CN107310395A

CN107310395A - 一种环路互锁的诊断电路及方法

Info

Publication number: CN107310395A
Application number: CN201610267560.2A
Authority: CN
Inventors: 贾少清; 朱刚; 王世良
Original assignee: Dongguan Juntong Automobile Co Ltd
Current assignee: Dongguan Juntong Automobile Co Ltd
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-03

Abstract

本发明公开了一种环路互锁的诊断电路和方法。环路互锁是电动汽车常见的一种通过使用电气的小信号，将所有的高压部件串联起来，检查所有高压部件、高压导线和连接器的电气完整性的方法。本发明通过检测环路互锁信号的频率和电压幅值，可准确判断环路互锁的开路、对电源短路和对地短路三种故障。配合环路互锁各高压部件节点的下拉电阻，可快速，定位具体是哪个高压部件连接断开导致环路互锁（HVIL，下同）断开的，节省维修的时间成本。

Description

一种环路互锁的诊断电路及方法

技术领域

本发明设计电动汽车高压安全领域。

背景技术

目前，石化资源日益紧张，大气污染日益严重，以电动汽车为代表的新能源汽车蓬勃发展，电动汽车高压系统的电压已经远远超过了人体的安全电压，因此处于人身安全的考虑，需要在高压系统中加入高压环路互锁（HVIL），防止非专业人员误操作引起的电击发生，国标GB/T18384.3-2015也推荐使用环路互锁（HVIL），断开高压接触器（HVC，下同）。

高压互锁系统通过使用电气的小信号，将所有的高压部件串联起来，检查所有高压部件、高压导线和连接器的电气完整性（连续性）情况，当某处连接断开的时候，比如拔出连接器的时候，BMS控制高压系统自动断开。

当环路互锁（HVIL）出现故障的时候，需要电池管理系统（BMS）准确诊断出环路互锁的故障类型，从安全的角度上考虑，不同的故障需要不同的处理方法。

环路互锁（HVIL）断开后，因为高压部件比较多，往往需要花费很多精力去定位具体是哪个高压部件连接断开导致环路互锁（HVIL）断开的，为方便维修，所以需要开发一种能够快速目前，在已知的专利中，与本专利相近的专利如下：

中国知识产权局公布的专利（公布号CN 105150854A）提到一种HVIL诊断方法，所述电池管理系统对所述环路互锁检测线发送占空比为K11的PWM信号，并检测环路互锁检测线反馈回来的PWM信号的占空比；当检测到返回的PWM信号占空比大于K12时，判断环路互锁信号线发生对电源正极短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；当检测到返回的PWM信号占空比小于K13时，判断环路互锁信号线发生断路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，控制整车高压系统断开，其中K11、K12、K13介于0到1之间的小数。

专利（公布号CN 105150854A）主要由两点不足之处：

1、故障诊断类型不完整，只诊断了对电源短路和断路的情况，没有诊断对地短路故障。

2、即使检测到返回的PWM信号占空比小于K13，并不一定就是环路互锁信号线发生断路，因为如果环路互锁信号线对间接性地短路，其检测到返回的PWM信号占空比也会变小。

发明内容

为解决技术背景中的技术问题，本发明提供了一种可靠准确的环路互锁诊断电路及方法。

如图1环路互锁（HVIL）整车系统架构所示，环路互锁信号（HVIL）由VCU产生，经过高压部件Un、高压部件Un-1……高压部件U2、高压部件U1（n为整数，n≥1），最后进入BMS，由BMS完成环路互锁（HVIL）的采集和诊断功能。所有连接均通过电连接，环路互锁（HVIL）回路上的电信号为低频信号（频率为F）；每个高压部件（包括VCU和BMS）的环路互锁（HVIL）均有一个对地电阻R0（电阻值、功率、耐压均相同），总共构成n+2个电阻R0并联；并联电阻R0是为了当HVIL断开时，快速定位具体是哪个高压部件连接断开。

如图2所示，HVIL诊断电路主要由HVIL频率采集电路、故障AD采集电路、诊断电源开关模块和微处理器MCU组成，频率采集电路负责采集HVIL的频率，当MCU采集到HVIL频率故障时，启动故障AD采集电路和诊断电源开关模块工作，诊断具体故障类型，如果诊断为HVIL开路故障，启动开路故障的定位功能，定位具体是哪个高压部件连接断开。

环路互锁诊断电路连接方式如图3所示，环路互锁（HVIL）信号进入BMS之后，与电阻R0、R1、R2、R4相连接，电阻R0另一端连接整车地（GND）；电阻R1的另一端连接电容C1和5.1V稳压管D1，C1、D1的另一端连接GND，R1和C1形成一个RC滤波电路，用于滤除HVIL中的高频杂讯；HVIL经过R1、C1滤波后进入MCU的MCU(1)引脚采集，MCU(1)采集HVIL的频率；电阻R2的另一端连接5.1V稳压管D2和电容C2，5.1V稳压管D2和电容C2并联连接GND；HVIL经过电阻R2限流后进入MCU的MCU(2)引脚采集，MCU(2)采集HVIL经过电阻R2电压值；由于HVIL可能出现12V电平，所以使用5.1V的稳压管保护MCU(1)和MCU(2)；MCU的MCU(3)引脚连接PMOS管Q1的栅极和电阻R5，电阻R5的另一端和PMOS管Q1的源极共同连接到+5V电源，PMOS管Q1的漏极连接电阻R4，电阻R4的另一端连接HVIL，MCU(1)、MCU(2)、MCU(3)为MCU的不同功能引脚。

