高壓互鎖回路原理及常見故障排查

【摘要】在純電動車上，出于安全考慮，高壓互鎖回路必須存在。同時，由于該回路涉及用電器眾多且分布廣，一旦出現故障，排查工作較困難。文章以常見故障案例為依托，介紹了高壓互鎖回路的原理和故障排查思路，并對實現高壓互鎖的其他方式和發展趨勢做了進一步的探討。

毫無疑問，新能源汽車是目前乘用車領域的熱門發展方向之一。新能源汽車與傳統燃油車有明顯的不同，尤其是純電動車不會像燃油車一樣能通過明顯的抖動、氣味、熱量等途徑感知到其工作情況，判斷車輛安全狀態。因此，需要有其他的辦法來保證車輛在運行過程中的安全可靠性。高壓絕緣檢測和高壓互鎖回路就是必不可少的技術方案。

同時，為了保證各個用電器高壓線束連接到位以防止意外接觸到漏電( 相當于燃油泄漏) ，以及異常狀態情況下( 例如碰撞損壞、非正常操作斷開高壓用電器等) 的安全，僅僅靠檢測、目視檢查顯得不足。因此，高壓互鎖回路就顯得極其重要。

國標《GB/T 18384． 2-2015 電動汽車安全要求第2 部分: 操作安全和故障防護》中也規定了“針對電動汽車系統和組件的設計應考慮故障安全”。

1.1 基本原理

借助一個ECU 和低壓線束，組成一個閉合的回路。由該ECU 檢查該回路的完整性。如果該回路出現短路、開路的情況，則認為存在潛在的危險，禁止輸出高壓。

如圖1 所示，BMS 負責發送和接收PWM 波形。在正常情況下，該波形經過PTC、PDU 電力分配單元和EAC 電動壓縮機等模塊，最后到達BMS。BMS 檢查接收到的信號參數( 如占空比) 來判斷回路的完整性，間接反映高低壓線束連接狀況和模塊工作狀態。如果BMS 收不到發出的檢查波形，則可能出現高壓電纜未安裝( 高壓電纜裸露) 、高壓部件損壞、防護結構失效等直接和潛在危險。此方案因為有PWM 波形，即使互鎖回路破損導致對電或者對地短路、開路，也能檢測出故障。這就避免了因為低壓線束回路故障導致的高壓電暴露不能識別的情況，安全性較高。

該方案可以是一個回路，也可以是若干回路相對獨立。幾個回路的好處是可以迅速鎖定故障點，也能根據故障情況選擇性地斷開隔離高壓，滿足客戶基本的用車需求。相對于此種行程環路的方案，還有更簡單的實現辦法，比如單線制。即由A 控制器給出電壓或者PWM 信號，經過一連串的高壓元件之后由B控制器接受檢測。但是從安全角度考慮，使用PWM 信號無疑是一種非常好的選擇，可以避免互鎖回路對地或者對電短路的情況。

1.2 高壓互鎖的主要結構

整車高壓系統主要涉及能量存儲輸出單元( 動力電池) 、電力分配單元( PDU) 以及用電器( 如電機逆變器、電動壓縮機、高壓PTC 等) 。

縱觀各種高壓用電器和高壓元件的結構，高壓電壓暴露給人身帶來傷害的可能性主要有兩種: ( 1) 各種蓋板或者端蓋沒有覆蓋好高壓線束導致電壓裸露; ( 2) 高壓線束線快速接口沒有連接，導致高電壓裸露。因此高壓互鎖的主要設計目標就是避免上述兩種可能性的發生。

圖2 展示了一種PDU 蓋板互鎖示意圖。高壓線束連接好之后，會將互鎖回路連接起來。蓋板裝配好開關閉合，最終使得互鎖回路閉合。無論是高壓線束沒有連接，還是蓋板不蓋，都會使得高壓互鎖回路開路，不允許高壓輸出，這樣就避免了高壓裸露帶來的觸電風險。互鎖開關的形式有多種，可以使用杠桿式，也可以使用按鈕式，各有利弊。基本的原理都是蓋板或者端蓋上設計有凸臺或者筋，蓋好之后按壓開關將其開關閉合，使互鎖回路閉合，具備上高壓的必要條件。

如圖3 所示，公端接口固定于用電器或者PDU 上，帶有互鎖回路母端端子，母端端子串聯在低壓互鎖回路中。母端接口即為線束端，集成了互鎖的公端端子。公端端子是短接在一起的，只有線束連接良好，才可能使得互鎖回路閉合，最終具備了高壓電輸出的必要條件。?

