CN104237624A - 一种电动汽车直流高压传感器及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车直流高压传感器，包括连接在动力电池组正负极之间的高压分压电阻网络，还包括减法电路、ADC转换器、磁电信号隔离转换器、微处理器、DAC转换器和电压跟随器，所述高压分压电阻网络的输出端通过减法电路与ADC转换器的输入端连接，所述ADC转换器通过磁电信号隔离转换器与微处理器交互式信号连接，所述微处理器的输出端通过DAC转换器与电压跟随器的输入端连接。本发明还提供一种电动汽车直流高压传感器的采样方法。本发明具有电路结构简单可靠、成本低廉、采样精度高等优势。

Description

一种电动汽车直流高压传感器及其采样方法

技术领域

本发明涉及电动汽车控制技术领域，具体是一种电动汽车直流高压传感器及其采样方法。

背景技术

电动汽车的快速发展带来了动力电池的广泛应用，为了保障动力电池的安全运行，需要对其各种参数如温度、电压、电流、SOC等进行检测或监控，其中，动力电池的电压是一个非常重要的参数，控制系统需要检测当前的母线电压变化，适时做出各种动作或调整参数。

图1给出了现有动力电池组总电压检测电路的一种示例，在动力电池组的正端子与负端子之间连接有高电阻R1、电阻R2和电阻R3，利用电阻R1、电阻R2和电阻R3对动力电池组的总电压进行分压，再利用差分仪表放大器U1和隔离运放U2，生成隔离的采样电压，供后端ADC采样电路进行采样。

图1所示的方案，需要采用差分仪表放大器和隔离运放将电压信号传输至后端采样点，差分仪表放大器和隔离运放的成本较高，而且需要多路正负电源给隔离运放供电。此外，为了分压到ADC采样电路能够测定的电压，必须利用高电阻增大分压比，该情况下，总电压检测端子中流动的电流较小，为了确保总电压检测端子接点的可靠性，需要使用高成本的接线端子；而且，由于分压值较低，且检测点靠近地端，高压线路中工作电流引起的地噪声较大，即使采用高精度放大器，地噪声也随之被放大，检测效果较差。

图2给出了现有动力电池组总电压检测电路的另一种示例，该方案需要在所述电路的第二电阻R2及第三电阻R3的连接点赋予恒定电位，再通过一个微处理器分别采集中间点恒定电压、差动放大电路的输出电压、第一电阻R1与第二电阻R2之间的电压、第三电阻R3与第四电阻R4之间的电压。

图2所示的方案，不仅需要多个ADC采集通道进行电压检测，而且需要微处理器控制检测开关K1、K2接通或断开，当检测开关接通时，会将高压电路与检测电路接通，使高压电路通过中间电阻网络与地之间形成回路，由于检测电路的地与车架相连接，将影响整车的绝缘性，从而降低整车安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、性能可靠、成本低廉、采样精度高的电动汽车直流高压传感器及其采样方法。

本发明的技术方案为：

一种电动汽车直流高压传感器，包括连接在动力电池组正负极之间的高压分压电阻网络，还包括减法电路、ADC转换器、磁电信号隔离转换器、微处理器、DAC转换器和电压跟随器，所述高压分压电阻网络的输出端通过减法电路与ADC转换器的输入端连接，所述ADC转换器通过磁电信号隔离转换器与微处理器交互式信号连接，所述微处理器的输出端通过DAC转换器与电压跟随器的输入端连接；

所述高压分压电阻网路由奇数个阻值相同的电阻串接而成，所述减法电路并接在高压分压电阻网路的中间电阻两端，对加载在中间电阻上的电压进行采样，并将采样电压按比例缩小后输入ADC转换器。

所述的电动汽车直流高压传感器，所述减法电路包括比例运算放大器芯片，所述比例运算放大器芯片的反相输入端通过第一电阻连接中间电阻的电流输入端，其同相输入端通过第二电阻连接中间电阻的电流输出端，其输出端通过串接的第三电阻和第四电阻接地，所述第三电阻与第四电阻之间的节点连接ADC转换器的输入端；

所述比例运算放大器芯片的反相输入端与第一电阻之间的节点通过第五电阻连接比例运算放大器芯片的输出端与第三电阻之间的节点：所述比例运算放大器芯片的同相输入端与第二电阻之间的节点通过第六电阻接地；所述第一电阻与第二电阻具有相同的阻值，所述第五电阻与第六电阻具有相同的阻值，所述第一电阻的阻值大于第五电阻的阻值。

