浅析高压互锁回路的设计方法

杨 康 方海峰

（上海航天科工电器研究院有限公司，上海200331）

0 引言

在全球能源危机和环境污染的大背景下，推进新能源汽车的应用与发展已是大势所趋。数十年来，新能源汽车的发展已成为中国乃至全球汽车行业的热点，在各国政府的大力支持下，新能源汽车产业得到了快速的发展。而在电动汽车及其他工业上，高压系统的电压已经远远超过人体的安全电压，在系统带电情况下的人为操作是不可避免的。目前高压连接器插拔时主电路会带电，容易产生电弧或击穿现象，从而影响操作人员的安全，损坏电器，严重时甚至会引起火灾，造成重大损失。因此在设计过程中需增加更多可靠的结构来避免非专业人员操作导致的危害人身安全的情况。

本文通过分析传统连接器产品，没有高压互锁装置，导致产品电路接触瞬间过载，以及高压互锁装置没有延时功能，导致电气控制系统来不及对高压电路进行控制，从而引起接触时的瞬间过载、危害人身安全的问题，有针对性地设计了一种具有延时功能的高压互锁回路。并以此为实例，介绍了具有延时功能的高压互锁回路的设计方法。

1 高压回路及高压互锁回路的结构原理图

图1为传统高压回路结构原理图，图中高压电路没有信号监测保护。图2为带有高压互锁回路保护的高压回路原理图，该高压互锁回路为高压回路提供信号监测功能，避免高压电器在人为操作过程中产生带电现象，可有效延长电器使用寿命，降低安全事故发生的概率。

图1 传统高压回路结构原理图

图2 带高压互锁结构的高压回路原理图

2 高压互锁结构的设计

2.1 高压互锁结构的定义

高压互锁（High Voltage Inter-lock，简称HVIL），是用低压信号监测高压回路完整性的一种安全设计方法。其结构原理在于，在高压互锁回路接通或断开的同时，反馈信号给电源控制器，进而控制高压电路的供电与断电。理论上，低压监测回路相比高压回路后接通先断开，中间保持必要的量，其时间的长短可以根据具体情形确认。

2.2 高压互锁回路的设计方法

（1）确定高压回路与高压互锁回路的制约条件。

1）接通电路：高压互锁回路接通的同时反馈供电信号给电源控制器为高压回路供电，在高压互锁回路反馈供电信号时，高压回路应是已接触好的，保证高压回路插入过程是无电的。即高压互锁回路相比高压回路后接通。

2）断开电路：高压互锁回路断开的同时反馈断电信号给电源控制器为高压回路断电，在高压互锁回路反馈断电信号时，高压回路仍是接触的，保证高压回路分离过程是无电的。即高压互锁回路相比高压回路先分离。

3）高压互锁设计原理图如图2所示，设计中需保证高压互锁回路接触件距离大于高压回路接触件距离，即：DIM A＞DIM B。

（2）为了实现上述功能，高压互锁结构应用于产品的结构原理图如图3所示。

图3 结构原理图

（3）如图3结构原理图所示，该高压电器由插头与插座共同组成。其中，插头端子与插座端子为高压端子，互配连接后组成高压回路；金属连接片与低压探针1、低压探针2为低压端子，互配连接后组成高压互锁回路。

1）插头向插座插入过程：插头端子先与插座端子接触并继续插入一段距离后，金属连接片才与探针1、探针2接通，并反馈供电信号给电源控制器为高压回路供电。此过程保证高压回路插入过程无电。

2）插头向插座分离过程：金属连接片优先与低压探针1、低压探针2实现分离，并反馈断电信号给电源控制器为高压回路断电，在主电路已断电的情况下，插头端子继续拔出一段距离后才与插座端子分离。此过程保证高压回路分离过程无电。

3 高压互锁结构设计实例

3.1 结构总装图

高压互锁插针如图4所示，高压互锁弹片如图5所示，本高压互锁结构总装图（高压电器插头与高压电器插座分离、啮合的结构示意图）如图6所示。

图4 高压互锁插针示意图12—高压互锁插针 121—高压互锁插针接触部122—高压互锁插针接线孔 123—导线

图5 高压互锁弹片示意图22—高压互锁短接弹片 221—高压互锁弹片上弹壁222—高压互锁弹片下弹壁 223—弹片导引部224—弹片延长部 225—弹性挂钩

3.2 具体实施方式介绍

如图4所示，导线123通过高压互锁插针12的接线孔122与接触部121连接成为一体。

如图5所示，高压互锁短接弹片22由弹片导引部223、弹片延长部224、高压互锁弹片上弹壁221和高压互锁弹片下弹壁222组成，弹片延长部224上设置有弹性挂钩225。

如图6所示，将高压互锁插针12和插座插针端子13安置于插座绝缘基座15中，并将插座绝缘基座15安置于插座外壳11内形成高压电器插座1；高压互锁短接弹片22通过弹性挂钩225固定在插头绝缘基座25上，插头插孔端子23安置于插头绝缘基座25内，插头绝缘基座25安置于插头外壳21内形成高压电器插头2。

高压互锁插针12和插座插针端子13设置在高压电器插座1上；高压互锁短接弹片22和插头插孔端子23设置在高压电器插头2上。插座插针端子13和插头插孔端子23的接通或断开用于控制高压回路的接通或断开；高压互锁插针12和高压互锁短接弹片22接通或断开用于控制高压互锁回路的接通或断开。

图6 高压互锁结构总装图1—高压电器插座 2—高压电器插头 11—插座外壳12—高压互锁插针 13—插座插针端子 15—插座绝缘基座21—插头外壳 22—高压互锁短接弹片 23—插头插孔端子25—插头绝缘基座 121—高压互锁插针接触部221—高压互锁弹片上弹壁 222—高压互锁弹片下弹壁225—弹性挂钩

3.3 高压互锁回路工作过程介绍

高压电器插头2向插座1插入的互配过程：使插头2向连接器插座1插入，高压回路的插孔端子23先接触到高压回路的插针端子13，并插入一定距离后，连接器插头2的短接弹片22的上、下弹壁221、222同时向高压互锁插针12的接触部121靠拢并实现弹性接触。高压互锁回路接通并反馈供电信号为高压回路供电。

高压电器插头2向插座1拔出的分离过程：使插头2向连接器插座1分离，高压互锁插针12的接触部121与短接弹片22的上、下弹壁221、222先分离，高压互锁回路断开并反馈信号给电源控制器为高压回路断电，插头2继续拔出一定距离后，高压回路插孔端子23才与高压回路插针端子13分离。

4 结语

在高压互锁回路设计中，并不局限于以上实例结构，也可将短接弹片结构设置于高压电器插座端，将高压互锁插针设置于插头端。或可设计为可实现高压互锁原理和功能的其他结构形式。高压互锁结构的特点在于能够提供安全性更高、结构简单且能确保高压回路操作安全性与可靠性的一种保护结构，可广泛应用于新能源汽车产品领域及相关领域。