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【 摘要 】
为了保证一款新能源PHEV 插电式混合动力电动车 车型高压线束回路的安全可靠连接 进行了一种冗余设计方案 符合ISO 26262的标准要求 采用控制器实时检测车辆整个高压回路的电气连接完整性 对车辆使用过程中出现的可能故障进行处理 确保车辆和人员的安全
【 关键词 】 新能源 高压互锁 采样电阻 电池包 故障诊断 整车控制器 电池管理系统
1.高压互锁 （ HVIL ） 功能介绍
HVIL是High Voltage Interlock Loop 高压互锁回路 的简称 HVIL通过使用低压电信号 来检查整个高压模块 导线及连接器的电气完整性情况 当 发生互锁故障后 必须保证整车高压系统下电且在故障排除前高压系统不能上电 同时触发相应的警示信号
1 带有高压的模块从高压回路断开的时候 防止由于高压回路存在容性负载 必须执行特定的放电程序将高压释放至安全电压范围内 导致人员接触带电部件而发生触电事故 保证人身安全
2 带有高压的模块从高压回路断开的时候 防止由于高压线缆带电 整车意外上电导致人员接触带电部件而发生触电事故 保证人身安全
3 车辆在使用过程中 防止由于人为操作不当 车辆颠簸 产品老化 线路磨损等带来的局部发热和 拉弧导致产品性能急剧下降 起火事故 保证车辆和 人身安全
2.HVIL设计要求
2.1 HVIL系统功能安全要求
①与HVIL相关的控制器安全等级要求如下 控制器中与HVIL相关模块的功能安全等级应达到ASILC[1] ②HVIL应包括一个信号发生器和2个信号检测装置
2.2 HVIL系统诊断功能要求[1]
HVIL相关控制器应诊断出如下故障 ①回路断开 ②对GND 整车搭铁 短路 ③对电源 12 V 短路 ④回路短路 ⑤回路阻抗变大
2.3 HVIL信号源要求
①HVIL信号源电压为5V ②HVIL与12V电源短路时 信号源不应失效 且具有反向保护功能 ③ HVIL线束不允许出现分支压接点 ④当12V蓄电池电 压降到10.2V时 也应保证HVIL信号源有稳定输出
2.4 HVIL对高压连接器要求
①高压电气系统中插接形式的高压连接器应集成互锁功能 当高压连接器断开时应先断开HVIL 接合时应后接通HVIL ②高压连接器接合后接触电阻应满足Q CC JT0638—2014 汽车电线束插接器技术条件 中4.12的要求
3.HVIL拓扑结构
3.1 PHEV高压布置简图
根据PHEV车型的布置情况 确定高压电气布置简图 见图1
3.2 HVIL拓扑图
根据HVIL相关零部件布置位置 确定HVIL拓扑图 见图2
HVIL拓扑图中高压插接件参数见表1
4.HVIL阻抗匹配[2]
按照高压互锁回路信号源电压为5V 电流接近 10 mA的设计 得到回路总的阻抗R1+R2+R3=500 Ω HCU及BMS均检测互锁回路R2两端电压值 从而判断 回路是否有故障 现阶段我司选用的BMS中R1和R3的 最大可用功率均为1 W HCU中R2的最大可用功率为 0.08 W 实际为0.1 W 取0.8保险系数使用
为满足以上条件 我们以最极限的情况来分析 互锁原理简图见图3
故障模式1 A侧对GND短路
故障模式2 A侧对 蓄电池 16 V 短路
故障模式3 B侧对GND短路
故障模式4 B侧对蓄电池 16 V 短路
故障模式5 HVIL回路断开
故障模式6 A侧对B侧短路
根据计算结果 可知第1组为可用的值 通过查找相近型号的电阻 得出 R1=75 Ω R2=56 Ω R3= 374 Ω
由上可知 R1 R2 R3在各种情况下的最大功率分别为 P1_max=0.333 W P2_max=0.082 W P3_max=0.684 W 均满足所选电阻的要求 因此 推荐匹配电阻阻值为 R1=75 Ω R2=56 Ω R3=374 Ω
5.HVIL故障诊断方法 （ 表2 ）
该互锁方案的原理是 将所有识别的高压互锁回路故障转换为高压互锁回路检测的电压值 通过采集电压信号进行故障检测 HVIL正常情况下 H1与H2 之间电压差 B1与B2之间电压差均应在0.2~0.9 V 5 V 信号源的4%~18% 之间
6.HVIL故障诊断分析
对HVIL各种故障情况进行分析 结果见表3
根据故障诊断方法 HVIL在各种故障下 HCU及 BMS检测出的电压均在正常工作电压范围 0.2~0.9 V 之外 表明本设计方案满足设计要求
7.HVIL失效场景分析
高压互锁系统在识别到危险时 整车控制器 以下简称HCU 和电池管理系统 以下简称BMS 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 策略简述见表4
8.总结
该高压互锁方案给出了HVIL拓扑结构 诊断方法 故障诊断分析表 并计算得出了一组阻抗匹配数据
1 在HVIL标定验证阶段 必须仿效整车线路进行所有故障和动作测试 并应根据实际标定情况对R1 R2和R3的阻抗值以及故障类型和判定方法进行相 应调整
2 充电机 将民用电网220 V交流电转化成车辆 需求电压的直流电 给电池包提供稳定的直流电源补充能量
3 后驱电机 放置在车辆后桥部位的永磁同步交流电机 同减速器集成为独立的电驱动桥结构 为实现整车的独立驱动 四轮驱动提供电力驱动扭矩
作者第1次进行该功能的设计 没有经过试验标定和市场考验 其中不免有考虑不周和设计不足 后期会根据标定数据以及样车测试对方案进行不断完善 也希望各位读者批评指正
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