所述的电动汽车直流高压传感器，还包括CAN通讯接口，所述CAN通讯接口与微处理器交互式信号连接。

所述的电动汽车直流高压传感器，还包括隔离电源，所述隔离电源为减法电路、ADC转换器和磁电信号隔离转换器提供工作电源。

所述的电动汽车直流高压传感器，所述第四电阻、第五电阻和第六电阻的两端均并接有滤波电容。

所述的电动汽车直流高压传感器，所述第一电阻的阻值是第五电阻的阻值的整数倍。

所述的一种电动汽车直流高压传感器的采样方法，包括以下步骤：

(1)由奇数个阻值相同的电阻串接而成的高压分压电阻网络并接在被测动力电池组的正负极之间，对被测动力电池组的电压进行分压；

(2)减法电路对加载在高压分压电阻网络的中间电阻上的电压进行采样，并将采样电压按比例缩小，得到变化范围为0～5V的直流电压；

(3)ADC转换器将减法电路输出的直流电压转换成数字电压信号，该数字电压信号经由磁电信号隔离转换器隔离后输入微处理器；

(4)微处理器通过其内部或外部的DAC转换器将接收到的数字电压信号按比例还原成变化范围为0～5V的直流电压。

所述的电动汽车直流高压传感器的采样方法，还包括：微处理器通过CAN通讯接口将接收到的数字电压信号发送到整车CAN网络。

由上述技术方案可知，本发明采用中间电阻分压的方式，取得直流母线电压的部分电压，再将该电压按比例缩小后，通过ADC转换器将该电压转换成数字电压信号，并通过磁电信号隔离转换器进行隔离，保障了低压部分电路的安全；微处理器将采集到的数字电压信号通过其内部或外部的DAC转换器按比例还原，得到变化范围在0～5V之间的直流电压，该电压值反映了当前母线电压的变化。本发明与现有技术方案相比，省去了多路ADC采集单元以及价格昂贵的隔离运放，采用一个极其简单的运放电路即可实现采样电压的获取，避免了地噪声对采样信号的干扰，且采样与控制电路完全隔离，不会影响整车的绝缘性能，具有电路结构简单可靠、成本低廉、采样精度高等优势。

附图说明

图1是现有方案对地分压检测示意图；

图2是现有方案中间多路分压检测示意图；

图3是本发明具体实施例的结构示意图；

图4是本发明的电压采集及信号调理示意图；

图5是本发明的信号转换及传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图3所示，一种电动汽车直流高压传感器，包括高压分压电阻网络1、减法电路2、ADC转换器3、磁电信号隔离转换器4、微处理器5、DAC转换器6、电压跟随器7、CAN通讯接口8和隔离电源9。高压分压电阻网络1的输出端连接减法电路2的输入端，减法电路2的输出端连接ADC转换器3的输入端，ADC转换器3与磁电信号隔离转换器4交互式信号连接，磁电信号隔离转换器4与微处理器5交互式信号连接，微处理器5的输出端与DAC转换器6的输入端连接，DAC转换器6的输出端与电压跟随器7的输入端连接，微处理器5与CAN通讯接口8交互式信号连接；隔离电源9为减法电路2、ADC转换器3和磁电信号隔离转换器4提供工作电源。

如图4所示，高压分压电阻网络1由五个阻值完全相同的电阻R1、R2、R3、R4和R5串联而成，连接在动力电池组BT的正极与负极之间，电阻R3为高压分压电阻网络1的中间电阻，由于各个电阻的阻值相同，每个电阻上的分压是完全相同的，在电阻R3的两端连接有一个由减法电路2组成的取样电路。减法电路2包括比例运算放大器芯片U1，比例运算放大器芯片U1的同相输入端通过电阻R7连接到电阻R3的电流输出端，其反相输入端通过电阻R6连接到电阻R3的电流输入端，其输出端通过串接的电阻R10和R11接地，电阻R7与比例运算放大器芯片U1的同相输入端之间的节点通过并接的电阻R9和电容C1接地，电阻R6与比例运算放大器芯片U1的反相输入端之间的节点通过并接的电阻R8和电容C2连接比例运算放大器芯片U1的输出端与电阻R10之间的节点，电阻R11两端并接有电容C3，电阻R10与电阻R11之间的节点连接到ADC转换器3的输入端。

在这个电路中，电阻R6与电阻R7阻值相同，电阻R8与电阻R9阻值相同，且电阻R6的阻值大于电阻R8的阻值，本实施例中，为提供测量精度，假设电阻R6的阻值是电阻R8的阻值的整数倍，此时，在电阻R3的两端，相对于高压的地端，会形成两个电压V1、V2，经过比例运算放大器芯片U1之后，其输出电压Vo为V1、V2之差与比例运算放大器芯片U1的放大倍数的乘积，即：

