CN104793538B - 一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统 - Google Patents

一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，其特征在于：包括单片机、HVIL监测电路、终端电阻R、电池包内部高压互锁开关K1及电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3、油泵控制器高压互锁开关K4；单片机分别与HVIL监测电路、电脑监控层、通信网络层双向电连接；所述HVIL监测电路的输出端连接终端电阻R，所述HVIL监测电路的输入端连接电池包内部高压互锁开关K1，终端电阻R与电池包内部高压互锁开关K1之间串联电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4形成回路。本发明的汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，能有效地提高系统的抗干扰性，提高了整车的高压安全监测的可靠性。

Description

一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统
技术领域
本发明涉及一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统。
背景技术
近几年来，随着新能源汽车的快速发展，新能源汽车的安全性能研究越来越引起人们的关注，新能源汽车的安全性能也越来越接近传统车辆。混合动力汽车(HEV)的结构有别于传统汽车，因此混合动力汽车(HEV)的安全性明显的有别于传统汽车，混合动力汽车(HEV)的安全性主要包括三个方面：结构安全，高压安全和化学安全。HEV车辆的设计必须满足GB/T19751—2005《混合动力电动汽车安全要求》和GB/T18384《电动汽车安全要求》的要求。目前实现混合动力汽车的高压安全主要是采用高压互锁回路(HighVoltageInterlock， HVIL)来设计高压回路安全监控系统，以此来监控整个HEV车辆的高压回路安全。
传统的HVIL监测电路是单路信号传输来监控整车高压互锁开关，通常由单片机IO口输出一个脉冲信号，通过驱动电路放大后与外部高压互锁开关进行串联，最后输出脉冲信号反馈到单片机中，通过单片机进行高压互锁开关状态和故障信息判断；由于整车环境是一个非线性、强耦合的环境，噪声大，共模干扰信号强，单路脉冲信号在传输过程中由于串接的外部开关较多，传输线路长，非常容易受到共模干扰而导致信号失真，这样的失真信号在反馈至单片机时，容易造成单片机的误判断和误处理，因此给高压安全检测的可靠性带来严重隐患。
发明内容
本发明旨在提供一种更为安全可靠的汽车用混合动力电池高压互锁监控系统。
本发明通过以下方案实现：
一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，包括单片机、HVIL监测电路、终端电阻R、电池包内部高压互锁开关K1及电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3、油泵控制器高压互锁开关K4；单片机分别与HVIL 监测电路、电脑监控层(PC Monitor)、通信网络层(CAN网络层)双向电连接；
所述HVIL监测电路分为两路电路：
第一路电路为电阻R1连接PNP三极管Q1的基极，PNP三极管Q1的集电极连接电源，PNP三极管Q1的发射极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极串联电阻R8、R13、R15后连接到比较器CMP的正相输入端，同时二极管 D1的阴极连接电阻R7后接地，电阻R3跨接在PNP三极管Q1的基极和集电极上，电阻R6并接在PNP三极管Q1的集电极和二极管D1的阴极上，电阻R13 和R15之间连接电阻R17后接地；在二极管D1的阴极与电阻R8之间取点作为 HVIL监测电路的输出端HVIL-OUT；
第二路电路为电阻R2连接NPN三极管Q2的基极，NPN三极管Q2的发射极直接接地，NPN三极管Q2的集电极连接电阻R4后连接电源，同时NPN三极管Q2的集电极连接电阻R5后连接NPN三极管Q3的基极，NPN三极管Q3 的集电极串联电阻R11、R12、R14后连接到比较器CMP的反相输入端，NPN 三极管Q3的发射极连接电阻R9后接地，电阻R10并接在NPN三极管Q3的集电极和地之间，电阻R12和R14之间连接电阻R16后连接电源；在NPN三极管Q3的集电极与电阻R11之间取点作为HVIL监测电路的输入端HVIL-IN；
