电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究

王伟伟

摘要：本文开发了基于电动汽车高压电安全诊断控制技术的车辆控制和基于CAN总线和线控技术的专用EVSM高压安全管理模块。模块可以实时监测和诊断各种电气参数和隔离状态，准确可靠地控制输出功率，能够很好地满足各种电动汽车的诊断和静态、动态高压安全控制的需要，具有良好的通用性。

关键词：电动汽车;高压电安全;诊断;控制策略

由于高压会危及车辆的生命和安全，因此电动汽车的高压安全是电动汽车设计中需要考虑的关键问题之一。本文设计了一种基于总线和CAN控制技术的专用电动汽车安全管理模块（EVSM），能很好地满足燃料电池汽车、混合动力汽车等电动汽车静态和动态高压安全诊断与控制要求。

一、安全管理控制系统总体设计

（一）设计基础

电动汽车高压系统的作用是保证电力和电力向车辆系统的传输，并检测整个电压系统的绝缘缺陷、电路故障、接地故障和高压故障，保障车辆设备和人员的安全是车辆的主要任务，也是电动化的主要技术之一。国际标准化组织进行电动汽车标准的研发，并发布了多项标准。对电动汽车的安全和控制提出了标准和严格的要求，规定高压系统必须配备高压自动切换装置，与电动汽车安全相关的电气特性具有绝缘体、漏电流、充电等特性、漏电距离和电气空间。

（二）设计理念

高压安全诊断与控制技术研究是我国电动汽车发展中共同的必然研究课题，包括高压设备的安全运行和人身伤害防护两个方面。设计一个单独的完全独立的EVSM模块，首先要保证其功能能够检测高压系统的动态状况，及时实时诊断高压系统的工作状况，快速交换信息，与车辆控制器响应命令并正确执行高压控制;其次，必须能够保证所有电路和高压设备的可靠运行，避免永久性损坏。此外，应避免将高压电直接引入其他车辆单元，以降低安全风险。

EVSM集成CAN总线、丰富的自诊断软件和灵活的管理策略，通过自定程序自动适应不同电动汽车对不同控制策略的要求，提高了其应用范围。

（三）系统的功能和组成

EVSM 及其应用专为高压电动汽车的安全而设计。其基本功能如下：

（1）能够检测兆欧级绝缘电阻，以便及时诊断漏电流、绝缘特性和变化趋势;

（2）实时测量高压系统的接地情况、高压阻断电路的连接情况、母线电压情况和剩余电量;

（3）具有在线自诊断功能，可对高压系统的检测状态进行编码提取;

（4）具有CAN总线通讯功能，CAN及时拆分诊断和安全控制信息，执行上位控制器开/关命令;

（5）手动断开、碰撞指令解除、高压继电器回避功能;

（6）集成在线校准和监测功能，平时待机;

（7）具有自学、自适应功能;

（8）高压切换过程应以有效的组合指令开始，有效防止误动作;

（9）高压系统接通时，可对外部电路进行预充电，以保证高压设备的安全运行;

（10）静电消耗〈3W，高压控制继电器线圈;

（11）关闭控制的响应时间<20 ms 以确保人身安全。

二、高压安全诊断与控制策略

电动汽车高压安全保护的重点是保证高压电源的安全运行，高压连接应创造前提条件，并在诊断外部缺陷的基础上自动、被动断开。

（一）动态检测与诊断

1.高压互锁

为保证高压总线快速连接器的可靠连接，高压连接器的高压EVSM高压并联安装在一系列高压连接中，用于测试动态可靠性。连接到高压快速连接器。当高压电路连接未验证满足所需的完整性要求时，EVSM 将直接或通过车辆控制器禁用连接电源的输出，直到故障完全消除。否则会出现高压、弱连接导致电源电路输出功率下降，甚至连接器熔断等不良后果。

