纯电动车的高压互锁原理及常见故障
毫无疑问，新能源汽车是目前乘用车领域的热门发展方向之一。新能源汽车与传统燃油车有明显的不同，尤其是纯电动车不会像燃油车一样能通过明显的抖动、气味、热量等途径感知到其工作情况，判断车辆安全状态。因此，需要有其他的办法来保证车辆在运行过程中的安全可靠性。高压绝缘检测和高压互锁回路就是必不可少的技术方案。
同时，为了保证各个用电器高压线束连接到位以防止意外接触到漏电( 相当于燃油泄漏) ，以及异常状态情况下( 例如碰撞损坏、非正常操作断开高压用电器等) 的安全，仅仅靠检测、目视检查显得不足。因此，高压互锁回路就显得极其重要。
1 高压互锁原理及结构
1.1 基本原理
借助一个ECU和低压线束，组成一个闭合的回路。由该ECU检查该回路的完整性。如果该回路出现短路、开路的情况，则认为存在潜在的危险，禁止输出高压。
如图1 所示，BMS 负责发送和接收PWM 波形。在正常情况下，该波形经过PTC、PDU 电力分配单元和EAC 电动压缩机等模块，最后到达BMS。BMS 检查接收到的信号参数( 如占空比) 来判断回路的完整性，间接反映高低压线束连接状况和模块工作状态。如果BMS 收不到发出的检查波形，则可能出现高压电缆未安装(高压电缆裸露) 、高压部件损坏、防护结构失效等直接和潜在危险。此方案因为有PWM波形，即使互锁回路破损导致对电或者对地短路、开路，也能检测出故障。这就避免了因为低压线束回路故障导致的高压电暴露不能识别的情况，安全性较高。
图1 高压互锁回路示意( PWM 波形)
该方案可以是一个回路，也可以是若干回路相对独立。几个回路的好处是可以迅速锁定故障点，也能根据故障情况选择性地断开隔离高压，满足客户基本的用车需求。
相对于此种行程环路的方案，还有更简单的实现办法，比如单线制。即由A 控制器给出电压或者PWM 信号，经过一连串的高压元件之后由B控制器接受检测。
但是从安全角度考虑，使用PWM 信号无疑是一种非常好的选择，可以避免互锁回路对地或者对电短路的情况。
1.2 高压互锁的主要结构
整车高压系统主要涉及能量存储输出单元(动力电池) 、电力分配单元( PDU) 以及用电器(如电机逆变器、电动压缩机、高压PTC等) 。
纵观各种高压用电器和高压元件的结构，高压电压暴露给人身带来伤害的可能性主要有两种: ( 1) 各种盖板或者端盖没有覆盖好高压线束导致电压裸露; ( 2) 高压线束线快速接口没有连接，导致高电压裸露。因此高压互锁的主要设计目标就是避免上述两种可能性的发生。
图2 展示了一种PDU 盖板互锁示意图。高压线束连接好之后，会将互锁回路连接起来。盖板装配好开关闭合，最终使得互锁回路闭合。无论是高压线束没有连接，还是盖板不盖，都会使得高压互锁回路开路，不允许高压输出，这样就避免了高压裸露带来的触电风险。互锁开关的形式有多种，可以使用杠杆式，也可以使用按钮式，各有利弊。基本的原理都是盖板或者端盖上设计有凸台或者筋，盖好之后按压开关将其开关闭合，使互锁回路闭合，具备上高压的必要条件。
图2 PDU 示意图(互锁开关)
图2的原理，着重于高压线束与低压互锁回路的联动。如图3 所示，公端接口固定于用电器或者PDU 上，带有互锁回路母端端子，母端端子串联在低压互锁回路中。母端接口即为线束端，集成了互锁的公端端子。公端端子是短接在一起的，只有线束连接良好，才可能使得互锁回路闭合，最终具备了高压电输出的必要条件。
图3 高压线接插件互锁示意(公端和母端)
2 高压互锁常见故障及排查
作为一个回路，故障无非开路与短路。下面以具体案例为例介绍常见的开路和短路情况。
2.1 线束错误导致开路
在生产制造环节，鉴于线束的生产仍依赖于人工组装，因此出现线束错误是难免的，线束质量检查可以借助于电检台把关。在此不再赘述。但是在工程开发阶段，线束往往是临时改制或者手工制作的，难免出现错误。
