比亚迪e5 高压互锁故障案例分析
故障现象
一辆2017年产比亚迪e5纯电动汽车，打开点火开关后无法上OK电，OK指示灯闪烁后熄灭；动力系统警告灯亮，挡位控制器失效，不能正常换入挡位；仪表显示“请检查动力系统”字样。
检查分析
维修人员接车后，首先连接诊断仪，进入双向逆变充放电式电机控制器（VTOG）读取故障码，显示故障码为“P1A6000——高压互锁1故障”。进一步读取数据流操作，与该故障相关的主要数据流为：充放电——不允许；主接触器——断开；高压互锁1——锁止。由此可初步确定该故障为高压互锁系统线路故障或高压互锁系统元件故障。
所谓高压互锁（High Voltage Inter-lock，简写HVIL），是纯电动汽车上一种利用低压信号监测高压回路完整性的安全设计措施。其作用在于高压互锁回路接通或断开的同时，电源控制器接收反馈信号，进而控制高压电路的通断。具体表现为以下几点：在整车上高压电之前，确保整个高压回路连接完整，提高安全性；在整车运行过程中，当高压系统的完整性遭到破坏时，断开整个高压回路并放电；可防止带电拔插时拉弧造成的损坏。
高压互锁装置采用低压导线作为信号线，与高压电源线并联在高压线束护套管内，并将所有高压部件串联起来形成回路。由于高压互锁插头中高压电源的正、负极端子与中间互锁端子的物理长度不同（图1），所以当连接高压插头时，高压插头的电源端子会先于中间互锁端子完成连接；断开高压插头时，中间互锁端子则先于高压电源的正、负极端子脱开，从而避免了高压环境下拉弧的产生。
图1 高压互锁工作原理图
同时，高压互锁装置内还配备了用于监测高压部件盖板是否可靠关闭的行程开关以及车辆碰撞和翻转信号监测装置，用于触发断电信号，确保在毫秒级时间内断开高压回路，并利用高压系统放电电路将汽车高压部件电容端的电压短时间内放掉，避免漏电或火灾事故的发生。
通过查阅比亚迪e5车型高压互锁电路结构简图（图2）可知，该车高压互锁电路由电池管理系统（BMS）、动力电池包、电机控制器（VTOG）及空调加热器（PTC）组成。维修人员首先关闭点火开关，断开电池管理系统（BMS）的BK45（A）插接器及BK45（B）插接器，用万用表电阻挡测量BK45（A）/1端子与BK45（B）/7端子之间电阻，正常情况下阻值应小于1.0Ω，但实测发现该车的阻值为无穷大，这说明在互锁电路中存在断路。
图2 比亚迪e5高压互锁电路简图
断开电机控制器（VTOG）的B28（B）插接器，测量BK45（B）/7端子与B28（B）/23端子之间的电阻为0.6Ω，小于1.0Ω。由此可判断电池管理系统（BMS）到电机控制器（VTOG）之间的线路是正常的。
继续测量BK45（A）/1端子与B28（B）/22端子之间线路的电阻值为无穷大，由此可以证实线路的断点位于电机控制器（VTOG）到电池管理系统（BMS）之间的线路上。
为了明确断点所在位置，继续断开空调加热器（PTC）的B52插接器，测量BK45（A）/1端子与B52/2端子之间的电阻值为0.5Ω，正常。由此判断空调加热器（PTC）到电池管理系统（BMS）之间的线路是正常的。
此时，其实已经可以推断线路断点位于空调加热器（PTC）与电机控制器（VTOG）之间的线路上。但是为了诊断流程更为严谨，还是测量了B52/2端子与B28（B）/22端子之间的线路，电阻果然为无穷大，证实了此前的判断。
需要注意的是，以上5步操作都需要在断电的情况下断开相应的插接器进行，严禁采用背插方式测量，以避免线路连通的情况下出现测量误差，影响结果判断。
故障排除
更换空调加热器（PTC）与电机控制器（VTOG）之间的线束，故障排除。
回顾总结
本文以比亚迪e5车型为例，简要概括了高压互锁装置的故障检修流程。在本案例中，将故障车的高压互锁装置分为两个部分进行线路检测，最大限度地减少了操作步骤，能在保障准确找到故障点的同时提高工作效率，大家在解决此类故障的过程中，可根据具体现象，查阅相关电路图制定类似的故障排除方案，从而快速高效地排除故障。
比亚迪e5 高压电控总成的组成-原理
一.比亚迪e5车高压电控总成的组成
