电动汽车高压连接器互锁电路及故障检测方法

【摘 要】文章设计一种电动汽车高压连接器互锁状态检测电路，通过两路低压信号实现对高压器件连接状态的有效检测。基于该电路，提出一种高压互锁故障检测方法，设计高压互锁信号波动参数，通过该参数表征电磁干扰对高压互锁信号的影响程度，并利用该参数实现高压互锁故障阈值的自适应调节，以此避免由于车辆环境中非预期电磁干扰而导致高压互锁故障的误报问题。

【关键词】电动汽车;高压连接器;互锁电路;故障检测

中图分类号：U469.72 文献标识码：B 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0102-03

Interlocking Circuit and Fault Detection Method for High Voltage Connectors of Electric Vehicles*

【Abstract】The article designs a high-voltage connector interlock state detection circuit for electric vehicles，which achieves effective detection of the high-voltage device connection state through two low-voltage signals. Based on this circuit，a method for detecting high-voltage interlock faults is proposed. The high-voltage interlock signal fluctuation parameters are designed，which represent the degree of electromagnetic interference on the high-voltage interlock signal. The high-voltage interlock fault threshold is adjusted adaptively based on these parameters to avoid the problem of false reporting of high-voltage interlock faults due to unexpected electromagnetic interference in the vehicle environment.

【Key words】electric vehicles;high voltage connectors;interlocking circuit;fault detection

0 引言

与传统燃油车不同，电动汽车行驶过程中所有的能量来源于高压动力电池，车辆中大量零部件采用高压电池供电，如电机控制器、电动空调压缩机、直流/直流电压转换器和电辅助加热装置等。随着电动汽车技术的迅速发展，民众对车辆动力性能的要求越来越高，如更好的加速性能、更高的最高速度等，在以上因素促使下，纯电动汽车高压动力电池输出电压呈现出逐步升高的趋势，目前部分电动汽车动力电池输出的直流电压已经超过700V。相较于交流电，高压直流电更具有危险性，当发生触电事故时高压直流电对人身具有更大的伤害。基于以上背景，电动汽车的高压安全成为各车辆生产厂家及科研机构的研究热点[1-3]。

车辆在设计之初考虑了绝缘问题，能够防范正常状态下触电事故的发生，但在一些非常规状态下会有绝缘失效情况的发生，如事故引起的高压线束破损、维修人员违规插拔高压插件、高压接插件松脱等，此时由于内部高压环境与外界环境相连通，失去绝缘隔离，将使车辆及车上人员暴露在危险的高压环境中。电动汽车高压连接器互锁功能通过连接器反馈的低压信号实现高压器件连接状态的检测，针对高压暴露风险，中国纯电动汽车国家标准以及地方标准均要求针对高压互锁故障进行检测。考虑到纯电动汽车内部具有大量的高低压零部件，其内部电磁干扰情况非常复杂，在一些极端及异常状态下，如零部件故障、零部件异常工作状态、零部件屏蔽层老化破损等，用于检测高压互锁故障的信号会受到干扰，从而增大故障的误报几率。考虑到高压互锁故障属于严重影响人身安全的故障，目前业内大多采用严苛的故障处理方法，如整车下高压或切断动力输出等，因此需要避免由于电磁干扰这种非真实因素所造成的故障误报。

关于电动汽车高压互锁技术业内已有较多的研究成果[4-8]，但均未针对电动汽车所处的强电磁干扰工作环境进行深入探索。本文设计一种电动汽车高压连接器互锁状态检测电路，通过两路低压信号实现对高压器件连接状态的有效检测，在此基础上提出一种高压互锁故障检测方法，满足电动汽车在强电磁干扰工作环境下对高压连接器互锁故障的检测需求。

1 高压连接器互锁检测电路原理

图1虚线框内为高压互锁插件示意图，其中A-B段为铜导线，该导线位于高压互锁接插件中，A′与B′右侧的部分为本文所设计的电动汽车高压连接器互锁检测电路。该电路中，电感L1、电阻R3与电容C2为A′通道RCL低通滤波电路，电感L2、电阻R4与电容C3为B′通道RCL低通滤波电路，以上电路实现了对A′与B′端口信号的硬件滤波处理，确保AD0与AD1采集端口的信号稳定。该电路中VCC为电路的低压供电电源（VCC为5V），GND为电源地，电容C1起到隔离稳压的作用，二极管D1、D2、D3、D4的作用为防止A′、B′端的非预期电压对AD0与AD1这两个A/D采集端口造成冲击，其中AD0与AD1端口的电压值由电动汽车内部控制器进行A/D采样。