由图1 及对其基本原理的描述可知，整个回路中只在BMS 的两个PIN 脚处是没有直接连接在一起的。因此，如果其他的用电器和线束连接良好，则从BMS 线束的2 个PIN 脚测量导通应该是通路的。在排查过程中，首先从ECU 2 个PIN 脚对应的线束导通确认回路的确不通之后，使用“二分法”进行排查。以图1 为例，从BMS 对应线束的一个PIN 脚，测量到PDU( 实际往往选择方便操作的单元或者模块) 对应的PIN 脚，跨过若干个模块，如果不能导通，则将故障的范围迅速地减少了一半。接下来继续从BMS 一端故障所在侧开始继续缩小排查范围，最终锁定开路所在位置。
如果测量低压线束都是导通的，则可以考虑用电器故障，比如PDU 的互锁开关失效、高压线束互锁端子损坏、回路对地或对电短路等故障。
2.2 互锁开关失效导致开路
互锁开关常见的故障是关闭盖板之后开关不能闭合。在样车试制过程中，发生过2 类问题。设计尺寸偏差，导致互锁开关不能闭合。盖板突出的筋结构高度偏低，导致开关不能闭合到位，互锁回路开路。
设计不合理导致安装过程中互锁开关结构失效致使开关不能闭合。该实例产生的原因是互锁开关朝向正好是某些装配技师移动盖板的相反方向，为了安装到位，装配人员用力推动盖板，将互锁弹片压弯。这也间接说明互锁开关的设计需要综合考虑到安装的几种可能、调整开关的朝向等，以避免结构失效。
此外也存在开关本身故障导致开关不能闭合的情况。
2.3 端子退针导致开路
端子退针包括互锁回路的低压线束中部分线束的端子质量问题，也包括高压用电器及PDU 上高压互锁回路上的端子质量问题。
图4 展示了一例端子退针的案例，端子退针或者其他质量问题导致的公母端子接触不良，同样需要使用“二分法”快速定位故障位置，定位到故障点之后，如果线束导通下来没有问题，则故障原因在高压部件上。
图4 用电器端低压端子退针
退针以及端子接触不良的问题说明在进行问题排查和导通的时候，需要使用合适的探针。如果探针直径较大，会影响到端子的接触质量和寿命。
2.4 对地/电源短路
在1.1原理部分介绍由ECU 判断高压互锁的完整性，可以由ECU 发出矩形波，然后检查该波形是否能够返回。
如果高压互锁回路发生了对地短路或者对电源短路，显然PWM 波无法返回ECU。这样就会导致ECU 报高压互锁故障，进而无法上高压。
笔者就遇到一例这样的问题，检查网络信号报高压互锁开路。但是仅从ECU 对应的低压线束测量高压互锁回路，结果是导通的。这显然存在矛盾，经过排查发现互锁回路对地短路了，也就是从ECU 低压接插件两端测量互锁回路是导通的，但是任何一端与车身的测量也是导通的。根据高压互锁回路的工作原理知道，虽然回路是通的，但是对地短路也不能使BMS 发出的PWM 波形返回到BMS，而使得BMS 报高压互锁开路。经过排查，最终发现是PDU 内部互锁回路破损，导致对金属壳体短路，也就是相当于对车身地短路。
2.5 动力电池内部故障
如图1 所示，动力电池内部发出方波，并检测方波。如果整车报了高压互锁回路的故障，而实际导通下来线束是完好的，并且没有对电、对地短路的情况，则还可以继续排查验证是否是动力电池内部的故障。
方法是带电测量互锁回路是否形成通路，即确认低压线束回路相通，高压线束都连接完好。然后将高压互锁回路任何一个地方断开，使用欧姆档测量是否导通，如果不能导通，说明没有电流流过。接下来就可以检查是否有方波的电压，以及接受方波的公端端子是否良好。
3 结语
高压互锁对保证用户安全和车辆安全运行至关重要。但是在生产和售后维修保养过程中，高压互锁回路难免出现故障。本文通过高压互锁原理、结构和主要故障的分析，可以得到高压互锁故障排查的基本思路和做法。
首先是检查所有的高压部件和高压线束是否都装配到位; 然后从ECU 端用万用表检查线束是否导通，检查对整车地、12 V 电的导通情况; 以上如果都是正常的，再从BMS 低压线束端开始，使用“二分法”分段进行排查，迅速锁定故障点。需要特别注意的是，在故障排查的过程中，需要小心保护公母端的端子。在测量过程中，也需要多注意观察公端和母端的端子质量，以期尽快锁定最终故障根源。
随着汽车技术的快速发展，互锁回路会朝着更加合理、智能和规范的方向发展，形成多回路、局部控制的格局。不仅方便检测和维修，还能满足顾客多种工况情景下的使用需求。
文章来源：《上海汽车》，作者：左振龙，高京。本文仅做学术分享。