HVIL监测电路的输出端连接终端电阻R，HVIL监测电路的输入端连接电池包内部高压互锁开关K1，终端电阻R与电池包内部高压互锁开关K1之间串联电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4形成回路。
进一步地，为了更好的达到高压互锁监控效果，所述终端电阻R的阻值为 120Ω～200Ω，电阻R1、R2、R5的阻值为1KΩ～2.2KΩ，电阻R3、R4、R10的阻值为15KΩ～30KΩ，电阻R6、R8、R11的阻值为8.2KΩ～12KΩ；电阻R7的阻值为20KΩ；电阻R9阻值为15Ω～40Ω，电阻R12、R13、R14、R15的阻值为4.7KΩ～6.8KΩ，电阻R16、R17的阻值为82KΩ～100KΩ。
进一步地，所述电源的标称电压为5V。
本发明的汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，单片机通过内部定时器通道输出端PWM-OUT输出固定频率、固定占空比的脉冲调制波信号，接到 HVIL监测电路中，分别经HVIL监测电路中的两路电路处理，第一路电路得到从HVIL监测电路的输出端HVIL-OUT输出的信号，第二路电路得到从HVIL 监测电路的输入端HVIL-IN输入的信号，输出端HVIL-OUT输出的信号经过终端电阻R、电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4、电池包内部高压互锁开关K1后输入HVIL监测电路的输入端HVIL-IN，之后输出端HVIL-OUT输出的信号经电阻R8、R13、R15 后、输入端HVIL-IN输入的信号经电阻R11、R12、R14后均经过HVIL监测电路的比较器进行处理，并反馈至单片机内部定时器通道输入端PWM-IN，转化成一定频率、一定占空比的脉冲调制波信号，最后单片机对反馈回来的信号进行监测，如PWM-OUT和PWM-IN得到一样频率、占空比、电压幅值的波形，则判定高压互锁开关正常，如波形不一样则为开关出现故障；同时单片机将监测到的开关状态和故障信息通过电脑监控层PC Monitor进行故障信息监视，同时将故障码和状态信息通过CAN线上传到整车通信网络层，供整车其他系统进行联锁控制；电池包内的单片机监测到HVIL故障信息后，控制高压继电器，切断高压电源，并提示维修技术员在维修时进行安全防范。
汽车整车内部噪声干扰非常大，如果不采取噪声抑制措施，很容易造成传输信号失真而造成误判，严重时造成系统无法工作。本发明的汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，HVIL监测电路将单路传输的信号转换成差分传输的信号，能有效地提高系统的抗干扰性，尤其是抑制共模干扰，同时通过控制终端电阻的阻值，实现多路外部开关的串联，从而实现整车的高压互锁开关的监测，极大地提高了整车的高压安全监测的可靠性。
附图说明
图1：汽车用混合动力电池高压互锁监控系统的结构示意图
图2：HVIL监测电路的电路原理图
图3：单片机输出端、输入端及HVIL监测电路输出端、输入端的信号波形图
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，如图1所示，包括单片机、 HVIL监测电路、终端电阻R、电池包内部高压互锁开关K1及电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3、油泵控制器高压互锁开关K4；单片机分别与HVIL监测电路、电脑监控层、通信网络层双向电连接；
如图2所示，HVIL监测电路分为两路电路：
第一路电路为电阻R1连接PNP三极管Q1的基极，PNP三极管Q1的集电极连接标称电压为5V的电源，PNP三极管Q1的发射极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极串联电阻R8、R13、R15后连接到比较器CMP的正相输入端，同时二极管D1的阴极连接电阻R7后接地，电阻R3跨接在PNP三极管Q1的基极和集电极上，电阻R6并接在PNP三极管Q1的集电极和二极管D1的阴极上，电阻R13和R15之间连接电阻R17后接地；在二极管D1的阴极与电阻R8 之间取点作为HVIL监测电路的输出端HVIL-OUT；