作為一個回路，故障無非開路與短路。下面以具體案例為例介紹常見的開路和短路情況。

2.1 線束錯誤導致開路

在生產制造環節，鑒于線束的生產仍依賴于人工組裝，因此出現線束錯誤是難免的，線束質量檢查可以借助于電檢臺把關。在此不再贅述。但是在工程開發階段，線束往往是臨時改制或者手工制作的，難免出現錯誤。

由圖1 及對其基本原理的描述可知，整個回路中只在BMS 的兩個PIN 腳處是沒有直接連接在一起的。因此，如果其他的用電器和線束連接良好，則從BMS 線束的2 個PIN 腳測量導通應該是通路的。在排查過程中，首先從ECU 2 個PIN 腳對應的線束導通確認回路的確不通之后，使用“二分法”進行排查。以圖1 為例，從BMS 對應線束的一個PIN 腳，測量到PDU( 實際往往選擇方便操作的單元或者模塊) 對應的PIN 腳，跨過若干個模塊，如果不能導通，則將故障的范圍迅速地減少了一半。接下來繼續從BMS 一端故障所在側開始繼續縮小排查范圍，最終鎖定開路所在位置。如果測量低壓線束都是導通的，則可以考慮用電器故障，比如PDU 的互鎖開關失效、高壓線束互鎖端子損壞、回路對地或對電短路等故障。

2.2 互鎖開關失效導致開路

互鎖開關常見的故障是關閉蓋板之后開關不能閉合。在樣車試制過程中，發生過2 類問題。設計尺寸偏差，導致互鎖開關不能閉合。蓋板突出的筋結構高度偏低，導致開關不能閉合到位，互鎖回路開路。

設計不合理導致安裝過程中互鎖開關結構失效致使開關不能閉合。該實例產生的原因是互鎖開關朝向正好是某些裝配技師移動蓋板的相反方向，為了安裝到位，裝配人員用力推動蓋板，將互鎖彈片壓彎。這也間接說明互鎖開關的設計需要綜合考慮到安裝的幾種可能、調整開關的朝向等，以避免結構失效。此外也存在開關本身故障導致開關不能閉合的情況。

2.3 端子退針導致開路

端子退針包括互鎖回路的低壓線束中部分線束的端子質量問題，也包括高壓用電器及PDU 上高壓互鎖回路上的端子質量問題。

圖4 展示了一例端子退針的案例，端子退針或者其他質量問題導致的公母端子接觸不良，同樣需要使用“二分法”快速定位故障位置，定位到故障點之后，如果線束導通下來沒有問題，則故障原因在高壓部件上。退針以及端子接觸不良的問題說明在進行問題排查和導通的時候，需要使用合適的探針。如果探針直徑較大，會影響到端子的接觸質量和壽命。

2.4 對地/電源短路

在1.1原理部分介紹由ECU 判斷高壓互鎖的完整性，可以由ECU 發出矩形波，然后檢查該波形是否能夠返回。

如果高壓互鎖回路發生了對地短路或者對電源短路，顯然PWM 波無法返回ECU。這樣就會導致ECU 報高壓互鎖故障，進而無法上高壓。筆者就遇到一例這樣的問題，檢查網絡信號報高壓互鎖開路。但是僅從ECU 對應的低壓線束測量高壓互鎖回路，結果是導通的。這顯然存在矛盾，經過排查發現互鎖回路對地短路了，也就是從ECU 低壓接插件兩端測量互鎖回路是導通的，但是任何一端與車身的測量也是導通的。根據高壓互鎖回路的工作原理知道，雖然回路是通的，但是對地短路也不能使BMS 發出的PWM 波形返回到BMS，而使得BMS 報高壓互鎖開路。經過排查，最終發現是PDU 內部互鎖回路破損，導致對金屬殼體短路，也就是相當于對車身地短路。

2.5 動力電池內部故障

如圖1 所示，動力電池內部發出方波，并檢測方波。如果整車報了高壓互鎖回路的故障，而實際導通下來線束是完好的，并且沒有對電、對地短路的情況，則還可以繼續排查驗證是否是動力電池內部的故障。

方法是帶電測量互鎖回路是否形成通路，即確認低壓線束回路相通，高壓線束都連接完好。然后將高壓互鎖回路任何一個地方斷開，使用歐姆檔測量是否導通，如果不能導通，說明沒有電流流過。接下來就可以檢查是否有方波的電壓，以及接受方波的公端端子是否良好。

高壓互鎖對保證用戶安全和車輛安全運行至關重要。但是在生產和售后維修保養過程中，高壓互鎖回路難免出現故障。本文通過高壓互鎖原理、結構和主要故障的分析，可以得到高壓互鎖故障排查的基本思路和做法。

首先是檢查所有的高壓部件和高壓線束是否都裝配到位; 然后從ECU 端用萬用表檢查線束是否導通，檢查對整車地、12 V 電的導通情況; 以上如果都是正常的，再從BMS 低壓線束端開始，使用“二分法”分段進行排查，迅速鎖定故障點。需要特別注意的是，在故障排查的過程中，需要小心保護公母端的端子。在測量過程中，也需要多注意觀察公端和母端的端子質量，以期盡快鎖定最終故障根源。隨著汽車技術的快速發展，互鎖回路會朝著更加合理、智能和規范的方向發展，形成多回路、局部控制的格局。不僅方便檢測和維修，還能滿足顧客多種工況情景下的使用需求。