1 緒論

　　隨著新能源汽車產業的快速發展，高壓電系統的安全性 問題逐漸成為車企與零部件廠商關注的焦點。其中，高壓互 鎖信號(HVIL, High Voltage Interlock Loop)的可靠檢測 是保障整車電氣安全的重要環節。最早提出基于“心跳脈沖 式”檢測方法的是Markus Demmerle和Harald Reuss，相 較于傳統的純開關式信號檢測，該方法通過特定頻率的脈沖 信號進行回路監測，能夠更靈敏地識別由插拔不良、接觸抖 動、機械撞擊、老化等因素引起的阻抗變化，屬于一種動態 監測策略。該策略提升了檢測的實時性與靈敏度，但也更易 受到電磁干擾的影響，因此對整車線路的屏蔽與電磁兼容設 計提出了更高要求。

　　在產業應用方面，國內的AVIC Optoelectronics作為汽 車高壓連接器市場的領先供應商，已在多款產品中集成了具 備互鎖檢測功能的接口;而國際廠商如TE Connectivity則是 全球最大的連接器制造商之一，同樣提供集成高壓互鎖檢測 能力的產品解決方案。此外，主機廠商的BMS(電池管理系 統)通常具備基礎的HVIL檢測能力，并通過模塊化的檢測組 件如Bourns HVIL傳感器、Littelfuse高壓互鎖方案等，實現 高壓安全的冗余與擴展。與汽車領域的高壓安全檢測類似， 在工業設備中，安全模塊也廣泛應用于設備的關鍵運動單元 中。例如，通過對主軸電機的狀態進行靜態監測，可判斷其 是否處于安全停止狀態，從而允許操作人員開啟安全門等執 行后續操作。若安全模塊的配置、設定不當，同樣可能造成 誤報警，導致設備頻繁停機，甚至在非正常狀態下操作門無 法打開，引發次生安全風險。因此，如何在復雜工業環境 中，兼顧動態與靜態的監測策略，提高設備整體安全防護能 力，成為當前工業控制系統設計的重要課題。

圖 1 HVIL 插接件

圖 2 結構圖解析

　　2 電動汽車高壓互鎖插接件結構分析

　　為確保電動汽車高壓系統的使用安全，業界普遍采用高 壓互鎖(HVIL)技術來實現對高壓連接狀態的監控。圖1所 示為典型的 HVIL 插接件結構。該結構主要由母接插件與公 接插件組成，分別連接電源的正負極和中間互鎖端子。在結 構設計中，互鎖信號線路通常通過獨立的輔助觸點與主電源 連接觸點隔離。

　　如圖2所示：電源正極和電源負極通過主觸點實現動力

　　電的傳輸;同時，公母插頭內部的中間互鎖端子在插接完成 前不會形成閉合回路;只有當插接件完全插合后，互鎖端子 才會導通，形成完整的互鎖電路。該結構確保在插頭未完全 連接或因故障松動時，互鎖回路中斷，從而觸發整車控制器 斷電或發出故障警報，實現高壓系統的本質安全控制。

　　3 PWM心跳信號檢測機制

　　傳統互鎖信號為簡單的導通/斷開閉環判斷，但隨著系 統復雜度提高，汽車制造商逐漸引入更智能化的PWM心跳信 號檢測機制。如圖3所示為PWM心跳信號通訊原理示意圖， 其基本原理為：控制器在 HVIL 回路中注入一特定頻率和占 空比的 PWM 信號，作為“心跳信號”;下游互鎖模塊對該信 號進行反饋并閉環返回;控制器持續檢測信號是否存在及其 波形是否異常。若發現信號中斷、幅值變化，頻率變化或占 空比異常，系統將判斷插接件接觸不良、回路被剪斷或插頭 未完全插入，進而采取斷電、熔斷等安全措施。

　　PWM信號的檢測具有以下優勢：更高的抗干擾性，相 比簡單開關量回路，PWM 形式不易被誤觸發;故障診斷能 力增強，可通過信號波形分析故障類型(如短路、斷路或信 號畸變);提升整車安全等級，為滿足 ISO 26262 中 ASIL 級別要求提供支撐。

