CN104999917B - 一种电动汽车电机制动时失效监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车电机制动时失效监测装置，包括数据采集电路，故障监测电路和故障处理电路；所述数据采集电路包括电流传感器和制动压力开关；所述故障检测电路包括运算放大器U2A、电压比较器U5A、与门U3、计数器U4、555定时器A1和D触发器U1B；所述故障处理电路包括光电耦合器U6、三极管Q1、继电器和发光二极管D1组成；本发明可以同时考虑车辆状态与电机状态，对电机失效做出准确，迅速的响应。本发明主要部件采用纯硬件电路、设计简单、可靠性高，安装要求低，而且不需要对车辆进行过多改装，同时由于故障响应阈值可手动调节，提高的装置的可替换性。

Description

一种电动汽车电机制动时失效监测装置

技术领域

本发明属于机动车主动安全技术领域，具体涉及一种电动汽车电机制动时失效监测装置。

背景技术

由于电动汽车的特殊性，使得电动汽车在制动时存在两种制动，一种是普通的机械制动，另一种是电机制动。电机制动即车辆制动时，电机控制器停止向电机输出电流，以使电机停止正向运转，之后电机反转，倒拖车辆进行制动，进一步电机反转的电流可用以电动汽车制动能量回收。当电动汽车制动时，如果电机不能做出正确的响应，即在采取制动措施一定时间后仍有超过允许的电流从电机控制器输出，同时还存在机械制动，就会存在电机有扭矩输出，而制动器需要车轮停止旋转，这会造成电机的堵转，长时间会造成电机损坏。并且当驾驶员停止制动时，由于电机仍有扭矩输出，会使车辆突然蹿出失去控制。

目前，针对电动汽车电机制动时失效保护装置，通常是电机控制器内部进行自行检测，并没有考虑汽车的制动状态，存在一定的片面性，并且由于电机控制器并不是开源的，因此故障阈值不能够人工设定，通用性不高。一旦发生故障，将对车辆，驾驶员及路边群众造成安全威胁。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种电动汽车电机制动时失效监测装置。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种电动汽车电机制动时失效监测装置，包括数据采集电路，故障监测电路和故障处理电路；

所述数据采集电路包括电流传感器和制动压力开关；

所述故障检测电路包括运算放大器U2A、电压比较器U5A、与门U3、计数器U4、555定时器A1和D触发器U1B；其中，电流传感器的信号经过电阻R1接入运算放大器U2A的正端；该信号同时经过电容C2、电阻R2、电阻R3，与运算放大器U2A的输出端相连；在电阻R2与电阻R3相接处引信号与运算放大器U2A的负端相连；运算放大器U2A的输出信号接入电压比较器U5A的负端；5V电源经电阻R13、滑动变阻器R5、电阻R12组成可调的分压电路接入电压比较器U5A的负端；电压比较器U5A的输出信号接入三输入与门U3的第一输入端，同时电压比较器U5A的输出信号通过电阻R6与5V电源相连；制动压力开关输出信号通过电阻R4与与门U3的第二输入端相连，与门U3的第三输入端通过R16与5V电源相连；与门U3输出信号与计数器U4的LOAD端相连，计数器U4的数据输入端与地相连，使能端ENT、ENP和清零端CLR与5V电源相连；555定时器A1的复位端RST和VCC端均与5V电源相连，5V电源通过电阻R7、电阻R8、电容C3分别与地和555定时器A1的GND端相连，同时从R7与R8间引信号输入555定时器的放电端DIS，从R8与C3间引信号输入555定时器A1的低触发端和高触发端，电压控制端CON通过电容C4与地相连，555定时器A1的输出端与计数器U4的时钟端CLK相连；将计数器U4的溢出端RC0的信号接入D触发器U1B的时钟端CLK，D触发器U1B的控制端PR、触发端D均与5V电源相连，5V电源通过电阻R9、电容C5与地相连，从电阻R9与电容C5间引信号接入D触发器U1B的清零端；

