高压环路互锁系统原理分析及故障诊断

王建国

摘要：随着我国汽车保有量持续攀升，不仅带来能源危机，同时也给环境带来巨大伤害。纯电动汽车和混合动力汽车作为新能源汽车的两大主流，已经成为我国实现碳中和的重要路径。与传统汽车相比，电动汽车的高压电系统是特有的技术。其中高压环路互锁系统是电动汽车高压电气安全保护的一个重要组成系统。

本文针对高压环路互锁系统涉及高压部件多且分布广，排查困难的特点。介绍各高压部件的作用与功能，分析高压环路互锁系统的工作原理，并结合现场维修实例梳理故障诊断方法。

关键词：

电动汽车 高压环路互锁 原理分析 故障诊断

引言：

高压环路互锁系统，是指通过低压检测信号形成回路，用来实时监测高压模块，导线，连接器所组成的高压网路的完整性及连续性。当互锁回路出现故障时，系统将做出故障报警，切断高压电（车辆停驶时），限制功率运行（车辆行驶时）等措施，保证车辆和人员的安全。高压环路互锁系统是确保人员安全和车辆安全运行的关键。现行的国家标准《ＧＢ／Ｔ　３７１３３－２０１８：电动汽车高压大电流线束和连接器技术要求》中，明确要求“高压系统连接时，功率端子先接通，信号／控制端子后接通。高压系统断开时，信号／控制端子先断开，功率端子后断开。”

一、电动汽车高压系统基础结构及各高压部件的功能介绍

１、高压系统基础结构。

目前，大部分电动汽车是在传统汽车基础上进行延伸形成，结构上与传统汽车最大的区别在于高压动力系统。电动汽车上，整车带有高压电的部件有动力电池、电机控制器、驱动电机、电动压缩机、高压线束等，组成了整车高压系统。其中动力电池，驱动电机，高压控制系统为电动汽车的三大核心部件。

瑞虎８ＰＬＵＳ鲲鹏ｅ＋高压部件基础结构如图１所示

图1高压结构图

2、高压部件的功能简介

2.1 整车控制器：一般安装于主副驾驶座椅下方，是整个电动汽车的控制中心，能够识别驾驶员的驾驶意图，实现前进、倒退、再生制动及停车。动力模式（ＥＶ／ＨＥＶ）及驾驶模式（Ｎｏｒｍａｌ／Ｓｐｏｒｔ）的控制与切换。具备ＯＢＤ故障诊断、ＣＡＮ收发、掉电数据保存、车身及附件管控、热管理等多种功能。车辆控制器作为整车的最顶层的控制单元，负责整车驾驶模式管理、动总扭矩分配、发动机管理、离合器控制、制动能量回收、高压电池电量平衡控制，ＤＨＴ目标速比控制等。

2.2动力电池：为整车提供动力来源的电源。电池包内部的电池管理系统（ＢＭＳ）检测动力电池组中各单体电池的状态，确定整个电池系统的状态，并做出相应的控制调整和策略实施，从而保证动力电池系统安全稳定运行。电池管理系统具备过流保护、高压互锁检测、绝缘监控等功能。

2.3电机控制器：在ＥＶ模式下实现驱动电机加速和减速，并接收ＨＣＵ指令，控制电机正转和反转，实现车辆前进和后退。接受整车指令控制电机工作并监控电机状态。具备高压环路互锁、安全保护接地等高压安全保护功能。

2.4充电机控制器总成：ＣＤＵ总成是由车载充电机（ＯＢＣ）、直流变换器（ＤＣ／ＤＣ）和动力分配单元（ＰＤＵ）组成的三合一式集成电源。主要功能是实现由电网给整车动力电池及１２Ｖ铅酸电池充电，并能实现对ＰＴＣ及ＥＡＣ的供电分配。