　　插接件中的結構互鎖與心跳信號機制相輔相成：結構層 面保障了基本的連接完整性與物理接觸可靠性，信號層面則 提升了監控維度與檢測智能化水平。在實際應用中，許多新 能源汽車廠商會將互鎖信號與高壓控制繼電器、BMS(電池 管理系統)、VCU(整車控制器)聯動，實現多重聯鎖保護。

　　4 工業設備停機檢測

　　在工業設備的安全停機檢測中，主要存在兩種主流的 技術路徑：以 SICK 為代表的電壓監測型檢測方式，以及以 Schmersal 和 PILZ為代表的頻率監測型檢測方式。這兩類檢測 機制在原理、應用場景和響應邏輯上各具優勢，廣泛應用于電 動機、變頻器及高能耗設備的停機確認與安全聯鎖控制中。

　　隨著設備智能化程度的不斷提升，如何選擇合適的檢測 方式并進行精細化的安裝與調試，已成為確保工業系統穩定 運行與人機安全不可或缺的重要環節。本文將圍繞上述兩種 檢測技術的結構原理與實際應用進行深入探討與對比分析。

　　圖4展示的是 SICK 靜止監控模塊的檢測工作流程及信號

圖 3 PWM 心跳信號通訊原理示意圖

圖 4 SICK 常用安全模塊停機檢測原理

　　變化情況。該模塊通過直接檢測三相電源端(L1、L2、L3) 的電壓幅值來判斷設備是否已經靜止。其主要工作原理如 下：在輸入端 L1、L2、L3 上檢測電壓，關鍵參數有：

　　(1)Uan：用戶設定的電壓閾值;

　　(2)ts：延遲時間，即確認靜止狀態所需持續時間。

　　工作邏輯如下：

　　①當檢測到電壓低于閾值Uan，并持續超過設定的ts時 間后，判定為“靜止”;

　　②安全繼電器輸出動作：13/14 觸點閉合，41/42 打 開，允許聯鎖釋放;

　　③若之后電壓再次超過 Uan，立即退出“靜止”狀態， 繼電器輸出復位。

　　兩個不同狀態下的轉速變化曲線和觸點動作時間線展示 了整個過程，在圖4中：

　　· 左圖：設備正在制動，電壓逐漸下降，3 秒后低于閾 值，輸出觸點閉合;

　　· 右圖：電壓穩定在低值，保持靜止，系統維持“聯鎖 允許”狀態。

　　在工業安全監控系統中，SCHMERSAL采用的是基于頻 率監測的電機靜止檢測方案。其原理電路如圖5所示，系統 以雙通道頻率傳感器為核心，通過對傳感器脈沖信號進行比 對，從而判斷電機是否處于完全靜止狀態。該系統包含以下 關鍵功能模塊與原理邏輯：

　　· 頻率信號采集與比較：系統的S12與S22輸入端分別接 入兩個傳感器的輸出脈沖信號，并與預設的截止頻率(cut- off frequency)進行實時對比。如果兩個傳感器之間的頻 率差異超過20%，則會被識別為系統故障，觸發錯誤處理邏 輯，從而防止錯誤的安全判斷;

　　· 安全輸出控制邏輯：當傳感器信號低于設定的截止頻 率時，系統判斷電機已靜止，隨后可以通過輸入端X3啟用安 全輸出。如果用戶希望系統在達到靜止狀態后自動輸出安全 信號，則應將X3端口直接接入+24VDC電源電壓;

　　· 用戶交互與復位功能：系統提供多個用戶交互接口， 如 S1(附加靜止信號輸入)、S2(復位按鈕，用于清除報 警信息)及 S3(啟動按鈕)。用戶可通過這些接口進行安全 控制邏輯的啟停與錯誤信息清除操作，確保操作的靈活性與 安全性;

　　· 輸出與互鎖控制：系統的安全輸出(K1、K2)連接 至后端互鎖裝置，形成完整的聯動控制邏輯;而信號輸出端 (例如 Q1、Q2)則用于反饋設備當前安全狀態，實現設備 狀態的實時顯示與信息交互。

　　SCHMERSAL不僅實現了基于頻率的電機靜止狀態精確

　　識別，同時具備雙通道檢測與輸出控制功能，進一步提升了 系統的安全冗余性和響應可靠性。這種檢測方式適用于各種 變頻驅動設備的安全聯鎖控制，尤其在存在惰性運動殘留的 應用場景中，表現出更高的敏感性和實時性。

