汽車電池系統(tǒng)三大安全及HVIL線路和硬件設計

前言

關于闡述HVIL 的文章很多，因為，它是電池系統(tǒng)三大安全（電池安全、高壓安全、輻射安全）中，高壓安全措施重要的一個功能環(huán)節(jié)。本文本著學習和思考目的加以梳理，分享給大家。

HVIL涵義

HVIL縮寫含義主要有兩種：一種是“Hazardous Voltage interlock loop危險電壓互鎖回路”；另一種是：“High Voltage Interlock System and Control Strategy高電壓互鎖系統(tǒng)和控制策略”。前者突出的是人體“危險電壓”通過互鎖回路加以監(jiān)測和監(jiān)控,后者突出的是對“B級電壓”通過電路監(jiān)測,并運用“主動控制策略”采取保護措施。兩者內涵都是正確的。但從主動控制角度，我更傾向于后者。

HVIL的主動功能和被動功能

HVIL 高壓互鎖物理定義，主要是針對高壓回路的母線束連接器及高壓殼體護蓋的安全性，使用小電流低壓信號進行電路完整性監(jiān)測和功能管理。高壓母線回路主要針對高壓易操作節(jié)點或高壓安全薄弱的連接器進行低壓信號聯(lián)動互鎖。

主動功能主要是通過低壓回路對高壓回路實時、連續(xù)性監(jiān)測的結果進行即時管理，并通過整車診斷系統(tǒng)識別并及時采取報警、限功率直至切斷高壓措施。

被動功能主要是指可以直接通過斷開HVIL回路，達到斷開高壓的目的。屬于被動干預斷電功能。一方面，可以用于檢驗互鎖回路的有效性，另一方面是在車輛事故狀態(tài)等特殊情況下，可緊急斷電使用的功能。被動功能很少被提到。

HVIL回路是否需要考慮EMC電磁兼容？

涉及安全的功能信號，在EMC方面是有嚴格要求的。HVIL信號是一定要考慮EMC電磁兼容問題的，并且需要有對應措施。HVIL信號源產(chǎn)生的信號形式，這部分在“朱玉龍的‘聊聊高壓互鎖（HVIL）一文中，已有詳細的闡述，信號源使用的是PWM信號：用5V的PWM信號傳輸，主要有幾個作用：PWM檢測要略微快、邏輯控制簡單、可以實現(xiàn)休眠和喚醒、節(jié)約功耗?！苯Y合HVIL對PWM信號的即時性和連續(xù)性要求，面對車輛電磁環(huán)境復雜和惡劣現(xiàn)狀，信號也會出現(xiàn)中斷、卡頓現(xiàn)象。同時，在整車或零件EMC 實驗中，也是需要關注這項指標的。目前，我們還是按低壓線束標準做設計，還沒有特定的保護，這方面，需要持續(xù)關注和分析設計。

HVIL線路和硬件設計

1、線路設計就是小信號回路設計。一般是由一個信號源發(fā)生器（HVIL SRC），結合外電路，形成一個閉環(huán)的回路。信號源通常集成在BMS內?；芈窓z測(HVIL RTN)一般由一個到二個組成，而且是獨立的閉環(huán)，不允許有支路存在。前期設計，為了把充電和放電回路分開檢測，設立兩個回路。目前設計，為了簡化電路，多采用一個回路完成檢測。下圖是Tesla HVIL線路設計,由一個回路完成整車的HVIL檢測。

TheBMS produces a constant current and measures the voltage drop over 4 knownresistance points in the loop (nominal: 0.02A x 240? = 4.8V). If the resistance changes, andthe voltage drop is therefore higher or lower than the max thresholds, the BMSreports an HVIL failure.

