詳解大眾MQB/MEB平臺高壓蓄電池高壓開關

成都市毛建軍新能源汽車技能大師工作室 毛建軍

高壓蓄電池高壓開關承擔著接通、斷開高壓，緊急狀態(tài)下的安全保護，監(jiān)測控制結果，檢測電壓、電流的重要任務，是電動、混動新能源汽車重要的安全控制部件。

目前，汽車維修中有關高壓蓄電池高壓開關的介紹還比較少，維修人員對高壓蓄電池高壓開關基本原理掌握不足，這在一定程度上影響了維修人員對高壓蓄電池高壓開關方面故障的判斷及維修。因此，有必有對高壓蓄電池高壓開關的結構、功能與采樣進行介紹和說明。本文以大眾車型高壓蓄電池高壓開關結構為研究對象。按照車型，大眾分為MQB平臺和MEB 平臺，按照動力狀態(tài)又分為PHEV和BEV，高壓蓄電池高壓開關有MQB-PHEV混合動力高壓開關、MQB-BEV純電高壓開關、MEB-BEV純電高壓開關三種。其中，MQB-PHEV混合動力高壓開關主要用于邁騰、高爾夫、帕薩特、途觀等混合動力車型上，MQB-BEV純電高壓開關主要用于朗逸、寶來、高爾夫等純電動車型上，MEB-BEV純電高壓開關主要用于ID系列純電動車型上。

1 高壓開關基本組成

（1）開關內部橙色部分為高壓，包括電壓采樣線、電流信號、接觸器觸點、預充電電路。

（2）開關內部包括電流傳感器、高壓熔斷器、電壓采樣電路。

（3）開關內部包含高壓蓄電池電源接觸器、直流充電接觸器、預充電接觸器，其中直流充電接觸器、預充電接觸器由高壓開關類型決定是否安裝。

（4）開關的溫度傳感器、預充電電阻、電容、燃爆式安全開關等部件由高壓開關類型決定是否安裝。

2 高壓開關基本控制框圖

高壓開關安裝在高壓蓄電池內部，受高壓蓄電池控制單元控制。如圖1所示，高壓蓄電池控制單元（J840）控制高壓接觸器斷開、閉合，從而實現高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)斷開、連接。

圖1 高壓開關基本控制框圖

3 高壓開關主要部件

（1）高壓蓄電池控制單元（圖2）。高壓蓄電池控制單元的功能包括控制高壓蓄電池模組控制器、高壓開關、高壓蓄電池冷卻、電芯均衡、高壓聯鎖、檢測絕緣及高壓電池容量管理等，其內部包含高壓、控制電路高低壓隔離，外部連接也采用高低壓隔離的連接方式。

圖2 高壓蓄電池控制單元

（2）電流傳感器。高壓開關內集成有2個霍爾式電流傳感器（圖3），用于檢測高壓蓄電池實際充、放電電流，據此，高壓蓄電池控制單元計算判斷高壓電路、高壓電池負載狀態(tài)。2個電流傳感器是作為冗余控制的。電流傳感器有2線式和6線式，6線式電流傳感器集成有開關溫度傳感器（G1132）。電流傳感器采用螺栓壓接方式安裝在高壓蓄電池HV-與高壓電源接觸器負之間。

圖3 電流傳感器

（3）高壓電源接觸器和直流充電接觸器（圖4）。高壓電源接觸器、直流充電接觸器控制高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)、直流充電插座的閉合、斷開。高壓電源接觸器、直流充電接觸器采用同一型號高壓接觸器，采用螺栓壓接方式連接高壓回路，采用插接件連接接觸器線圈。接觸器線圈由低壓直流12 V控制，觸點控制高壓。高壓蓄電池控制單元能夠對高壓電源接觸器、直流充電接觸器的觸點閉合狀態(tài)、控制線圈的連接狀態(tài)進行監(jiān)控。

圖4 高壓電源接觸器和直流充電接觸器

（4）預充電接觸器（圖5）。預充電接觸器控制高壓系統(tǒng)啟動時預充電電路的閉合、斷開。預充電接觸器一般采用插接方式安裝。預充電接觸器線圈由低壓直流12 V控制，觸點控制高壓。高壓蓄電池控制單元能夠對預充電接觸器觸點閉合狀態(tài)、控制線圈的連接狀態(tài)進行監(jiān)控。