2015年至2018年产的比亚迪e5车采用第2代e平台，高压电控总成安装在车辆的前舱。
高压电控总成的安装位置
1、高压电控总成的组成
高压电控总成是将纯电动汽车的双向交流逆变式电机控制器（VTOG）、车载充电器（OBC）、高压配电箱和DC-DC转换器这4个高压电控装置合为一体，又称“高压四合一”。
（1）VTOG控制器
该控制器为电压型逆变器，利用IGBT将直流电转化成交流电，其主要功能是通过收集挡位信号、加速踏板信号、制动踏板信号等来控制电机，根据不同工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等，即控制电机的前进、倒退、维持车辆的正常运转。此外，还具备充电控制功能，能进行交直流转换，双向充放电控制。该控制器总成分为上、中、下3个单元，上、下层为电机控制单元和充电控制单元，中间层为水道冷却单元。
（2）车载充电器
车载充电器是指固定安装在纯电动汽车上的充电器，根据高压电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。
（3）高压配电箱
高压配电箱的功能主要是将高压电池的高压直流电供给整车高压电器，接收车载充电器或非车载充电器的直流电，给高压电池充电，同时还具有电流检测、漏电监测等其他辅助检测功能。
（4）DC-DC转换器
DC-DC转换器是电动汽车动力系统中很重要的组成部分，通过DC-DC转换器给低压电池充电，与低压电池一起为低压电器系统供电。
2、 高压电控总成的功能
（1）高压电控总成的外部接口
高压电控总成外部接口分为高压接口和低压接口两部分。高压接口有电池包高压直流输入接口（直流母线正极接口、直流母线负极接口）、电机三相（三相交流输出）接口、交流充电（输入交流）N与L1相接口、交流充电（输入交流）L2与L3相接口、直流充电输入接口、空调电动压缩机接口、加热器PTC接口。低压接口有DC-DC输出接口、VTOG控制器低压接口、高压配电箱低压控制接口。
高压电控总成前侧
高压电控总成左侧
高压电控总成后侧
高压电控总成右侧
（2）高压电控总成的内部模块布局
高压电控总成内部主要部件有VTOG控制器（控制板、IGBT驱动板、IGBT）、电容（660 μF母线电容总成、70 μF、25 μF）、接触器、霍尔电流传感器、车载充电器总成、电感及电感温度传感器、继电器电路板模块等。
B）下侧
C）上侧爆炸图
高压电控总成内部模块布局
（3）高压配电箱
高压配电箱主要由接触器、霍尔电流传感器、预充电阻、高压电池包正负极输入接口组成。接触器由BMS控制，用于充放电。
高压配电箱组成
（4）漏电传感器
本车采用直流漏电传感器。当高压系统漏电时，漏电传感器发送信号给BMS，BMS接收到漏电信号后根据漏电情况马上报警或断开高压系统，以防止对人或物品造成伤害和损失。
漏电传感器
（5）VTOG控制器
VTOG控制器由上、下两块电路板组成，上方为控制板，下方为IGBT驱动板。IGBT驱动芯片采用1ED020I12FA2芯片。IGBT总成固定于IGBT驱动板上，其控制极G、控制极E通过弹簧与电路板上的电路连接，该总成上还有用于检测其工作温度的温度传感器（热敏电阻）。
此车VTOG控制器预留有车辆对放电排插供电功能（VTOL）及车辆对车辆放电功能（VTOV），可通过转向盘上的按键进行设置。
VTOG控制器上控制板（正面）
VTOG控制器上控制板（背面）
IGBT驱动板
VTOG控制器主要有驱动控制与充电控制两大功能。驱动控制（放电）是采集加速踏板、制动踏板、挡位、旋变等信号，实现前进、倒车、减速或制动时正反转发电功能；具有高压输出电压和电流控制功能；具有电压跌落、过流、过温、IPM过温、IGBT过温保护、功率限制、扭矩控制限制等功能；具有电控系统防盗、能量回馈控制、主动泄放、被动泄放控制等功能。充电控制具有交直流转换，双向充放电控制功能；具有自动识别单相、三相相序并根据充电电流控制充电方式，根据充电设备识别充电功率控制充电方式，根据车辆或其他设备请求信号控制车辆对外放电的功能；具有断电重启功能，即在电网断电后又供电时，可继续充电的功能；原版的高压四合一车型在直流充电时，具有直流充电升压功能，从而可使用一些输出电压低于比亚迪e5车的通用直流充电柜进行充电。VTOG控制器还包括CAN通讯、故障处理记录、在线CAN烧写及自检等功能。显然，进行驱动控制时电机的三相接触器处于接通状态，而充电控制时电机的三相接触器处于切断状态。