第二路电路为电阻R2连接NPN三极管Q2的基极，NPN三极管Q2的发射极直接接地，NPN三极管Q2的集电极连接电阻R4后连接标称电压为5V的电源，同时NPN三极管Q2的集电极连接电阻R5后连接NPN三极管Q3的基极， NPN三极管Q3的集电极串联电阻R11、R12、R14后连接到比较器CMP的反相输入端，NPN三极管Q3的发射极连接电阻R9后接地，电阻R10并接在NPN 三极管Q3的集电极和地之间，电阻R12和R14之间连接电阻R16后连接标称电压为5V的电源；在NPN三极管Q3的集电极与电阻R11之间取点作为HVIL 监测电路的输入端HVIL-IN；
HVIL监测电路的输出端连接终端电阻R，HVIL监测电路的输入端连接电池包内部高压互锁开关K1，终端电阻R与电池包内部高压互锁开关K1之间串联电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4形成回路。
其中，终端电阻R的阻值为120Ω～200Ω，电阻R1、R2、R5的阻值为1KΩ～ 2.2KΩ，电阻R3、R4、R10的阻值为15KΩ～30KΩ，电阻R6、R7、R8、R11 的阻值为8.2KΩ～20KΩ；电阻R9阻值为15Ω～40Ω，电阻R12、R13、R14、 R15的阻值为4.7KΩ～6.8KΩ，电阻R16、R17的阻值为82KΩ～100KΩ。
单片机通过内部定时器通道输出端PWM-OUT输出固定频率、固定占空比的脉冲调制波信号，接到HVIL监测电路中，分别经HVIL监测电路中的两路电路处理，第一路电路得到从HVIL监测电路的输出端HVIL-OUT输出的信号，第二路电路得到从HVIL监测电路的输入端HVIL-IN输入的信号，输出端 HVIL-OUT输出的信号经过终端电阻R、电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4、电池包内部高压互锁开关K1后输入HVIL监测电路的输入端HVIL-IN，之后输出端HVIL-OUT输出的信号经电阻R8、R13、R15后、输入端HVIL-IN输入的信号经电阻R11、R12、 R14后均经过HVIL监测电路的比较器进行处理，并反馈至单片机内部定时器通道输入端PWM-IN，转化成一定频率、一定占空比的脉冲调制波信号，最后单片机对反馈回来的信号进行监测，如PWM-OUT和PWM-IN得到一样频率、占空比、电压幅值的波形，则判定高压互锁开关正常，如波形不一样则为开关出现故障；同时单片机将监测到的开关状态和故障信息通过电脑监控层PC Monitor 进行故障信息监视，同时将故障码和状态信息通过CAN线上传到整车通信网络层，供整车其他系统进行联锁控制；电池包内的单片机监测到HVIL故障信息后，控制高压继电器，切断高压电源，并提示维修技术员在维修时进行安全防范。
下面以具体参数来说明本发明系统的工作方式：
单片机内部定时器输出端PWM-OUT输出电压幅值为0-5V，频率为100HZ，占空比为50％的脉冲调制波信号，分别经HVIL监测电路中的两路电路处理，设定电池包内部高压互锁开关K1、电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4均闭合，其中：电阻R为180Ω， R6为10KΩ，R10为20KΩ，R7为20KΩ，R17为100KΩ，R8为10KΩ，R13 为5.1KΩ，R11为10KΩ、R12为5.1KΩ、R16为100KΩ。
(1)在PWM-OUT输出的脉冲调制波信号为高电压(5V)期间：
第一电路中，PNP三极管Q1不导通；第二电路中，NPN三极管Q2饱和导通，NPN三极管Q3不导通，此时5V电源、R6、R7、R、R10组成电压回路，设HVIL-OUT处的电压为V1，HVIL-IN处的电压为V2，R与R10串联后再与 R7并联的等效电阻为Rs，则
Rs＝((R+R10)×R7)/((R+R10)+R7)
＝((20+0.18)×20)/((20+0.18)+20)≈10.04K；
Rs与R6进行分压，那么得到：
V1＝5×Rs/(Rs+R6)＝5×10.04/(10.04+10)≈2.505Vt
V2＝V1×R10/(R10+R)＝2.505×20/20.18≈2.48Vt
设比较器正向输入端的电压为V3，则
V3＝V1×R17/(R17+R8+R13)＝2.505×100/(100+10+5.1)≈2.17V；
设比较器反向输入端的电压为V4，则
V4＝V2×(R12+R11)/(R16+R12+R11)+V2
＝2.48×(5.1+10)/(100+5.1+10)+2.48≈2.81V
因为V3＜V4，即比较器正向输入端电压小于反向输入端电压，则比较器反馈至单片机输入端PWM-IN的信号为低电压(0V)；
(2)在PWM-OUT输出的脉冲调制波信号为为低电压(0V)期间：
