高压线束中高压互锁的作用原理和应用「高压线束中高压互锁的作用原理和应用」

线束砖家

国家标准定义电压超过60 V就被定义为高压电，和传统汽油车使用12 V低电压系统相比，电动车使用了220 V高压电气系统，高电压电流在随时提供车辆足够动力的同时，也考验着车载高压用电器的使用安全。

高压线束采用多种防护措施来保障可能发生的高压电伤害现象，其中高压线束接插件的高压互锁装置就是其中一项非常重要的防护措施。本文将从高压互锁的定义、工作原理、相关接插件的设计思路、应用等多方面来进行浅析。

1 高压互锁的定义和作用

1） 根据《ISO6469》国际标准中所规定的，电动车（包括BEV、PHEV等车型） 的高压部件（及其接插件） 都应具有高压互锁装置。

2） 高压互锁（High Voltage Interlock Loop），其作用是使用12V的小电流来确认整个高压电气系统的完整性，整车所有的高压部件和线束接插件都必须安装到位，无短路或断路的情况。当控制器检测到HVIL回路断开或是完整性受到破坏时，需要启动必要的安全措施。

3） BMS在检测到HVIL回路断开，判断车辆系统存在风险时，会根据当时的车辆情况，选择不同的必要安全措施。

①故障报警。常通过仪表警告灯亮起或发出警告鸣声等形式提醒驾驶员注意车辆情况，尽早将车辆送至专业维修点检测，避免发生安全事故。

②切断高压电输出。当车辆处于停止状态，BMS检测到HVIL断开，除了进行必要的警告外，还会直接切断高压电输出，使车辆无法启动，最大限度地保障乘客安全。

③降低高压输出功率。当车辆处于行驶状态下，BMS检测到HVIL断开，直接切断高压电输出会产生严重的、不可控的后果。此时，除了进行必要的警告灯／ 警告音提醒驾驶员外，高压控制系统将强制降低电机的输出功率，强制降低车速，使车辆始终处于一个降低速的运行状态下，给驾驶员足够的时间和机会寻找合适的地点停车。如驾驶员在停车后未及时将车辆送检维修， 那么在下次启动车辆时，BMS将会直接实施上文提及的直接切断高压电的措施，用以保障用户及车辆安全。

1） 一般电动车使用的高压部件有：电池包、车载充电装置、电驱动装置及控制电子系统、高电压加热装置（PTC）、空调压缩机等用电器。

2） 高压互锁回路如图1所示。只有当互锁回路形成了一个完整的闭环，BMS认为车辆的高压部件状态正常，才会允许接通高压电源。当回路遭到断开，触发HVIL的断开信号，BMS将在毫秒级时间内断开高压电，确保用户安全。

3） 除了车辆由于意外或碰撞等因素导致HVIL回路断开外，断开服务插头（Service Disconnect Stecker） 也会导致HVIL回路断路。服务断开插头是低压接插件，在电动车车辆维修时，作为安全保障，维修人员需要先行断开服务插头，即将HVIL回路断开，停止高压电的输出后，才能进行车辆维修。

目前市面上的高压互锁设计大多是集成于高压线束接插件。即在高压线束接插件上，额外多一组低压回路用于检测HVIL的回路完整性。

1） 图2是比较常见的高压互锁结构。

高压互锁结构包含在接插件内部，通过互锁端子和主回路（高压） 端子的长度和位置差异，实现连接时，先连接高压端子，再连接低压端子；断开时，先断开低压端子，再断开高压端子。该设计的优点是设计紧凑，体积小。

高压及互锁端子连接顺序可见图3，高压及互锁端子断开顺序可见图4。

2） 图5是另一种高压互锁接插件。高压互锁结构独立于内塑壳或有一个单独的小连接器连接，通过2个连接器的先后安装关系保证。此设计的优点是方便主体塑壳结构扩展定制，缺点是设计复杂。高压及互锁端子断开顺序可见图6。

4 高压互锁的设计结构的输入及测试项目

高压互锁的设计结构的输入：高压互锁集成在接插件中，一般是遵循已有的对配公端安装界面进行定义设计。如果在没有任何参考对配公端界面的情况下，最少通过以下2个输入条件决定高压互锁结构的设计：

①接插件的外形轮廓尺寸要求，从而确定能够选择的最小端子系列及其接插位置；

②接插件安装位置的环境温度，从而确定端子所使用的镀层类型。

高压互锁设计结构的一般测试内容：

①高压互锁端子初态接触电阻；

②高压互锁端子环境老化测试后的接触电阻；

③在接插件装配状态下，高压互锁端子的接触深度，以及高压互锁端子分离后，主回路端子的接触深度。

6 BMS里面的高压互锁（HVIL）电路

高压互锁（High Voltage Interlock Loop）功能也是BMS上面的一个重要功能，其他高压控制器上面也会有这个功能，例如VCU等；它的作用是用来检测高压回路中高压连接器的连接状态，识别高压连接器未连接或意外断开的故障；如下图（图片来源于特斯拉诊断手册），图中红线的环路就是高压互锁环路，它把系统中的相关高压连接器全部串联起来，同时检测它们的连接状态。

HVIL的实现首先依靠连接器自身的结构。高压连接器在内部集成了HVIL接口。如下图所示（图片来源于网络），高压连接器除了自身的高压大电流接口外，还集成了一个HVIL接口；原理很简单，HVIL接口有两个PIN脚，当高压连接器插合后，两个PIN成短路状态；当高压连接器断开后，这两个PIN脚成开路状态。HVIL功能就是通过检测这两个PIN脚的通断来实现。

同样的，高压维修开关（MSD）也集成了HVIL接口，如下图（图片来源于网络）。

高压连接器中的HVIL接口与高压大电流接口在插入或拔出时，有个时间差，如下图所示；当连接器插入时，高压端子先接触，HVIL端子后接触，时间差为Δt1；当连接器拔出时，HVIL端子先断开，高压端子后断开，时间差为Δt2；这样的话HVIL端子就能确保高压端子已经可靠连接或提前预判其意外断开。

上面的两个时间差一般与插入或者拔出的速度有关，之前有大概测试过，Δt1大概有1s左右，而Δt2大概有100ms左右，时间不是很精确，但量级差不多。

接下来简单介绍HVIL检测电路，一般分为两种，直流源方案与PWM方案。如下图，左图为直流源方案简图，右图为PWM方案简图。在左图中，外部施加一个直流源在整个HVIL环路上面，通过检测V1V2处的电压，来诊断高压连接器状态；同理，在右图中，引入了一个可控的开关，同样还是检测V1V2处的电压，不过通过控制开关，可以得到两组值，用来识别出更多的状态；

实际的HVIL检测电路更复杂，首先要定好需要检测的故障类型，然后根据故障类型设计检测电路；故障类型有断路、短路到地、短路到电源、回路阻抗变大等。这一块可以去搜索专利，能搜到很多方案实现电路。

高压互锁诊断是作为一项重要的安全机制落在BMS的安全目标中的，一旦诊断出故障后，BMS要进入安全状态。这其中又要对整车场景进行细分，不同场景下、安全状态是完全不同的；例如充电场景、行车场景、启动场景，大家也可以去搜一下相关信息，介绍的很详细。

总结：

本文一如既往地作为前置挖坑文，简单介绍了HVIL的概念，后面有机会再深入地分析HVIL检测电路。大部分情况下，HVIL电路是一个系统电路，它遍历所有主要的高压接口，由主机厂来定义检测范围，HVIL功能难点在于发现故障后的处理策略，也是核心。以上所有，仅供参考。

参考素材：汽车电器