圖5 預充電接觸器

（5）預充電電阻（圖6）。預充電電阻在預充電狀態(tài)下串聯在整車高壓供電電路中，用于降低高壓供電電路的啟動電流。預充電電阻與預充電接觸器觸點串聯，電阻為大功率電阻，阻值為30 Ω。不同配置高壓開關預充電電阻的阻值、功率有差異。

圖6 預充電電阻

（6）高壓熔斷器（圖7）。高壓熔斷器用于高壓系統(tǒng)對應線路的過流、短路保護。高壓熔斷器有額定電流和電壓等級要求，以保障熔斷器的熔斷斷路能力。高壓熔斷器采用螺栓壓接方式安裝，由電壓采樣線進行監(jiān)控。不同配置高壓開關的高壓熔斷器安裝位置不同，不同配置高壓熔斷器的熔斷參數不同。

圖7 高壓熔斷器

（7）燃爆式安全開關（S415，圖8）。燃爆式安全開關用于碰撞斷電、高壓系統(tǒng)過流短路保護。由安全氣囊控制單元根據碰撞信號直接觸發(fā)燃爆式安全開關，觸發(fā)后，整車高壓系統(tǒng)電路與高壓蓄電池斷路。燃爆式安全開關具有過流熔斷功能，不同配置熔斷電流參數不同。注意：燃爆式安全開關是不可恢復性緊急斷路器，如果觸發(fā)，則需要更換燃爆式安全開關方可恢復上電。

圖8 燃爆式安全開關

（8）電容（圖9）。在高壓開關高壓蓄電池輸入端并聯有電容（25μF/600 V），其作用是保持電壓不變和電壓峰值保持平穩(wěn)，穩(wěn)定高壓電網電壓。特別提醒：電容為儲能元件，在拆、裝高壓開關時需要按照規(guī)定步驟對電容進行放電、充電操作。

圖9 電容

4 MQB/MEB平臺典型高壓開關

4.1 MQB-PHEV混合動力高壓開關

4.1.1 MQB-PHEV混合動力高壓開關的部件

MQB-PHEV高壓開關為三接觸器結構（圖10），其控制功能如圖11（圖中A～E為5個電壓取樣點）所示，接觸器觸點用于控制高壓蓄電池與高壓電路的連接，接觸器線圈為低壓直流12 V控制。預充電接觸器、預充電電阻、高壓電源正接觸器安裝在高壓正極電路中；高壓電源負接觸器安裝在高壓負極電路中；電流傳感器（有4根線，實際上為2個電流傳感器串聯，每個傳感器使用2根線）串聯在高壓蓄電池負極與高壓熔斷器之間；高壓熔斷器采用螺栓壓接安裝在電流傳感器與電源負接觸器之間，用于高壓系統(tǒng)的短路保護。電壓采樣線共5根，其中高壓正2根、高壓負3根。

圖10 MQB-PHEV高壓開關

4.1.2 MQB-PHEV混合動力高壓開關的控制功能

如圖11所示，MQB-PHEV帶預充電電阻的三接觸器控制功能如下。

圖11 MQB-PHEV帶預充電電阻的三接觸器控制功能

（1）正常上電功能。MQB-PHEV高壓開關激活受點火開關點火信號（15號線）控制。高壓蓄電池控制單元判斷總線信號、電流傳感器、電池溫度、電芯電壓、電壓采樣線、絕緣信號、安全聯鎖、低壓蓄電池電壓、點火開關信號等高壓上電條件，所有高壓上電條件滿足，高壓系統(tǒng)經預充電后完成高壓系統(tǒng)上電，高壓電源正、負接觸器受控閉合。高壓上電任一條件不滿足，高壓系統(tǒng)斷電，高壓電源正、負接觸器處于受控斷開狀態(tài)。

（2）預充電功能。MQB-PHEV高壓開關受高壓蓄電池控制器單元控制，在滿足上電條件后，高壓蓄電池控制器單元控制預充電接觸器和高壓電源負接觸器閉合，預充電電阻降低高壓系統(tǒng)啟動電流，進行高壓系統(tǒng)預充電。高壓系統(tǒng)預充電電流、電壓曲線由高壓蓄電池控制單元通過電流傳感器和電壓采樣線監(jiān)控。預充電完成后，高壓蓄電池控制單元控制高壓電源正接觸器閉合，斷開預充電接觸器。

