CN102419573A - 一种电动汽车高压电安全控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车高压电安全控制器，包括壳体、电路板，所述的电路板设在壳体中，所述的电路板包括单片机、电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路，所述的单片机分别与电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路连接。与现有技术相比，本发明具有集成度高、结构紧凑体积小、重量轻、功能全面可靠且工程化程度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车控制器，尤其是涉及一种电动汽车高压电安全控制器。
背景技术
能源危机和环境污染的加剧，使得电动汽车技术在1990年前后又引起许多发达国家的高度重视，我国从“九五”计划开始也进行了电动汽车关键技术的研究。电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车，从而达到节能减排的目的。驱动电动汽车的电力常见的有各种蓄电池，燃料电池、太阳能电池等。常见的分类方法是把电动汽车分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力电动汽车。
电动汽车的动力电电压可高达300V以上，设计安全合理的保护措施，是确保驾乘人员和车辆设备安全运行的关键。国际标准化组织和美国、欧洲、日本等都先后成立了开展电动车辆标准研究和制定工作的标准化组织和机构，相继发布了若干电动车辆的技术标准，对电动车辆的高压电安全及控制制定了较为严格的标准和要求，并规定了高压系统必须具备高压电自动切断装置。为此国内外许多单位开展了电动汽车高压电安全控制系统的研究，可以实现高压电的接通和断开等功能，但大多数的系统存在成本高、功能不全面，结构不紧凑、体积和重量大，可靠性和工程化不高的缺点，不能有效的实现安全保护，同时给整车匹配安装带来不便。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成度高、结构紧凑体积小、重量轻、功能全面可靠且工程化程度高的电动汽车高压电安全控制器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，包括壳体、电路板，所述的电路板设在壳体中，所述的电路板包括单片机、电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路，所述的单片机分别与电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路连接。
所述的电源模块输入端与24V蓄电池连接，输出端分别与CAN总线、单片机、传感器连接。
所述的A/D模拟信号调理电路包括尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块，所述的尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块依次连接，所述的A/D模拟信号调理电路采集高压蓄电池输入电压信号和电机输入电压信号、HVIL检测电压信号，并将这些信号通过单片机的ATD接口输入到单片机中。
所述的CAN总线预处理电路包括CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路，所述的CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路依次连接。
所述的数字输出处理电路的输入端通过PORT接口与单片机连接，输出端分别与电源正端高压继电器、电源负端高压继电器、预充电继电器、状态线、故障指示灯连接。
所述的数字输入处理电路采集高压唤醒信号、高压命令信号、电源正端高压继电器检测信号、电源负端高压继电器检测信号、预充电检测信号、HVIL检测控制信号，并将这些信号通过单片机PORT接口输入到单片机中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、设计的高压电安全控制器功能全面、集成度高。基于CAN总线和线控技术，以智能化双核单片机为核心，通过丰富的功能模块实现了电动汽车的高压电安全控制。该控制器与整车控制器通过CAN总线进行信息和指令交互控制，也可以通过状态线与整车控制器进行信息交互控制；
2、可实时动态监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的预充电状态，保证整车系统动力电能安全可靠的传输；
3、随时动态检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障和高压环路故障等，在发现异常状况后能立即通过CAN总线或状态线输出故障状态并做出相应的动作，在危险的情况下能自动切断高压电的输出。同时通过CAN总线输出自行分析的诊断结果和高压系统状态信息、响应过程和执行情况；
4、通过MOS管控制高压继电器的接通和断开，在接通高压系统时首先执行预充电过程，并输出预充电过程的执行结果；在断开高压系统是保证断开控制响应时间＜20ms，同时具有手工断开高压系统接触器的功能，确保人身安全；
5、CAN总线采用光电隔离和电磁滤波电路设计，同时终端电阻可软件匹配，抗干扰能力强，匹配灵活性高。实现基于CCP、J1939和ISO15765稳定可靠的标定、通讯和诊断以及整车EOL功能。