所述故障处理电路包括光电耦合器U6、三极管Q1、继电器、二极管D1和发光二极管LED1组成；其中，D触发器U1B的输出信号通过电阻R14接入光电耦合器U6的正极，光电耦合器U6的发射极通过电阻R15与地相连，同时光电耦合器U6的发射极通过电阻R10与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与二极管D1负极相连，该二极管D1正极与地相连，二极管D1上并联继电器线圈，继电器的一组触点一端通过电阻R11与5V电源相连，另一端与发光二极管LED1的正极相连，发光二极管LED1的负极与地相连，继电器的另一组触点一端通过接触器控制线圈与5V电源相连，另一端与地相连。

进一步的，所述电流传感器采用霍尔式电流传感器LHB300A5VY4。

进一步的，所述制动压力开关采用CSPS-B Z压力开关。

进一步的，所述运算放大器U2A采用LM358D。

进一步的，所述电压比较器U5A采用LM393.

进一步的，所述与门U3采用74LS11。

进一步的，所述计数器U4采用74LS161.

进一步的，所述555定时器A1采用NE555。

进一步的，所述D触发器U1B采用74LS74。

进一步的，所述光电耦合器U6采用TLP521。

本发明与传统的电机制动时失效监测装置相比，可以同时考虑车辆状态与电机状态，对电机失效做出准确，迅速的响应。本发明主要部件采用纯硬件电路，不需ECU对其产生控制，能够避免由于ECU故障而引起电机制动无法检测。实现投资少、设计简单、可靠性高，安装要求低，而且不需要对车辆进行过多改装，同时由于故障响应阈值可手动调节，提高的装置的可替换性。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的实施例中的故障监测电路。

图3为本发明的实施例中的故障处理电路。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

传统的纯电动汽车制动失效装置多是对轮边制动进行监测，而仅对于电机制动的有效性进行监测的设备极少。本发明针对电机制动的有效性进行检测。

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出了一种电动汽车电机制动时失效监测装置，包括数据采集电路，故障监测电路和故障处理电路。

数据采集电路包括电流传感器和制动压力开关，其中，电流传感器安装在动力电池输出直流母线上，用以监测动力电池电流大小及方向；制动压力开关安装在制动踏板上，用以监测制动强度；电流传感器与制动压力开关采集实时信号并传输给故障监测电路。

现有的电流检测大多都是通过电机控制器或整车控制器内的通信信息获得的，这种信息一般不是通过直接测量而是通过间接计算得到的，因此存在相当大的误差。为此，本发明型采用电流传感器直接测量直流母线上的输出电流。另外，由于数据采集模块中考虑到不同车型紧急制动时的制动压力有所差异，因此选用的制动压力开关的响应阈值是可调的。

考虑到芯片引脚的输入要求，以及电路的简便性，电流传感器采用最高输出电压为5V的电压输出型，这样能够省去电流输出型电流信号转换为电压信号的电路。

故障检测电路用以根据不同车型事先设定阈值，判断在制动的同时是否有超过阈值的电流从动力电池输出，若两信号同时存在将被认为是冲突状态，冲突状态超过一定时间将被认为是故障，当出现故障时触发故障处理电路做出响应，切断驱动系统，使车辆停止运行，同时给予驾驶员直观警示。