（3）交流充電功能。車載充電裝置通過總線激活高壓蓄電池控制單元，在判斷交流充電條件滿足后，高壓蓄電池控制單元控制預充電功能和正常上電功能，最終實現高壓電源正、負接觸器受控閉合。

（4）過載保護功能。MQB-PHEV高壓開關電流傳感器串聯在高壓蓄電池負與高壓熔斷器之間，通過實測高壓蓄電池的充、放電電流，與相關控制器中當前工況下的理論電流進行對比，判斷高壓系統(tǒng)負載狀態(tài)。如果高壓蓄電池控制單元根據電流傳感器信號判斷高壓系統(tǒng)過載，則控制高壓電源正、負接觸器處于受控斷開狀態(tài)。

（5）短路保護功能。高壓熔斷器采用螺栓壓接安裝在電流傳感器與電源負接觸器之間，用于高壓系統(tǒng)的過流、短路保護。

（6）斷路保護功能。高壓蓄電池控制單元通過安全聯鎖線判斷高壓電路連接狀態(tài)，任何一個高壓導線連接異常，高壓蓄電池控制單元均控制高壓電源正、負接觸器觸點斷開。

（7）碰撞斷電功能。MQB-PHEV高壓開關碰撞斷路由安全氣囊控制單元根據碰撞減速度通過總線發(fā)送不同等級的碰撞信號，當高壓蓄電池控制單元接收到不同等級的碰撞信號后，控制高壓電源接觸器線圈斷電，斷開高壓。典型的碰撞高壓斷電分為2種：一種可以通過斷開、接通點火開關恢復高壓系統(tǒng)供電；另一種不能通過斷開、接通點火開關恢復高壓系統(tǒng)供電，必須通過故障檢測儀清除故障代碼或設定來恢復高壓系統(tǒng)供電。

4.2 MQB-BEV純電高壓開關

4.2.1 MQB-BEV純電高壓開關的部件

MQB-BEV純電高壓開關（圖12）的結構與MQBPHEV高壓開關基本一致，但由于純電車輛增加了直流充電功能，因此在高壓開關中增加了直流充電接觸器1和直流充電接觸器2，同時為穩(wěn)定高壓蓄電池輸出電壓，在高壓開關輸入端HV+與HV-之間并聯有高壓電容器（C30）。電壓采樣線共7根，其中高壓正4根，高壓負3根。

圖12 MQB-BEV純電高壓開關

4.2.2 MQB-BEV帶預充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能

MQB-BEV高壓開關為五接觸器結構，與MQBPHEV高壓開關相比，主要變化是增加了直流充電功能、電容穩(wěn)壓和交流充電功能。直流充電功能由高壓蓄電池充電電壓控制單元激活，其他控制功能與MQBPHEV一致。如圖13（圖中A～G為7個電壓取樣點）所示，MQB-BEV帶預充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能如下。

圖13 MQB-BEV帶預充電電阻直流充電功能的五接觸器控制功能

（1）直流充電功能。MQB-BEV直流充電功能由高壓蓄電池充電電壓控制單元通過總線激活高壓蓄電池控制單元，高壓蓄電池充電電壓控制單元和高壓蓄電池控制單元在判斷直流充電條件全部滿足后控制控制高壓開關工作。直流充電時，高壓電源正、負接觸器及直流充電正、負接觸器都處于閉合狀態(tài)。

（2）交流充電功能。高壓蓄電池充電電壓控制單元通過總線激活高壓蓄電池控制單元，高壓蓄電池充電電壓控制單元、高壓蓄電池控制單元在判斷交流充電條件滿足后，高壓蓄電池控制單元控制預充電功能和正常上電功能，最終實現高壓電源正、負接觸器受控閉合。

（3）電容穩(wěn)壓。高壓電容器并聯在高壓蓄電池HV+與HV-之間，用于穩(wěn)定高壓蓄電池電壓。

4.3 MEB-BEV純電高壓開關

4.3.1 MEB-BEV純電高壓開關整體結構

MEB-BEV車型高壓開關（圖14和圖15）包括高壓蓄電池負開關盒（SX7）和高壓蓄電池正開關盒（SX8），取消了預充電接觸器及預充電電阻，但保留預充電功能，在高壓開關中增加了燃爆式安全開關，部分配電功能也在高壓開關中。SX7與SX8通過外部連接（圖16），實現高壓蓄電池與外部電路連接、計量、控制、監(jiān)控、配電。