2.5电动压缩机总成：电机为无刷直流电动机，自带控制器来控制无刷电机的转速，是空调系统的重要组成部分。

2.6加热电芯（ＰＴＣ）：ＰＴＣ位于辅助加热系统模块（ＨＶＨ）中，受同在ＨＶＨ内部的电子模块（ＩＧＢＴ）控制。ＨＶＨ具有安全监测的功能，当环路互锁出现故障时，加热器立即关闭。

2.7高压线束：新能源汽车所使用的高压线束均为橙黄色，在线束插件内部设置有两个明显短于高压接口的环路互锁端子，该设计的目的是实现低压互锁端子先于高压接口断开、晚于高压接口对接，确保人员和车辆的安全用。如图2所示。

图2 高压插件图

二、高压环路互锁常见的两种方式及工作原理分析。

高压环路互锁系统是电动汽车高压安全措施重要的一个功能环节。在电动汽车上，常见的高压环路互锁设计一般分为两种形式，一种是环形互锁回路，一种是星形互锁回路。本章节将选取某公司所生产的电动车型，分别对两种回路方式进行工作原理分析。

1、环形方式的高压互锁回路。

瑞虎８ＰＬＵＳ鲲鹏ｅ＋和星途追风ＰＨＥＶ两款车型在高压环路互锁的设计上使用的是环形互锁回路检测方式。环形互锁回路是指将所有的高压部件以互锁信号串联在一起，形成一个大的回路，在由电池管理系统来检测整个回路的完整性。当电池管理系统处于唤醒状态（网络唤醒或上电）时，开始进行两个互锁回路的检测，一路是动力电池内部自检（包内互锁回路），另一路是整车高压互锁回路检测。当互锁回路出现故障时，电池管理系统会将检测结果上报整车控制器，由整车控制器进行处理。

整车高压环路互锁原理如图3所示

图3 T1C PHEV整车互锁图

从图中我们可以梳理得知整车环路互锁系统的运行走向为

动力电池 电池管理系统 ＢＭＳ

电动空压机 ＥＡＣ 高压插件

电加热模块 ＰＴＣ 高压插件

充电控制器 ＣＤＵ 高压插件

电机控制器 ＭＣＵ 高压插件

图4 运行走向

2、星形方式的高压互锁方式。

星形式互锁方式也叫分布式互锁方式，是指由多个设备检测其负责的高压部件互锁回路完整性，再统一发给电池管理系统和整车控制器进行综合处理。是多回路互锁集合而成。以瑞虎３ＸＥ为例，其高压环路互锁原理如图４所示。

图4瑞虎3xE互锁图

2.1高压附件互锁回路：ＶＣＵ→压缩机→ＰＤＵ→ＤＣＤＣ→ＶＣＵ

2.2 放电回路互锁：ＶＣＵ→ＰＤＵ→ＭＣＵ→ＢＭＳ

2.3 慢充ＣＣ回路互锁：充电机→ＢＭＳ→慢充口ＣＣ针脚

2.4 慢充ＣＰ回路互锁：慢充口ＣＰ针脚→充电机

2.5 快充回路互锁：快充口→ＢＭＳ

3、两种互锁方式的比较

	设计特点	设计优势
环形互锁回路	互锁信号串联高压部件,形成单一环路	降低设计成本
星形互锁回路	多监测设备,多环路	易于故障排查

三、高压环路互锁的维修注意事项及诊断思路。

1、高压环路互锁的维修注意事项

电动汽车的工作电压远高于安全电压，且高压系统相对复杂具有相关触电安全风险。因此应重点关注。

1.1在车体高电压处均有“警告标签”，维修时要按标签要求操作。当动力电池发生单件故障时，及时联系厂家专业人员，切勿擅自维修。

1.2 进行车辆维修前必须先关闭车辆电源（ＯＦＦ档），断开１２Ｖ蓄电池负极。

1.3维修高压系统时要穿戴好防护用具，如绝缘手套，绝缘鞋等。

1.4维修时使用专业的绝缘工具，当需要测量线束时，应使用绝缘表，高压系统禁止使用试灯。

2、高压环路互锁的诊断思路。

高压环路互锁系统的故障维修难点在于所设计的高压模块众多，故障点分散，互锁回路线路长。根据现场维修经验总结以下诊断方法及思路。

1.1合理使用诊断仪：当车辆高压环路互锁系统出现故障时，系统会切断整车高压电输出，同时触发诊断故障码ＤＴＣ。采用诊断仪进入车辆诊断系统读取故障代码，通过诊断代码可快速直观的确认车辆故障类型，节省维修时间。