图2为高压连接器互锁接插件剖面图，对应图1中虚线框内部分。图2为接插件的断开状态，当接插件插紧后，插件中的高压线缆1、2连接导通，同时低压信号触点A-A′、B-B′连接形成回路。根据该示意图，高压连接器由插紧状态到断开状态变换过程中，在高压接插件完全脱落前，低压接插件能够提前断开并触发故障，从而提高系统的安全性，即在高压接插件未断开前先检测到高压互锁故障，并通过故障机制对车辆及人员安全提供保障。

当高压连接器为连接状态时，根据图1所示电路电容C1处于短路状态，这种状态下AD0与AD1端口的电压相等，均为VCC/2;当高压连接器为断开状态，在R1上拉电阻的作用下，AD0端口的电压为电源电压VCC。同理，在下拉电阻R2的作用下，AD1端口的电压为电源地。通过AD0与AD1两路低压信号便能够实现对高压连接器互锁状态的检测。

2 高压互锁故障检测实现架构

在图1基础上，提出一种高压互锁故障检测方法，来满足电动汽车在强电磁干扰工作环境下对高压连接器互锁故障的检测需求。该方法的高压互锁故障检测实现架构如图3所示。

1）对利用高压互锁电路采集到的两路高压互锁信号进行二阶低通滤波处理。

2）在低通滤波基础上采用卡尔曼滤波继续对两路高压互锁信号进行滤波，以此提高采集信号的可信度。

3）利用滤波后的两路高压互锁信号进行高压互锁信号波动参数的计算。

4）根据高压互锁信号波动参数确定故障检测的电压阈值和持续时间阈值，实现故障阈值根据电磁干扰强度进行自适应调节，最终达到在高压互锁故障检测中避免误报的目的。

5）利用4）确定的故障电压阈值和故障持续时间阈值进行高压互锁故障的判断。

2.1 高压互锁信号二阶低通滤波

根据图2，首先对两路低压互锁信号进行低通滤波处理，避免由于电磁干扰引起故障误报。由于高压接插件虚接或线路虚接所引起的互锁信号波动属于低频扰动，其与车辆的振动频率有关，但总而言之仍属于低频范畴，本文采用低通滤波方式能够有效地将此频段的有效信号予以保留，使由于高压接插件或线路虚接所引起的真实故障能够被有效地检测出。

定义从图1中AD0与AD1两个采集端得到的原始高压互锁信号分别为UAD0与UAD1。以UAD0信号为例，对二阶低通滤波处理方法进行说明。

式（1）为二阶低通滤波离散型表达式。

ULow-0（n）=fAD（n）-fAD（n-2）（1）

式中：ULow-0（n）——当前控制周期低通滤波后AD0端口高压互锁电压;fAD——中间变量，其表达式如下。

fAD（n）=KAUAD0（n）-KB fAD（n-1）-KC fAD（n-2）（2）

式中：UAD0（n）——本控制周期采集的AD0端口高压互锁原始电压信号;KA、KB与KC——滤波系数，这3个系数用于调节低通滤波截止频率等参数。

2.2 高压互锁信号卡尔曼滤波

考虑到由于图1中基准电压VCC、电容、电阻等元器件精度的影响，会导致采集到的高压互锁信号与真实值之间存在一定的误差，为保证所获得的高压互锁信号真实性，本文引入卡尔曼滤波。通过建立系统的状态方程，对经低通滤波后得到的高压互锁信号再次进行滤波。

以AD0端口高压互锁信号为例，介绍卡尔曼滤波实现过程。针对经低通滤波后的AD0端口高压互锁信号ULow-0建立系统的状态和观测方程。式（3）为系统状态方程，式（4）为系统观测方程。

