一、新能源汽車高壓安全設計之一：高壓互鎖HVIL

隨著電動汽車的不斷發(fā)展，尤其是對充電效率的要求提高，電動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，主流的車型多采用400V電壓平臺，部分高端車型開始應用800V高壓系統。有些車企已經開始研發(fā)更高的900V-1000V平臺，用以適配6C超快充。

隨著電壓的逐步升高，大家對電動車的高壓安全問題也越來越關注和重視。

1.高電壓帶來的安全問題

使用高電壓的安全風險我們最熟知的就是觸電風險，尤其是在高壓器件暴露時最危險；此外，車輛中的高電壓在運行時還會帶來另外兩個的安全問題：1個是開關電弧，另1個是高壓斷電。

1.1高壓暴露

人體安全電壓的通用標準是指50伏交流電（AC）或120伏直流電（DC）。不過，實際安全性與環(huán)境、接觸時間、人體電阻等因素密切相關。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安全；而在潮濕或金屬導電環(huán)境下，安全電壓可能降至12-24伏。

在純電動汽車中，主流高壓系統的電壓通常是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，將對人員安全構成極大威脅。

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

1.2開關電弧

電路開關工作在高電壓環(huán)境下，當開關斷開時，觸頭間的電壓很高。根據氣體放電理論，當電壓超過氣體或絕緣介質的擊穿電壓時，介質中的電子會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電場作用下加速并撞擊其他中性原子或分子，產生更多的自由電子和離子，形成雪崩效應，最終導致氣體介質導電，形成電弧。

開關電弧

在高壓開關中，通常通過的電流較大。一旦電弧形成，電流就會在電弧通道中流動。隨著電流的增加，電弧通道中的氣體進一步電離，導致電阻下降，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，進一步增強電弧的穩(wěn)定性。

電弧形成后會持續(xù)增強

電弧的高溫不僅會損壞開關的接觸點，還容易引燃周邊的物體，對附近的人員和設備造成傷害。

電弧容易引發(fā)火災

1.3高壓斷電

傳統車的動力是由發(fā)動機提供的，發(fā)動機工作異常時，比如冷卻液溫度高，發(fā)動機排放故障、發(fā)動機運行故障時都要提前報警和處理。

電動車的動力是由動力電池的高壓電驅動電機提供的，車輛行駛時，如果高壓斷電，使整車失去動力，也會影響車輛和人員的安全，需要提前預警和啟動安全措施。

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

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監(jiān)測高壓回路完整性的安全設計方法。通過檢測電動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可檢測的范圍包括電池組、BMS、VCU、PDU、MCU、DC-DC、PTC、線束、連接器及保護蓋等所有使用高壓電的設備。

當高壓互鎖回路的完整性受到破壞，有1個或多個地方出現了故障時，HVIL可以提供報警信息、啟動安全措施。

3.高壓互鎖HVIL的基本原理

3.1機械結構

前面說了高壓系統在使用中容易產生開關電弧問題，車輛中需要斷開和連接的開關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，如果帶電插拔，就容易產生開關電弧，這個問題是通過特殊的機械結構來解決的。

普通的連接器只有兩個引腳，分別是高壓電的正極和負極，而HVIL的連接器又增加了一對低壓電的正極和負極，這對低壓電就是HVIL系統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個引腳，中間多了兩個HVIL pins。

從右側圖中還可以看出，中間的HVIL pins與兩側的HV pins的接觸點不在一個平面，HVIL pins的插針比較短，這樣的結果就是連接時，兩側的HV pins會先接觸，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4個引腳完全斷開；

中圖表示連接時，兩側的HV pins先連接，中間的HVIL pins還未連接；

右圖表示繼續(xù)連接時，中間兩個HVIL pins會連接，從而完成4個引腳的全部連接。

HVIL pins檢測到不正常時，會斷開高壓回路。而HVIL pins未連接時是一種開路狀態(tài)，這本身就是一種不正常的狀態(tài)，此時模塊的內部會斷開高壓電。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，不會產生電弧，這樣就保證了接插件連接時的安全。

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

3.2電氣原理

開關電弧問題可以通過特殊的機械結構解決，而高壓電回路的完整性檢測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HVIL系統的示例，這里使用了1個單獨的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，組成了一個大的回路。

HVIL監(jiān)控單元中有1個電流源，會產生一個小電流，這個電流會從HVIL控制單元的接插件流出，經過BMS、MDI、OBC的接插件和內部電路后，最后再流回HVIL控制單元。