　　圖6對應的是SCHMERSAL電機轉動檢測的結構要求，為 實現電機是否靜止的準確判定，SCHMERSAL系統依賴于高 精度的機械轉盤與雙傳感器檢測機制。圖6中所示為典型的 傳感器與轉盤結構，具體結構要求如下：

　　①轉盤設計要求

　　轉盤通常與電機軸固定安裝，在轉盤周邊按一定規則開 設多個缺口或凹槽，形成可識別的旋轉標志區域。這些缺口 在轉動過程中，會周期性地遮擋或釋放傳感器的檢測視線， 從而生成對應的脈沖信號。在該設計中，每個缺口區域對應 60°,其中每個斜邊區域為 30°,實現對轉速的靈敏檢測。

　　②雙傳感器結構配置

　　如圖6所示，兩個傳感器相互錯開角度布置，分別監測不同的缺口區域。當轉盤旋轉時，兩傳感器將輸出具有相 位差的脈沖信號，形成雙通道冗余輸入，提升檢測的安全等 級。這種結構不僅增強了對轉動方向的識別能力，同時允許 系統通過對兩通道頻率與相位差的監控，實現更精確的電機 狀態識別。

　　③檢測精度保障機制

　　借助精密布置的傳感器及規則刻槽的轉盤設計， SCHMERSAL 系統能夠實時采集轉盤角速度信息，進而通過 頻率比較判斷電機是否已完全停轉。當轉動頻率下降至低于 設定閾值，系統可判定設備處于靜止狀態，并根據邏輯輸出 安全信號，確保人員與設備的操作安全。

　　通過以上結構，SCHMERSAL 方案實現了無需電壓感知即 可準確檢測轉動狀態，特別適用于帶有高慣性負載或伺服控制 系統的工業場景，為工業安全提供了可靠的靜止判斷依據。

　　圖7展示了 Schmersal 靜止監控模塊中基于頻率閾值 判斷設備是否停止運轉的核心原理。該模塊接收來自外部的 脈沖發生器信號(例如接近開關或編碼器)，并實時測量 信號的頻率變化。當檢測頻率下降至設定的截止頻率(Cut- off frequency)以下，系統開始判斷電機是否已進入靜止 狀態。若設備在設定的600秒內未出現低于截止頻率的信號 (圖中①) , 則系統不認為其已靜止。另一方面，在使用雙 通道傳感器進行檢測時，系統允許兩個傳感器在靜止判定上 的結果差異存在最多5秒的時間窗(圖中②),超過該差值 則觸發故障報警機制，切斷安全繼電器回路。此類頻率判定 方法相比傳統的“接點式信號檢測”更具靈敏度，能更早識 別因碰撞、老化等因素導致的機械停滯;但缺點是易受電磁 干擾，因此需加強屏蔽設計，確保信號采樣穩定可靠。

　　表1為SICK安全停機檢測與SCHMERSAL安全停機檢測 對比。

　　5 結論

　　本文圍繞工業設備與電動汽車領域中的安全檢測技術進 行了系統探討，重點分析了高壓互鎖結構、PWM心跳信號檢 測機制以及工業設備停機檢測的兩種主流形式——電壓檢測 與頻率檢測。在電動汽車中，通過插接件的結構設計與中間 互鎖端子的串聯，實現了高壓回路的安全閉合檢測，并結合 PWM信號形成的“心跳”機制，提高了系統的響應實時性與 容錯能力，確保了高壓系統的操作安全。

　　在工業設備安全停機檢測方面，本文對比了以SICK為 代表的電壓檢測法和以SCHMERSAL、PILZ為代表的頻率檢 測法。電壓檢測方式結構簡單，適用于傳統電機回路;而頻 率檢測方式則借助雙傳感器與帶缺口轉盤結構，通過分析傳 感器輸出頻率變化與相位關系，能夠更精確地識別電機是否 靜止，特別適合高慣性或變頻驅動的復雜場景。綜合分析表 明，在復雜工業系統或新能源汽車領域，安全檢測技術的精 度與實時性對系統整體運行穩定性具有決定性意義。在未來 相關系統設計中，應根據實際工況合理選型，結合電壓、頻 率等多維度信號，實現多層級的冗余安全防護，進一步保障 設備與人員的操作安全。