVIL是High Voltage Interlock Loop的縮寫，表示高壓互鎖。高壓互鎖結(jié)合了特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣檢測(cè)和智能控制原理。

特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免帶電插拔，通過檢測(cè)低壓回路的電壓、電流、PWM等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)高壓回路完整性的檢查，檢測(cè)到故障時(shí)可提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，根據(jù)不同安全等級(jí)及時(shí)做出防護(hù)處理。

素材來源：汽車電控知識(shí)