正常情況下，HVIL控制單元輸出的預定義電流與實際返回的電流應該基本相等，但是如果回路中有連接器接觸不良或松動、斷開，就會導致實際返回的電流值一異常變化。HVIL控制單元通過檢測輸出電流（預定義電流）與輸入電流（實際返回電流）的關系，就可以判斷系統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，導致接觸電阻變大；

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，實際上用電壓源也是一樣的道理，通過檢測輸出、輸入和中間各個點的電壓同樣可以判斷出回路連接異常。

檢測出大回路異常后，能否進一步確定到底是哪個模塊、哪個連接器出現了問題呢？也就是如何精確定位問題呢？

這就需要模塊內部也具有測量HVIL參數的能力，HVIL參數主要就是指電流和電壓。

模塊內部的電流、電壓測試

比如示例中的BMS內部也有HVIL檢測能力，BMS首先檢測HVIL電流，如果 HVIL 電流與預定義值不相等。則BMS會進一步檢測“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BMS，也就是電流輸入端出現了問題，即“HVIL In”側的組件出現故障，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的內部回路，輸入端和中間電路都正常，說明“HVIL Out”側的組件出現了故障，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的內部回路中流出，也就表示BMS內部存在故障。

這里要注意的是，HVIL回路出現故障時，電流或電壓不一定是0，通常要設定一個閾值。因為故障原因不只是斷路，還有可能是接觸不良，比如接插件端子出現退針時，可能導致接觸電阻增大，由幾十毫歐變?yōu)?0幾歐，但此時回路依然是連通的。

3.3 檢測電路

HVIL 系統中的檢測電路主要有兩種，直流源方案與PWM方案。

HVIL檢測電路

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，有個時間差Δt，當連接器插入時，高壓端子先接觸，HVIL端子后接觸，時間差為Δt1；當連接器拔出時，HVIL端子先斷開，高壓端子后斷開，時間差為Δt2；通過時間差能確保高壓端子已經可靠連接或提前預判其意外斷開。

連接器HV端子與HVIL端子插拔的時間差

Δt1與Δt2兩個時間差與插入或者拔出的速度有關，Δt1大概在1s左右，而Δt2大概在100ms左右，也就是斷開的時間會快一些。

這就要求HVIL在斷開時的處理速度要小于Δt2，通常情況下，系統對互鎖端子回路的響應時間在10~100ms 之間，用來保證安全防護作用。

4.2互鎖等級

下面是一個高壓互鎖HVIL系統的示例，示例中有兩個HVIL回路，HVIL回路1和HVIL回路2。

高壓互鎖控制系統示例

HVIL1回路是從VCU開始，經過MCU、BMS和OBC后返回。HVIL2是空調系統相關的回路，也可以認為是個子回路。HVAC會將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，MCU中除了正常的HVIL引腳，內部還連接了1個開關k。這個開關K是MCU（電機控制器）的保護蓋相連。

前面說過，高電壓還有1個高壓暴露的問題，防止高壓暴露通常是在高壓設備的外面加一個絕緣的保護蓋，蓋板會采用杠桿式或按鈕式結構，蓋板也是一個開關，蓋板打開時，開關斷開；蓋板閉合時，開關連通。將這個開關與HVIL回路串聯，開關斷開就相當于HVIL回路斷開，此時高壓就會斷電。這樣就可以用于開蓋檢測，也就解決了高壓暴露的問題。

HVIL可以根據故障的風險程度進行等級劃分，針對不同的故障等級，采取不同的安全控制策略。比如故障等級可以從重到輕分為一級、二級和三級。

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

二級：電機控制器（MCU）、電動機（Motor）等常被劃為二級。當二級部件出現HVIL故障時，車輛可能會先發(fā)出故障警告，然后降低電機的運行功率，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：電動空調壓縮機（EACP）、PTC加熱器、DC/DC轉換器等可劃為三級。這些部件對車輛的動力性能影響相對較小，當出現HVIL故障時，一般會先進行故障警告，然后限制或中斷相關部件的功能，以保障其他關鍵部件的正常運行。

5.小結

HVIL是High Voltage Interlock Loop的縮寫，表示高壓互鎖。高壓互鎖結合了特殊的機械結構設計、電氣檢測和智能控制原理。

特殊的結構設計可以避免帶電插拔，通過檢測低壓回路的電壓、電流、PWM等參數可實現高壓回路完整性的檢查，檢測到故障時可提前發(fā)出預警信號，根據不同安全等級及時做出防護處理。

素材來源：汽車電控知識