（6）DC-DC转换器
DC-DC转换器及DC低压输出端子。DC低压输出端通过正极熔丝盒给低压起动铁电池充电并给整车低压电器系统供电。
DC-DC转换器及低压输出端子
（7）车载充电器
它用于功率不高于3.3 kW的单相交流充电设备充电的场合，适用的充电设备包括便携式充电器、3.3 kW壁挂式充电盒。使用功率大于3.3 kW的单相或三相交流充电设备充电则要经过VTOG控制器进行。拆下上盖的车载充电器，可以看出其有两块电路板，需拆下车载充电器内部的上部电路板后，再拆下变压器与下部电路板。
拆下上盖的车载充电器
车载充电器壳体及下部电路板
（8）电容
该车高压电路中使用的电容为薄膜电容。薄膜电容的耐压可以达到1000 V DC以上，改善了电容的防潮性和抗温度冲击能力，工作环境温度可达105 ℃～125 ℃。主要由母线电容总成、直流充电升压器的70 μF电容及3个25 μF电容总成等组成。
薄膜电容
（9）霍尔电流传感器
高压电控总成中采用了霍尔电流传感器来检测电流。为检测电流方向，有的采用了正、负电源供电。一般需要在线检测霍尔电流传感器的性能好坏，先检查其是否有“+15 V”“-15 V”的电源，若电源正常，则测试霍尔信号（“1 V”对应100 A）并与电源管理器的当前电流进行对比，从而判断霍尔电流的正常与否。
霍尔电流传感器
（10）复合母排。高压电控总成中采用了复合母排技术，具有电气安全性高、电磁辐射小、传导发热小、集成度高等优点。
复合母排
2.高压电控总成的工作原理
2.1 高压安全保护
（1）碰撞断高压电保护
如果车辆发生碰撞，BMS接收到安全气囊展开信号后，通过断开系统主接触器来切断高压电。
（2）漏电断高压电保护
漏电传感器主要监测与高压电池相连接的正极母线或负极母线与车身底盘间的绝缘电阻，来判定高压系统是否存在漏电。漏电传感器将漏电数据信息通过CAN通讯发送给BMS和VTOG控制器，然后采取相应保护措施。漏电判定及措施见表1所列。
（3）高压互锁保护
高压互锁保护分为结构互锁和功能互锁两部分。结构互锁是指车辆的主要高压连接器均带有互锁回路，当其中某个连接器带电断开时，BMS便会检测到高压互锁回路存在断路，为保护人员安全，将立即进行报警并断开主高压回路电气连接，同时激活主动泄放。功能互锁是指当车辆进行充电或插充电枪时，高压电控系统会限制车辆不能通过自身驱动系统进行驱动，以防发生安全事故。
2015年产比亚迪e5车没有安装维修开关，2015年后产的比亚迪e5车安装维修开关，其高压互锁电路示意图如图所示。
表1 漏电判定及措施
高压连接器的互锁保护
2015年后产的比亚迪e5车高压互锁电路示意图
安装维修开关的高压互锁回路依次将BMS的端子BK45（A）/1、PTC模块的端子B52/1和端子B52/2、高压电控总成的端子B28（B）/22和端子B28（B）/23、高压电池包的端子KxK51/29和端子KxK51/30、BMS的端子BK45（B）/7串联起来。高压电控总成的高压互锁回路经母线“-”连接器、母线“+”连接器、PTC线束连接器、空调压缩机线束连接器依次串接起来。
（4）主动泄放保护
5 s内把预充电容电压降低到≤60 V，迅速释放危险电能，主动泄放模块的泄放电阻为7.5 Ω（标准）。
（5）被动泄放保护
2 min内把预充电容电压降低到≤60 V，被动泄放是主动泄放失效的二重保护。被动泄放电阻（标准75 kΩ）直接接于660 μF高压电容器正负极两端，上电后一直处于耗电状态，但电流很小，损耗可忽略不计。
2. 上电过程