如图2所示，本实施例中的故障检测电路的结构如下：包括运算放大器U2A、电压比较器U5A、与门U3、计数器U4、555定时器A1和D触发器U1B；其中，电流传感器的信号经过电阻R1接入运算放大器U2A的正端；该信号同时经过电容C2、电阻R2、电阻R3，与运算放大器U2A的输出端相连；在电阻R2与电阻R3相接处引信号与运算放大器U2A的负端相连。运算放大器U2A的输出信号接入电压比较器U5A的负端；5V电源经电阻R13、滑动变阻器R5、电阻R12组成可调的分压电路接入电压比较器U5A的负端；电压比较器U5A的输出信号接入三输入与门U3的第一输入端，同时电压比较器U5A的输出信号通过电阻R6与5V电源相连；制动压力开关输出信号通过电阻R4与与门U3的第二输入端相连，与门U3的第三输入端通过R16与5V电源相连；与门U3输出信号与计数器U4的LOAD端相连，计数器U4的数据输入端与地相连，使能端ENT、ENP和清零端CLR与5V电源相连；555定时器A1的复位端RST和VCC端均与5V电源相连，5V电源通过电阻R7、电阻R8、电容C3分别与地和555定时器A1的GND端相连，同时从R7与R8间引信号输入555定时器的放电端DIS，从R8与C3间引信号输入555定时器A1的低触发端(THR)和高触发端(TRI)，电压控制端CON通过电容C4与地相连，555定时器A1的输出端与计数器U4的时钟端CLK相连；将计数器U4的溢出端RC0的信号接入D触发器U1B的时钟端CLK，D触发器U1B的控制端PR、触发端D均与5V电源相连，5V电源通过电阻R9、电容C5与地相连，从电阻R9与电容C5间引信号接入D触发器U1B的清零端。

故障检测电路按照功能主要分为信号放大部分、电压比较部分、定时部分、故障状态锁定部分。由于设定的故障功率阈值较小，因此对应的电流较小，电流传感器输出电压值较低，为了提高之后电压比较的精度，专门设计放大电路，用于将电压放大到合适的范围内，以便后面检测。电压比较部分用以判断故障时的功率阈值是否达到，由于各车型使用的电机不同，整车的电压水平不同，因此对应的电流阈值不同，电压比较器的基准端所提供的基准电压应不同，对于传统的由ECU控制的制动失效检测装置，其阈值通常是要通过改编程序才能改变，但基本上所有的ECU都不是开源的，对于这类设备不易于改变基准电压。但本发明完全可以简单的实现这一功能，这是通过在基准电压设置端安装一滑动变阻器，即可根据不同车型对基准进行设置，并且由于电流传感器的输出电压与检测的电流呈线性关系，因此对于阈值的设置量也易于确定。故障锁定部分通过使用D触发器，使得故障状态能够锁存，能够避免由于故障状态不稳定导致的故障装置触发后信号消失所带来的安全隐患。

如图3所示，本实施例中的故障处理电路的结构如下：包括光电耦合器U6、三极管Q1、继电器、二极管D1和发光二极管LED1组成；其中，D触发器U1B的输出信号通过电阻R14接入光电耦合器U6的正极，光电耦合器U6的发射极通过电阻R15与地相连，同时光电耦合器U6的发射极通过电阻R10与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与二极管D1负极相连，该二极管D1正极与地相连，二极管D1上并联继电器线圈，继电器的一组触点一端通过电阻R11与5V电源相连，另一端与发光二极管LED1的正极相连，发光二极管LED1的负极与地相连，继电器的另一组触点一端通过接触器控制线圈与5V电源相连，另一端与地相连。

由于本发明中涉及到电机控制器或电机出现故障属于较严重的一类，为此采用直接断开直流母线的方法，更加直接快速有效，并且由于此类故障不易通过驾驶员及修理员根据经验识别，因此特为此故障设置故障状态指示灯。

本实施例的各部件中，电流传感器采用霍尔式电流传感器LHB300A5VY4，制动压力开关采用CSPS-B Z压力开关，运算放大器U2A采用LM358D，电压比较器U5A采用LM393，与门U3采用74LS11，计数器U4采用74LS161，555定时器A1采用NE555，D触发器U1B采用74LS74，光电耦合器U6采用TLP521，继电器采用ATM512。