UK0（n）=UK0（n-1）+W（n-1）（3）

ULow-0（n）=UK0（n）+V（n）（4）

式中：UK0（n）——经卡尔曼滤波处理后得到的AD0端口高压互锁电压信号;W——方差为Q的过程噪声;V——观测噪声，其方差为R。

针对该系统，卡尔曼滤波利用第n-1个控制周期的高压互锁电压信号预测第n个控制周期实际的高压互锁电压信号。定义该系统的预计偏差为P（n|n-1），其表达式为：

P（n|n-1）=P（n-1）+Q（5）

式中：P（n|n-1）——第n-1个控制周期的偏差。

根据式（5）可以得到卡尔曼增益K，其表达式为：

根据式（6）得到关于高压互锁信号的卡尔曼滤波表达式：

UK0（n）=ULow-0（n-1）+K[ULow-0（n）-ULow-0（n-1）]（7）

式中：UK0（n）——经卡尔曼滤波处理后得到的AD0端口高压互锁电压信号。

在完成式（7）的计算后需要更新P，即计算本控制周期的偏差P（n），具体方法为：

P（n）=（1-K）P（n|n-1）（8）

式（8）计算完成后可以按照式（5）、式（6）、式（7）的形式开展下一周期的卡尔曼滤波，通过不断迭代修正，来提高互锁采集电压信号的可信度。

2.3 高压互锁信号波动参数计算

本文针对高压互锁故障的检测提出了高压互锁信号波动参数概念，利用该参数来表征电磁干扰对高压互锁信号的影响程度。以AD0端口高压互锁电压信号为例，给出高压互锁信号波动参数的计算方法。

式中：KLock-0——根据AD0端口高压互锁电压信号（卡尔曼滤波后得到的电压信号）计算得到的高压互锁信号波动参数。该参数利用k个控制周期的采集数据计算得到，根据该式，在规定时间段内（k个控制周期）KLock-0值越大，则表明该路高压互锁信号的波动越剧烈，即此时的电磁干扰越强烈。本文正是利用该参数表征高压互锁信号波动程度的这一特点来确定后续的高压互锁故障阈值。

2.4 高压互锁故障阈值自适应调节

高压互锁信号波动参数确定的高压互锁故障阈值包括电压阈值与时间阈值。以AD0端口对应的高压互锁信号波动参数为例，计算故障判断阈值。

首先对计算得到的AD0端口高压互锁信号波动参数KLock-0进行限制，将其限制在区间[KMin-0，KMax-0]中，KMax-0>KMin-0>0。经过限制后，AD0端口高压互锁信号波动参数KLock-0不会低于KMin-0，同时也不会高于KMax-0。在此基础上给出故障判断阈值的确定方法。

式中：ΔV0——AD0端口高压互锁信号故障电压阈值;T0——AD0端口高压互锁信号故障持续时间阈值。

可以看出，随着KLock-0在区间[KMin-0，KMax-0]内的变化，故障电压阈值ΔV0将在0.5～2V范围内线性变化，故障持续时间阈值T0将在0.5～2.5s区间内线性变化。以上故障判断阈值将用于最终的高压互锁故障判断。

2.5 高压互锁故障检测

在确定高压互锁故障的检测阈值后进入到最后一个步骤——高压互锁故障检测。本文基于AD0端口与AD1端口的互锁信号进行高压互锁故障的检测。

1）AD0端口高压互锁故障检测：当互锁电压信号ULow-0不在2.5±ΔV0V的范围并持续时间T0，则判断发生AD0端口高压互锁故障。

2）AD1端口高压互锁故障检测：故障检测方法与AD0端口完全一致。

当AD0与AD1两端口任意一个发生高压互锁故障，则判断车辆发生高压互锁故障。

随着电磁干扰的愈加强烈，高压互锁信号的电压判断范围也相应增大，即从2.5±0.5V增大到2.5±2V，同时故障的持续判断时间也由0.5s调整到2.5s，本文最终通过故障判断阈值根据电磁干扰状态进行自适应调节，最终实现避免强电磁干扰状态下车辆高压互锁故障的误报。

3 技术成果推广应用

本文所涉及的技术成果已在电动汽车高压连接器中推广应用，图4为某电动汽车电机控制器侧视图，中间椭圆形接口与左右两侧的圆形接口为电机控制器连接高压电缆的接插口，其内部包含低压互锁检测机构。图5为高压连接器的截面图。目前本文所提出的电动汽车高压连接器互锁电路与故障检测方法已经应用于多型号的电动汽车中。

4 结束语

本文设计的高压互锁故障检测方法，对高压互锁接插件反馈的两路低压信号实施二阶低通与卡尔曼相结合的滤波方式，以此保证所获得信号的可信度，同时定义高压互锁信号波动参数概念，利用该参数来表征电磁干扰对高压互锁信号的影响程度，并通过该参数实现高压互锁故障阈值的自适应调节，以此解决由于车辆环境中非预期电磁干扰而导致高压互锁故障的误报问题。高压互锁检测电路与故障检测方法已经在电动汽车中实际推广应用，技术成果的可靠性与有效性通过了市场验证。

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