圖14 MEB-BEV純電高壓開關整體結構

圖15 MEB-BEV純電高壓開關內部電路

圖16 SX7與SX8的連接方式

如圖17所示，SX7中有2個電流傳感器、開關溫度傳感器、燃爆式安全開關（S415）、高壓電源接觸器負、直流充電接觸器負及4根電壓采樣線等。SX7與直流充電插座負、高壓蓄電池負和輸出負連接。如圖18所示，SX8中有高壓電源接觸器正、直流充電接觸器正、高壓熔斷器（S352）及4根電壓采樣線等。SX8與直流充電插座正、高壓蓄電池正、高壓輸出正極T N+及高壓輸出正極AUX+連接。

圖17 高壓蓄電池負開關盒（SX7）的組成

圖18 高壓蓄電池正開關盒（SX8）的組成

4.3.2 MEB-BEV高壓開關控制功能

如圖19所示，MEB-BEV高壓開關過載保護功能、安全聯鎖功能與MQB-BEV功能一致；直流充電、交流充電功能由車載充電裝置激活。其功能變化主要有上電條件、預充電功能、斷路保護、高壓斷電。

圖19 MEB-BEV高壓開關控制功能

（1）正常上電功能。正常上電狀態(tài)由駕駛人座椅占用信號激活，高壓電源接觸器處于閉合狀態(tài)，駕駛人離開座椅高壓系統(tǒng)斷電。其他上電條件與MQB-BEV高壓開關一致。

（2）預充電功能。MEB-BEV高壓開關系統(tǒng)沒有預充電接觸器、預充電電阻，整車具備預充電保護功能。MEB-BEV高壓系統(tǒng)通過低壓蓄電池與DC/DC（直流/直流轉換器）升壓功能，在高壓接觸器閉合前利用低壓蓄電池儲存的低壓電能，通過DC/DC升壓向高壓系統(tǒng)充電，當高壓系統(tǒng)預充電電壓上升曲線和電流下降曲線符合要求后，高壓電源接觸器閉合，高壓蓄電池向整車供電，DC/DC升壓功能關閉。電驅動系統(tǒng)的功率和控制電子裝置（JX1）的中間電路電容器1（C25）等由DC/DC進行預充電。

（3）短路保護。高壓熔斷器（S352）提供AUX輸出端口過流、短路保護（空調、交流充電、PTC、DC/DC）。燃爆安全開關（S415）具有過流、短路保護功能，用于高壓蓄電池輸出過流、短路保護。特別提醒：不同MQB-BEV車輛燃爆式安全開關（S415）熔斷電流參數不同，熔斷后需要更換方可恢復。

（4）碰撞斷電。碰撞斷電除保留總線傳遞碰撞信號由高壓接觸器斷電外，增加了由安全氣囊控制單元直接控制的燃爆式安全開關（S415斷電）。特別提醒：燃爆式安全開關（S415）觸發(fā)后需要更換方可恢復。

5 高壓開關電壓檢測原理

高壓開關電壓采樣線用于高壓蓄電池控制單元檢測高壓蓄電池輸出電壓、高壓熔斷器狀態(tài)、高壓接觸器閉合及斷開狀態(tài)、預充電電壓曲線。高壓開關中電壓采樣電路全部為高電壓，高壓蓄電池控制單元通過這些電壓采樣來判斷高壓開關故障。高壓蓄電池控制單元中電壓采樣算法不是單一的，電壓采樣算法包含2種以上的算法，高壓蓄電池控制單元可以精準地確定任意電壓采樣線路的故障、接觸器觸點的狀態(tài)、高壓熔斷器的狀態(tài)等。

6 典型開關控制時序（預充電控制）

高壓蓄電池控制單元按照工作順序、時間間隔和預充電狀態(tài)控制高壓接觸器工作（圖20）。不同車輛高壓電源接觸器負與預充電接觸器的起動時序會有差異。高壓電源接觸器負在整個上電過程中一直都處于閉合狀態(tài)。高壓電源接觸器正工作在預充電完成之后，高壓電源接觸器正觸點閉合后預充電接觸器斷開。點火開關鑰匙置于OFF位時，高壓電源接觸器正與高壓電源接觸器負觸點斷開。點火開關鑰匙置于ON位時，預充接觸器閉合→高壓電源接觸器負閉合→預充電完成→高壓電源接觸器正閉合→預充接觸器斷開。

圖20 開關控制時序（預充電控制）