6、电源电路具有短路自动停止和恢复、自诊断保护功能，电源适应性宽广，可在9～36VDC下正常工作；同时根据混合动力电磁干扰强的特点，进行了专门的EMC技术设计，使得整个系统可靠性强，工作稳定。
7、控制器结构紧凑、体积小、重量轻；采用阻燃工程塑料，提高控制器的绝缘特性，同时降低成本。
8、控制器主要由以下部件组成：即上盖板、下盖板、接插件、专用螺栓组成，其中接插件通过专用螺栓连接到上盖板1上；上盖板与下盖板通过四个标准螺栓连接，安装简单、方便。
9、在上盖板设计时考虑到安装牢固和安装方向，采用了防错设计，在控制器一侧设计了两个安装孔，在另外一侧设计了一个安装孔；安装孔采用嵌入铜套保证安装可靠。
10、在上盖板设计时还采用了专门设计的全密封结构，这样可以保证外部的油、水等不进入控制器内部。
11、上盖板设计时为了加强盖板的强度，内部设计了专门的加强筋结构，保证控制器的良好的抗冲击和抗挤压强度。
12、进行上盖板的工程化和可靠性优化设计，在各个结合面过渡处采用圆弧和斜面相结合的多层次结构，提高了控制器的强度和美观感。
附图说明
图1为本发明的混合动力高压线路示意图；
图2为本发明的电路板结构示意图；
图3为本发明的A/D模拟信号调理电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
基于CAN总线和线控技术，根据电动汽车的工作特点，采用模块化设计方法，设计了本发明的高压电安全控制器。该控制器与整车控制器通过CAN总线或状态线进行信息和指令交互控制，可实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的接通过程，保证整车系统动力电能安全可靠的传输；并随时检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障和高压环路故障等，在发现异常状况后能立即通过CAN总线或状态线输出故障状态并做出相应的动作，在危险的情况下能自动切断高压电的输出。同时通过CAN总线输出自行分析的诊断结果和高压系统状态信息、响应过程和执行情况。
如图2所示，一种电动汽车高压电安全控制器，包括壳体、电路板，所述的电路板设在壳体中，所述的电路板包括单片机1、电源模块2、A/D模拟信号调理电路3、CAN总线预处理电路4、数字输出处理电路5、数字输入处理电路6，所述的单片机1分别与电源模块2、A/D模拟信号调理电路3、CAN总线预处理电路4、数字输出处理电路5、数字输入处理电路6连接。
单片机1模块集成度高，智能化的双核CPU可提供丰富的指令系统，具有强大的数值运算和逻辑运算能力；通过大容量的FLASH存储器在线编程，并充分利用低功耗晶振、复位控制、看门狗及实时中断等功能和优化配置实现了系统的实时控制和可靠运行。
所述的电源模块2输入端与24V蓄电池连接，输出端分别与CAN总线、单片机、传感器连接。电源模块负责电路板整个系统供电，具有防短路自动停止和恢复功能。该模块对整车24V电源进行处理，形成高压电安全控制器中单片机1、CAN总线、传感器、放大器参考电源等工作电源。
如图3所示，所述的A/D模拟信号调理电路3包括尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块，所述的尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块依次连接，所述的A/D模拟信号调理电路3采集高压蓄电池输入电压信号和电机输入电压信号、HVIL检测电压信号，并将这些信号通过单片机的ATD接口输入到单片机中。电动汽车动力电压一般高达300V～450V，为避免高压和大电流进入高压继电器电路板对元器件造成冲击，串入4M的电阻对其进行分流，并根据放大器的输入特性匹配适当电阻对其进行分压，这样进入放大器的电流仅有数百微安，分压匹配后放大器输出电压如公式所示：Vout1＝BATV*(40k/(4M+40K))，其中Vout1为放大器输出端电压，BATV为动力蓄电池电压，Vout1经过RC滤波后直接送入CPU的A/D口，由底层软件进行处理和还原。
所述的CAN总线预处理电路4包括CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路，所述的CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路依次连接。所述的CAN总线预处理电路4对单片机的CAN接口进行抗干扰性能处理，采用隔离5V电源，由CAN处理芯片82C250和TLE6250负责CAN通信的信息控制，通过光耦进行和CPU之间的隔离，并通过滤波电路等增强CAN信息输出的稳定性。CAN总线终端电阻可软件配置。实现基于CCP、J1939和ISO15765稳定可靠的程序烧写、标定、通讯和诊断以及整车EOL功能。
所述的数字输出处理电路5的输入端通过PORT接口与单片机连接，输出端分别与电源正端高压继电器、电源负端高压继电器、预充电继电器、状态线、故障指示灯连接。正常的高压接通过程中，为避免瞬间接通高压对电机电容及逆变器造成冲击，首先需要进行高压线路预充电的过程，如图1中所示，接通预充电继电器C2及负端高压继电器C3，用预充电回路中的小电流给电机M电容充电，一旦充电达到线路接通要求(一般控制电容电压超过90％蓄电池电压)，断开预充电继电器C2，接通正端高压继电器C1，接通高压回路，其中R为预充电电阻。