本发明的工作原理如下：

本发明处于工作状态时，电机控制器输出功率由直流母线上的霍尔式电流传感器检测，制动状态由安装在制动踏板上的制动压力开关检测，检测到的电流信号输入到故障监测模块的电压比较器中，电压比较器的基准端用一滑动变阻器用以根据不同车型的具体情况调节故障阈值，当电压比较器检测到的电流值大于阈值时输出高电平，小于阈值时输出低电平。电压比较器的输出端与角速度传感器信号共同输入到与门芯片中，如果两者信号同时出现，与门输出高电平，与门输出端与计数器相连，当与门输出高电平时计数器开始工作，定时器的溢出端与计数器相连，计数器对定时器的溢出进行累加，直到设定的时间阈值，如果在时间阈值内冲突消失，将自动对计数器清零，如果冲突时间超过时间阈值，计数器向D触发器发送高电平，D触发器输出高电平，由于D触发器本身工作特性将一直保持高电平，不再随前端状态改变，因此一旦发生故障，除非重启车辆才能使整个装置复位。故障处理模块接收到D触发器的输出信号后，触发光耦输出高电平，经三极管放大后将驱动直流接触器，切断直流输出，并启动驾驶舱内故障指示灯。

需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述实施例。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，所做出的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，包括数据采集电路，故障监测电路和故障处理电路；

所述数据采集电路包括电流传感器和制动压力开关；

所述故障检测电路包括运算放大器U2A、电压比较器U5A、与门U3、计数器U4、555定时器A1和D触发器U1B；其中，电流传感器的信号经过电阻R1接入运算放大器U2A的正端；该信号同时经过电容C2、电阻R2、电阻R3，与运算放大器U2A的输出端相连；在电阻R2与电阻R3相接处引信号与运算放大器U2A的负端相连；运算放大器U2A的输出信号接入电压比较器U5A的负端；5V电源经电阻R13、滑动变阻器R5、电阻R12组成可调的分压电路接入电压比较器U5A的负端；电压比较器U5A的输出信号接入三输入与门U3的第一输入端，同时电压比较器U5A的输出信号通过电阻R6与5V电源相连；制动压力开关输出信号通过电阻R4与与门U3的第二输入端相连，与门U3的第三输入端通过R16与5V电源相连；与门U3输出信号与计数器U4的LOAD端相连，计数器U4的数据输入端与地相连，使能端ENT、ENP和清零端CLR与5V电源相连；555定时器A1的复位端RST和VCC端均与5V电源相连，5V电源通过电阻R7、电阻R8、电容C3分别与地和555定时器A1的GND端相连，同时从电阻R7与电阻R8间引信号输入555定时器的放电端DIS，从电阻R8与电容C3间引信号输入555定时器A1的低触发端和高触发端，电压控制端CON通过电容C4与地相连，555定时器A1的输出端与计数器U4的时钟端CLK相连；将计数器U4的溢出端RC0的信号接入D触发器U1B的时钟端CLK，D触发器U1B的控制端PR、触发端D均与5V电源相连，5V电源通过电阻R9、电容C5与地相连，从电阻R9与电容C5间引信号接入D触发器U1B的清零端；

所述故障处理电路包括光电耦合器U6、三极管Q1、继电器、二极管D1和发光二极管LED1组成；其中，D触发器U1B的输出信号通过电阻R14接入光电耦合器U6的正极，光电耦合器U6的发射极通过电阻R15与地相连，同时光电耦合器U6的发射极通过电阻R10与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与二极管D1负极相连，该二极管D1正极与地相连，二极管D1上并联继电器线圈，继电器的一组触点一端通过电阻R11与5V电源相连，另一端与发光二极管LED1的正极相连，发光二极管LED1的负极与地相连，继电器的另一组触点一端通过接触器控制线圈与5V电源相连，另一端与地相连；

所述电流传感器采用霍尔式电流传感器LHB300A5VY4；所述制动压力开关采用CSPS-BZ压力开关。

2.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述运算放大器U2A采用LM358D。

3.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述电压比较器U5A采用LM393。

4.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述与门U3采用74LS11。

5.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述计数器U4采用74LS161。

6.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述555定时器A1采用NE555。

7.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述D触发器U1B采用74LS74。

8.如权利要求1所述的电动汽车电机制动时失效监测装置，其特征在于，所述光电耦合器U6采用TLP521。