Vo-(V1-V2)*(R8/R6)

比例运算放大器芯片U1的输出电压Vo经电阻R10和R11进行分压，电阻R11上的电压Vdc，按电阻R8与电阻R6之间的阻值倍数关系缩小了。合理调整减法电路2的放大倍数，使输出电压Vdc的变化范围在0～5V之间。

如图5所示，ADC转换器3是一个带SPI接口的12Bit的ADC转换器，其SPI接口通过磁电信号隔离转换器4与微处理器5相连。磁电信号隔离转换器4在这里主要起到电气隔离的作用，它将ADC转换器3与微处理器5之间的数字电平信号转换为磁场信号来实现信息传输。磁电信号隔离转换器4高压侧、ADC转换器3及减法电路2的工作电源由隔离电源9提供。隔离电源9及磁电信号隔离转换器4的运用，使高压系统与低压控制端在电气上相互隔离，保障了高压采样与信息处理之间的信号传输。

微处理器5通过其SPI接口读取ADC转换器3输出的数字电压信号，再通过与之相连的DAC转换器6将接收到的数字电压信号转换为一个与之同样变化的模拟电压信号，该模拟电压信号通过电压跟随器7送给后级电路。在具备CAN通讯网络的车辆环境中，可以增加CAN通讯接口8，微处理器8将其接收到的数字电压信号通过CAN总线网络发送给车辆上其它控制节点，实现信息共享。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动汽车直流高压传感器，包括连接在动力电池组正负极之间的高压分压电阻网络，其特征在于：还包括减法电路、ADC转换器、磁电信号隔离转换器、微处理器、DAC转换器和电压跟随器，所述高压分压电阻网络的输出端通过减法电路与ADC转换器的输入端连接，所述ADC转换器通过磁电信号隔离转换器与微处理器交互式信号连接，所述微处理器的输出端通过DAC转换器与电压跟随器的输入端连接；

所述高压分压电阻网路由奇数个阻值相同的电阻串接而成，所述减法电路并接在高压分压电阻网路的中间电阻两端，对加载在中间电阻上的电压进行采样，并将采样电压按比例缩小后输入ADC转换器。

2.根据权利要求1所述的电动汽车直流高压传感器，其特征在于：所述减法电路包括比例运算放大器芯片，所述比例运算放大器芯片的反相输入端通过第一电阻连接中间电阻的电流输入端，其同相输入端通过第二电阻连接中间电阻的电流输出端，其输出端通过串接的第三电阻和第四电阻接地，所述第三电阻与第四电阻之间的节点连接ADC转换器的输入端；

所述比例运算放大器芯片的反相输入端与第一电阻之间的节点通过第五电阻连接比例运算放大器芯片的输出端与第三电阻之间的节点；所述比例运算放大器芯片的同相输入端与第二电阻之间的节点通过第六电阻接地；所述第一电阻与第二电阻具有相同的阻值，所述第五电阻与第六电阻具有相同的阻值，所述第一电阻的阻值大于第五电阻的阻值。

3.根据权利要求1所述的电动汽车直流高压传感器，其特征在于：还包括CAN通讯接口，所述CAN通讯接口与微处理器交互式信号连接。

4.根据权利要求1所述的电动汽车直流高压传感器，其特征在于：还包括隔离电源，所述隔离电源为减法电路、ADC转换器和磁电信号隔离转换器提供工作电源。

5.根据权利要求2所述的电动汽车直流高压传感器，其特征在于：所述第四电阻、第五电阻和第六电阻的两端均并接有滤波电容。

6.根据权利要求2所述的电动汽车直流高压传感器，其特征在于：所述第一电阻的阻值是第五电阻的阻值的整数倍。

7.根据权利要求1所述的一种电动汽车直流高压传感器的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由奇数个阻值相同的电阻串接而成的高压分压电阻网络并接在被测动力电池组的正负极之间，对被测动力电池组的电压进行分压；

(2)减法电路对加载在高压分压电阻网络的中间电阻上的电压进行采样，并将采样电压按比例缩小，得到变化范围为0～5V的直流电压；

(3)ADC转换器将减法电路输出的直流电压转换成数字电压信号，该数字电压信号经由磁电信号隔离转换器隔离后输入微处理器；

(4)微处理器通过其内部或外部的DAC转换器将接收到的数字电压信号按比例还原成变化范围为0～5V的直流电压。

8.根据权利要求7所述的电动汽车直流高压传感器的采样方法，其特征在于，还包括：微处理器通过CAN通讯接口将接收到的数字电压信号发送到整车CAN网络。