2.接通信号的互锁控制

只有与电动汽车高压控制相关的所有管理模块都发送了允许关机的COMM1和COMM2线的控制信号后，正确的命令组合才能使设计的高压关机模块专门设计进入预充电。在这个过程中，只有满足预先设计要求的高压电路只能在充电过程中完全绝缘，电池和其他电源可以提供电力[1]。同样，在紧急情况下，所有适当的高压控制模块都可以绕过车辆控制器，并通过 COMM 控制台强制 EVSM 停止发射高压电源。

3.被动安全控制

由于电动汽车配备了高压、高能电池，电池处于紧急状态，尤其是在严重碰撞时、高压电器设备会发生碰撞导致非常危险的情况，例如潜在的跌落、短路绝缘性迅速下降或电源高压电路短路。为了满足这种被动控制的要求，在 EVSM 中安装了一个加速器发射器。传感器信号输入电路通过特定的数据处理模块，控制器可以检测被动安全信号并将其发送到与运输相关的处理器并及时通信，在事件发生后快速中断电池和其他能源输出。

（二）连接过程的安全诊断和控制

适当的切换过程是控制和确保电源的安全运行，控制命令可以通过有线信号或网络接收，所有命令必须准备好及时确认程序。确认的周期约为60ms，相当于手动操作的响应时间[2]。该方法有效地兼顾了正确的指令传输和所需的响应速度，提高高压转换过程的可靠性。对电阻 r1和 r2充电的目的是在安全连接到高压系统之前正确估计过载甚至短路，并且最好在预充电期间有足够的时间来检测高压电路的电压和连接时间，显示和判断线电压的状态，明确定下一步控制操作。这种对直流电源和负载连接过程的安全控制可以最大限度地减少对高压电气设备的永久性损坏，并及时通知驾驶员必要的车辆维护。

（三）运行中绝缘电阻的安全诊断

在运动过程中，电动汽车的等效绝缘电路和低压电路等动态参数会因电池中的振动、电击以及腐蚀性液体和气体而发生变化，与高压设备和高压回路的大小和数量有关。因此，高压绝缘状态的动态在线检测是安全诊断的关键。它集成了主电池供电电路、高压电路、电机转向系统等高压电气设备与车身之间的隔离状态。当出现隔离缺陷时，启动缺陷诊断程序，对缺陷进行分类，根据缺陷的发展趋势判断缺陷是逐渐发生还是突然发生。如果缺陷突然出现，CAN事件帧必须迅速发布并通知控制器，否则必须在一定时间通知上层操作员并返回相关处理结果。

（四）断线过程控制策略

在正常或没有严重错误（例如开/关程序）的情况下，接受断开命令的过程也必须经过确认。同时，保证指令的正确传递和所需的反应速度，防止电动汽车在正常运行过程中出现异常断开，提高工作可靠性。如何在高压系统发生故障时断开电源电路，这是一个值得认真研究的问题。当人身安全受到威胁时，应该毫不犹豫地断开，但在其他情况下则应优先考虑。首先要了解高压故障的严重程度，了解車辆和动力装置的运行情况，尽快让车辆控制器进行非行驶状态，包括紧急通信故障策略;考虑高压断开策略，使用高压和PRND 反向断开设备，在任何情况下遵循所有发电厂断开策略。高压电源一旦断开，操作人员必须自觉复位，一旦初始错误在一定时间间隔后得到修复，就可以进入下一个连接过程。

结语：

为实现对电动汽车的静态和动态实时监测与控制，本研究研制了高压安全诊断与控制系统。测试结果表明，该系统具有良好的电磁兼容性和耐高压动态监测。系统工作稳定、准确、可靠、响应迅速。主继电器关断时间可提供20ms，实时满足电动汽车的需求。同时，集成高速CAN通信技术，通过CAN网络，及时、快速地报告所有车辆控制器的识别、监控、状态和诊断中的错误，方便快捷，实现源头分离。

参考文献：

[1]刘宝泉.电动汽车高压电气系统及上下电控制策略研究[J].汽车工业研究，2020（2）：4.

[2]秦振海，耿志勇，李隽杰.电动汽车高压电安全系统设计要求（接触防护）[J].汽车电器，2018（11）：5.