本发明的预充电、高压接通和断开控制通过状态线控制模式和CAN命令控制模式进行，这两种模式下均采用高压唤醒命令和高压命令两个信号来判断来自整车控制器的指令，不同的是两种模式下信号的来源不一样，状态线控制模式下信号来自于控制器引脚的24V开关信号；CAN命令模式下信号来自于CAN网络。然后通过内部电路的MOS管控制继电器线圈的通断，从而达到控制高压回路及预充电回路的接通与断开。MOS管的控制信号来自于CPU的I/O口PA6、PA0以及PA3，串入2k的电阻是为了防止电流过大对CPU造成反向冲击，其中PA6通过驱动放大电路控制预充电继电器的开闭，PA0通过驱动放大电路控制正端高压继电器的开闭，PA3通过驱动放大电路控制负端高压继电器的开闭，继电器通断动作及时间由系统软件控制。为了保持MOS管工作状态的稳定性，我们增加了100k的下拉电阻。为了放置继电器关断时的反向电压冲击，我们在线圈两端增加了续流二极管吸收其反向瞬态高压。高压断开包括指令断开和故障断开两种模式。状态线控制主要是为了CAN网络失灵或调试时通过模拟电平信号控制高压模块正常工作，通过引入整车控制器发出的高压唤醒和高压命令模拟信号代替CAN网络传输的高压控制命令。同时，通过OA、OB、OC将高压安全控制器本身采集到的高压状态返回给整车控制器，以与整车控制器进行信息交互和控制。在任一种模式下高压断开的操作时间都小于20ms，以保证整车及人员的人生安全。
所述的数字输入处理电路采集高压唤醒信号、高压命令信号、电源正端高压继电器检测信号、电源负端高压继电器检测信号、预充电检测信号、HVIL检测控制信号，并将这些信号通过单片机PORT接口输入到单片机中。通过这些对接地故障、绝缘故障、环路故障、继电器线圈故障、预充电故障、高压故障、低压故障等检测和诊断，并检测预充电、高压结合、高压断开等状态。接地故障主要是检测电源地线是否有松动或断开现象，通过引入地线的模拟电平检测，来判断是否存在接地故障；绝缘故障主要是判断高压回路正端或负端对地有无漏电现象，通过检测蓄电池正端对地电压以及负端对地电压值，输入软件模型判断蓄电池正极和负极的值是否处于正常范围之内，从而判断是否存在漏电现象。环路故障主要是检测各种接插件的连接是否良好，通过专用的线路将所有的高压连接件串接在一起形成环路，由高压电安全控制器的参考电源送出一个近似100mA的恒电流源，滤波后送入CPU的A/D口。通过返回电平高低判断接插件环路是否存在断开或松动现象。通过特定的电阻将继电器线圈的控制端电平信号引入CPU进行检测，可判断此时继电器电源是否连接正确，同时可检测继电器是否导通。
本发明进行了专门的EMC技术设计，从电路原理设计、系统集成、元器件筛选与匹配、PCB设计与制作、系统热干扰设计等方面综合考虑，采用传统抑制干扰的技术和简单而巧妙的“回避与疏导”技术处理，将以上各电路模块高度集成在多层PCB板上，结构紧凑，在复杂的电动汽车电磁场环境下，抗干扰能力强，性能稳定可靠。
控制器而壳体总成主要含接插件、上盖板、下盖板等组成。接插件与内部电路板连接并通过螺钉固定上盖板上；上盖板和下盖板之间设计有专门密封结构。控制器上盖板设计时考虑到安装牢固和安装方向，采用了防错设计，在控制器一侧设计了两个安装孔，在另外一侧设计了一个安装孔。安装孔采用嵌入铜套保证安装可靠。
根据接插件的特点在上盖板设计了专用密封带和结构，保证防水、防尘性能。为了满足汽车行驶的振动要求，对元器件等的焊接和固定工艺进行了特殊处理。
整个控制器壳体采用专门的阻燃塑料，具有强度高、重量轻的优点。
Claims (6)
1.一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，包括壳体、电路板，所述的电路板设在壳体中，所述的电路板包括单片机、电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路，所述的单片机分别与电源模块、A/D模拟信号调理电路、CAN总线预处理电路、数字输出处理电路、数字输入处理电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，所述的电源模块输入端与24V蓄电池连接，输出端分别与CAN总线、单片机、传感器连接。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，所述的A/D模拟信号调理电路包括尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块，所述的尖峰与杂波处理模块、滤波与防抖动处理模块、分压处理模块依次连接，所述的A/D模拟信号调理电路采集高压蓄电池输入电压信号和电机输入电压信号、HVIL检测电压信号，并将这些信号通过单片机的ATD接口输入到单片机中。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，所述的CAN总线预处理电路包括CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路，所述的CAN收发电路、光电隔离电路、电池滤波电路依次连接。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，所述的数字输出处理电路的输入端通过PORT接口与单片机连接，输出端分别与电源正端高压继电器、电源负端高压继电器、预充电继电器、状态线、故障指示灯连接。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车高压电安全控制器，其特征在于，所述的数字输入处理电路采集高压唤醒信号、高压命令信号、电源正端高压继电器检测信号、电源负端高压继电器检测信号、预充电检测信号、HVIL检测控制信号，并将这些信号通过单片机PORT接口输入到单片机中。
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