Figure1

Figure2

Table: Connector voltage and resistance

分析： Tesla 的設計思路：信號源的外電路，是一個有已知四個電阻負載電路閉環(huán)電路。利用電阻或電壓的變化，來判定HVIL狀態(tài)。電阻的存在，一方面可以限流，另一方面，電阻數(shù)值的確定，可以有效的監(jiān)測電壓狀態(tài)。也就是說，低壓回路除了判定電路的完整性功能外，還能準確有效的監(jiān)測電路狀態(tài)或著連接件狀態(tài)。維修狀態(tài)的車輛，當電路沒有信號源的時候，也可以通過電阻值對電路進行判斷。（對于tesla信號源形式，還在收集中，期待進一步深入分析）

2、手動維修開關或插件與HVIL 設計與結構關聯(lián)性

連接器或護蓋，是產(chǎn)品后端裝配、維護維修最為頻繁的節(jié)點。在操作中，如何保證安全，如何確保操作中，高壓回路完整性或正常斷開，從連接器件的結構和HVIL 電路建立起關聯(lián)。如下圖示：

Figure3

• 連接器需要具備工具才能打開的結構，在無意識狀態(tài)下，不能被打開或分離；

• 具有互鎖結構的連接器或護蓋，只有在HVIL 觸點先斷開，高壓連接器才能被打開。目前很很多資料顯示，間隔時間約150ms.

3、信號源模塊的濫用設計

• 從ISO 26262功能安全等級方面要求HVIL模塊，應達到ASIL C ；

• 模塊對于車輛12V供電，應有寬泛電壓適應性，保證輸出信號的穩(wěn)定性；

• 當出現(xiàn)信號短路等故障，在故障消除后，信號能自動恢復等等。

HVIL的安全功能，更需要在濫用的苛刻狀態(tài)下保持性能可靠和穩(wěn)定。一般從過壓、欠壓、過流等電濫用，過溫、熱穩(wěn)定等熱濫用、機械濫用方面的對應設計，確保HVIL的可靠性。

HVIL的控制策略

1、對HVIL的診斷功能

診斷功能主要區(qū)分兩個失效因素：其一，是低壓信號回路完整性故障，也就是HVIL 的真故障；另一因素是HVIL 自身故障，如，信號模塊故障：無信號，或信號對地短路。

2、車輛控制策略，以最優(yōu)先保證乘客安全為前提條件。而新能源車輛電池系統(tǒng)，是整車的動力源，在故障狀態(tài)，除特殊中的特殊情況，是不能隨便切斷電源的。下面是tesla 的一個控制說明：

If thevehicle is in Standby, Support, or Charge mode, the failure is reported as aFAULT (example: BMS_f008_HW_HVIL). The vehicle opens contactors, or keeps themopen.

If the vehicle is in Drive, the failure isreported as a WARNING (example: BMS_w008_HW_HVIL), but does not open thecontactors, to prevent loss of drive.

只有在車輛停駛狀態(tài)下，如果發(fā)生HVIL 故障，才能切斷高壓；如果在車輛行駛狀態(tài)，是不能斷開電源連接的，避免車輛失去動力。

當HVIL功能識別出故障時，首先通過整車系統(tǒng)發(fā)出報警或采取相應措施：

• 故障報警：這是車輛處理故障最常用的一種形式，通過“聲”“光”給駕駛員提出警示。同時，根據(jù)故障類型，報警可以分為幾個等級，“緊急”狀態(tài)，需要立即靠邊；一般故障，駛出公路或進維修站。

• 切斷高壓：當車輛處于停駛狀態(tài)，通過整車控制可以采取切斷高壓；還有一種邏輯狀態(tài)，當整車在一定時間內，沒有采取措施，BMS等也能采取切斷措施。這一點需要慎用。

• 限功率運行：當故障狀態(tài)，在容忍的范圍內，可以帶故障運行一段時間，但是，為了不使故障惡化，采取限功率或臺階降功率措施，敦促駕駛員盡快處理。

小結：

HVIL 高壓互鎖，作為一項整車的安全設計，并非是零件個體功能實現(xiàn)哪么簡單。所以，需要站在整車角度，對各個零件的HVIL 功能提出要求。每個項目設計中，HVIL設計差異，導致對零件末端要求也不同，是否都如tesla 內含一只60Ω電阻呢？信號源與電路是否匹配，這些都是需要考慮的。所以，全方位設計還需要考慮很多具體問題。