第一路电路中，PNP三极管Q1饱和导通；第二路电路中，NPN三极管Q2不导通，NPN三极管Q3饱和导通；因此HVIL-OUT处的电压V1为5V电源电压减去Q1饱和导通集电极和发射极的电压约0.1V，再减去二极管D1导通电压约 0.7V，则V1＝5-0.1-0.7≈4.2V；
HVIL-OUT处的电压V1通过R、R10、NPN三极管Q3后，Q3饱和导通电压约0.2V，则在HVIL-IN处的电压V2为：
V2＝V1×R10/(R10+R)+Q3饱和导通电压＝4.2×20/200+0.2≈0.6Vt
比较器正向输入端的电压V3为：
V3＝V1×R17/(R17+R8+R13)-4.2×100/(100+10+5.1)≈3.64V
比较器反向输入端的电压V4为：
V4＝V2×(R12+R11)/(R16+R12+R11)+V2
＝0.6×(5.1+10)/(100+5.1+10)+0.6≈0.68V；
因为V3＞V4，即比较器正向输入端电压大于负向输入端电压，因此反馈至单片机输入端PWM-IN的信号为高电压(5V)；
通过上述(1)和(2)的分析，当单片机内部定时器输出端PWM-OUT输出电压幅值为0-5V，频率为100Hz，占空比为50％的连续脉冲调制波波形时，在HVIL-OUT处就会形成频率为100Hz，电压V1幅值约为2.5V～4.2V，占空比为50％的连续脉冲调制波波形；在HVIL-IN处形成频率为100Hz，电压V2 幅值约为0.6V～2.5V，占空比为50％的连续脉冲调制波波形；单片机输入端 PWM-IN的输入电压幅值为0-5V，频率为100Hz，占空比为50％的连续脉冲调制波波形，各波形图如图3所示。
单片机将上述输出端PWM-OUT输出的脉冲调制波波形和输入端PWM-IN 输入的脉冲调制波波形进行对比，两者的频率、占空比、电压幅值均相同，判断高压互锁开关正常，并将相应信息传输至电脑监控层及通信网络层。

Claims (3)

1.一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，其特征在于：包括单片机、HVIL监测电路、终端电阻R、电池包内部高压互锁开关K1及电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3、油泵控制器高压互锁开关K4；单片机分别与HVIL监测电路、电脑监控层、通信网络层双向电连接；
所述HVIL监测电路分为两路电路：
第一路电路为电阻R1连接PNP三极管Q1的基极，PNP三极管Q1的集电极连接电源，PNP三极管Q1的发射极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极串联电阻R8、R13、R15后连接到比较器CMP的正相输入端，同时二极管D1的阴极连接电阻R7后接地，电阻R3跨接在PNP三极管Q1的基极和集电极上，电阻R6并接在PNP三极管Q1的集电极和二极管D1的阴极上，电阻R13和R15之间连接电阻R17后接地；在二极管D1的阴极与电阻R8之间取点作为HVIL监测电路的输出端；
第二路电路为电阻R2连接NPN三极管Q2的基极，NPN三极管Q2的发射极直接接地，NPN三极管Q2的集电极连接电阻R4后连接电源，同时NPN三极管Q2的集电极连接电阻R5后连接NPN三极管Q3的基极，NPN三极管Q3的集电极串联电阻R11、R12、R14后连接到比较器CMP的反相输入端，NPN三极管Q3的发射极连接电阻R9后接地，电阻R10并接在NPN三极管Q3的集电极和地之间，电阻R12和R14之间连接电阻R16后连接电源；在NPN三极管Q3的集电极与电阻R11之间取点作为HVIL监测电路的输入端；
所述HVIL监测电路的输出端连接终端电阻R，所述HVIL监测电路的输入端连接电池包内部高压互锁开关K1，终端电阻R与电池包内部高压互锁开关K1之间串联电机控制器高压互锁开关K2、整车控制器高压互锁开关K3和油泵控制器高压互锁开关K4形成回路。
2.如权利要求1所述的一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，其特征在于：所述终端电阻R的阻值为120Ω～200Ω，电阻R1、R2、R5的阻值为1KΩ～2.2KΩ，电阻R3、R4、R10的阻值为15KΩ～30KΩ，电阻R6、R8、R11的阻值为8.2KΩ～12KΩ；电阻R7的阻值为20KΩ；电阻R9阻值为15Ω～40Ω，电阻R12、R13、R14、R15的阻值为4.7KΩ～6.8KΩ，电阻R16、R17的阻值为82KΩ～100KΩ。
3.如权利要求1或2所述的一种汽车用混合动力电池高压互锁监控系统，其特征在于：所述电源的标称电压为5V。
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