车身控制模块（MICU）采集到“制动踏板”与“起动按钮”命令后，由VTOG控制器与无钥匙系统模块（Keyless-ECU）进行防盗认证，认证成功后吸合IG1继电器并发送“起动开始”报文，通过网关发送给VTOG控制器和BMS。BMS得电且收到报文后，BMS先吸合预充接触器并进行自检，检查是否存在严重欠压、严重过压、严重漏电、严重过温、接触器烧结、高压互锁锁止等异常情况，如果检测存在异常情况则上电失败，如果未检测到异常情况，则吸合负极接触器，高压电池的高压电经过与预充接触器串联的限流电阻加载到VTOG控制器母线上，然后判断预充是否成功。VTOG控制器检测到母线上的电压达到高压电池额定电压的设定值时，通过CAN通讯向BMS反馈预充满信号，如果不预充直接接通接触器，由于母线电容在通电瞬间相当于短路状态，会使过大电流流过接触器，因而可能产生接触器烧结等不良后果，当无严重漏电信号、直流母线电压达到设定值且直流低压系统无低压警告时，BMS判定预充成功，BMS控制主接触器吸合，断开预充接触器，点亮OK灯，上电成功。
3、 驱动电机时的原理
比亚迪e5车的高压电控总成有多种版本，根据年款等有所变化，分原版高压电控总成与简版高压电控总成。
比亚迪的漏电传感器有2种，一种接于正极，一种接于负极，两者不可互换。驱动电机时，3个电机接触器闭合，高压电经IGBT逆变桥（6个绝缘栅双极晶体管在ON和OFF间切换）变换出交流电并输送给电机，利用旋转变压器技术和空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制算法来控制电机正转（前进）或反转（倒车）。
4、 再生制动时的原理
车辆减速或制动时，电机由车轮驱动，再生制动功能使电机起到发电机的作用，将电能存储到高压电池中。
5、 单相交流充电原理
当使用便携式充电器或功率不大于3.3 kW的交流充电器进行充电时，VTOG控制器能自动识别出充电设备，并唤醒车载充电器，激活交流充电正极接触器，对高压电池进行充电。
当使用功率大于3.3 kW的交流充电器进行充电时，在N相线与B相线（对电机一侧而言）间增加单相切换接触器，VTOG控制器收到单相充电指令时，控制单相切换接触器吸合，使B相线和N相线连接，由A相、B相作为L1相、N相线使用，充电枪连接插头需使用专用连接插头或其L2相、L3相不做使用的连接插头。当VTOG控制器收到单相充电指令时，控制单相/三相切换接触器其中的2个接触 器闭合，使三相充电插座的L1相、L2相与单相充电插座的L1相、N相线导通。
高压电控总成内部线路图
6、 三相交流充电原理
系统收到充电指令时，将BMS允许的最大充电电流、供电设备最大供电电流和充电连接装置的额定电流相比较，VTOG控制器判断这三者中最小的充电电流，自动选择充电相关参数，同时系统对供电设备输送的交流电进行采样，VTOG控制器通过采样值计算出交流电电压有效值，再通过捕获来确定交流电频率，根据电压有效值和频率判断出交流电电制，根据电网电制选取控制参数。确定控制参数后，VTOG控制器控制继电器板的三相交流预充继电器和滤波电容继电器吸合，对直流侧母线电容进行充电，当电容电压达到规定值后吸合单相/三相切换接触器，同时断开继电器板的三相预充继电器，此时VTOG控制器发送PWM信号，控制双向DC/AC模块对交流电进行可控整流，再根据高压电池电压，对电压进行调节，最后把直流电输送给高压电池。在此过程中，VTOG控制器根据预先选定的目标充电电流和电流采样反馈的相电流，对整个系统进行闭环的电流调节，实现对高压电池进行充电。
7、 直流充电原理
比亚迪e5车除了可采用交流充电方式外，还具有直流充电的快速充电方式。
直流充电主要是通过充电站的充电柜将直流高压电直接通过直流充电口给高压电池充电。
当使用的直流充电柜最大输出电压小于高压电池电压时，直流充电升压器工作，将下桥臂的增压IGBT置于ON，使直流充电柜的电力为电感充电。电感存储了电能，将下桥臂的增压IGBT置于OFF，电感产生感应电动势，使电压升至合适的充电电压，电流持续从电感中流出，通过上桥臂IGBT流入母线电容和高压电池。
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