1.2合理利用维修经验：高压环路互锁系统中，绝大多数的故障是由于低压插件、高压插件插接不良导致的，如插件锁止未锁到位、插件内端子退位等原因。在现场维修时，可先将以往触发故障点多的插件、易于维修操作的插件进行拔插观测，提高维修效率。

1.3合理运用维修方法：针对高压互锁回路的方式，可以使用多种诊断方法进行故障维修

1.4分割排除法：利用互锁回路为单一信号串联电路的结构，利用串联分压检测方法，对互锁回路采取分割方式，缩小故障范围。

1.5短接法：分别将低压插件拔下，再外部形成短路，看是否还报互锁故障，如果仍然报互锁故障，说明不是该高压部件造成。（高压插件不准使用此方法）

1.6阻值排查法：高压互锁信号源电压为５Ｖ，利用欧姆定律计算出外部互锁回路阻值，以此阻值结果来判断是否有互锁故障。

四、星途追风ＰＨＥＶ车型现场维修实例

一辆星途追风ＰＨＥＶ，踩下制动踏板，按下启动开关后整车无法进入“行车准备就绪”模式，仪表显示动力电池系统故障指示灯报警。诊断仪进入系统读取故障代码“ＰＯＡＯＡ０９　高压互锁故障”。关闭整车电源，断开蓄电池负极，做好准备工作后开始维修车辆。

1、由本文原理分析可知,该车型的高压环路互锁由BMS系统检测,分为两路互锁回路。将动力电池低压插件取下,对25号针脚和27号针脚通断性进行检测,发现两针脚不相通,排除动力电池包内互锁回路故障,确定故障范围为整车高压环路互锁系统。

2、将ＰＴＣ低压插件取下，选取此插件原因有两种，一是此插件位于前舱上方，便于操作测量。二是从原理得知此插件位于互锁回路系统中间区域，可快速缩小故障范围。对ＢＭＳ低压插件２７号针脚与ＰＴＣ低压插件１号针脚进行通断性检测，发现两针脚相通，对ＢＭＳ低压插件２５号针脚与ＰＴＣ低压插件２号针脚进行通断性检测，发现两针脚不相通。故锁定故障范围为ＭＣＵ－ＣＤＵ－ＢＭＳ回路。

3、因ＭＣＵ，ＣＤＵ模块位于前舱左侧，操作方便，插件易于拔插，故对两模块高压插件和低压插件进行拔插观察，发现ＣＤＵ模块的动力电池两相电缆插件锁止未锁上，插件虚插，如图5所示。 图5 故障现象

4、将高压插件取下，观察插件锁止和端子无异常后重新插接，安装蓄电池负极，按下开关按钮至ＯＮ档，仪表显示正常，诊断仪进入系统后，无故障码。故障排除，车辆正常行驶。

结论：

综上所述，本文从高压部件结构入手，详细的介绍了各高压部件的基础知识和功能作用，深入分析了高压环路互锁系统的工作原理，并结合自身经验，梳理了该系统的维修思路及方法。针对高压环路互锁系统的难点，以星途追风ＰＨＥＶ的维修实例，将工作原理、维修思路贯穿其中。

参考文献：

[1] 瑞虎8PLUS鲲鹏e+车型培训课件

[2] 瑞虎3XE车型培训课件

[3]《电动汽车维修快速入门与提高》化学工业出版社 于海东编著 2019.1

[4]《电动汽车维修快速入门一本通》机械工业出版社 黄费智编著 2019.5

[5]《新能源汽车动力电池系统与充电系统》机械工业出版社 王玉彪 石功名编著 2021.3