本发明主要有以下两点优点：

准确诊断环路互锁（HVIL）的故障类型，可以使BMS对故障处理的策略更加合理，使整个高压系统更加安全可靠；如果不能准确进行故障类型判断，BMS可能出现误动作，反而会降低了高压系统的安全性。

具有快速定位开路节点的功能，节省维修的时间成本。

附图说明

图1为环路互锁（HVIL）整车系统架构；

图2为环路互锁（HVIL）诊断电路框图；

图3为环路互锁（HVIL）诊断具体电路。

具体实施方式

为详细说明本发明技术内容、架构以及实现的目的、效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。

如图1环路互锁（HVIL）整车系统架构所示，环路互锁信号（HVIL）由VCU产生，经过高压部件Un、高压部件Un-1……高压部件U2、高压部件U1（n为整数，n≥1），最后进入BMS，由BMS完成环路互锁（HVIL）的采集和诊断功能；所有连接均通过电连接，环路互锁（HVIL）回路上的电信号为低频信号（频率为F），每个高压部件（包括VCU和BMS）的环路互锁（HVIL）均有一个对地电阻R0（电阻值、功率、耐压均相同），总共构成n+2个电阻R0并联，并联电阻R0是为了当HVIL断开时，快速定位具体是哪个高压部件连接断开。

如图2所示，HVIL诊断电路主要由HVIL频率采集电路、故障AD采集电路、诊断电源开关模块和微处理器MCU组成，频率采集电路负责采集HVIL的频率，当MCU采集到HVIL频率故障时，启动故障AD采集电路和诊断电源开关模块工作，诊断具体故障类型。

环路互锁（HVIL）具体故障类型诊断方法：

环路互锁（HVIL）信号正常情况下，BMS内部只有频率采集电路以及MCU(1)处于正常工作状态，AD采集电路以及MCU(2)和诊断电源开关模块以及MCU(3)均处于不使能状态，只有当MCU(1)采集到HVIL频率异常后，MCU(2)和MCU(3)才进入工作状态。

HVIL进入BMS之后，经过电阻R1和电容C1滤波后，进入MCU(1)采集频率，理论上采集到的频率应该为F（F为VCU发出的PWM频率），由于MCU采集精度的关系，实际采集到的频率上下波动10%均属于正常范围，当MCU(1)采集到的频率小于90%*F或大于110%*F时，BMS进入环路互锁故障诊断模式。

BMS进入环路互锁故障诊断模式后，MCU(2)和MCU(3)进入工作状态，假设MCU(2)采集HVIL经过电阻R2的电压为K1；由于整车蓄电池的电压极限范围为6V~18V，如果HVIL对电源短路，由于稳压管D2的作用，MCU(2)采集HVIL经过电阻R2的电压K1被稳压为5V。

所以当K1=5V时可以判断为HVIL对电源短路，此时BMS点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，虽然HVIL对电源短路，但HVIL整条硬线并没有发生开路，各高压部件连接均良好，所以BMS不能断开高压接触器HVC。

对于HVIL对地短路和开路故障，K1的电压均为0V，此时仅依靠MCU(2)采集的K1的电压值无法分辨HVIL对地短路和开路故障。

为了分辨HVIL对地短路和开路故障，此时需要诊断电源开关模块工作，MCU(3)输出低电平，使PMOS管Q1的栅极电压小于源极电压，PMOS管Q1导通，HVIL通过电阻R4连接到+5V，就形成了+5V通过电阻R4、R0到地（GND）的回路，假设此时MCU(2)采集到的电压为K2；此时如果HVIL为对地短路故障，则此时MCU(2)采集的电压K2仍为0；如果HVIL为开路故障，则MCU(2)采集的电压K2为5V*R0/(R4+R0)，由此可以分辨HVIL开路故障和对地短路故障；HVIL开路时，BMS控制高压接触器HVC断开，保证系统断开高压，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆。

高压部件连接断开的定位：

以上推导是仅对BMS一个单元进行分析的，如果考虑VCU、高压部件Un、高压部件Un-1……高压部件U2、高压部件U1对地的电阻R0，则可以在HVIL开路时准确定位具体是哪个高压部件连接断开。

假设BMS与高压部件U1之间的连接断开，则K2=5V*R0/(R4+R0)；

假设高压部件U1与高压部件U2之间的连接断开，由于BMS内部下拉的电阻R0与U1内部下拉的电阻R0并联，并联后的电阻值R_并为R0/2，R_并与电阻R4形成电阻分压，所以此时K2=5V*R0/(2*R4+R0)。

同理可推导高压部件Um-1与高压部件Um(m为整数，1≤m≤n)之间连接断开时，K2=5V*R0/(m*R4+R0)。

本发明有如下优势：

1、准确诊断环路互锁（HVIL）的故障类型，可以使BMS对故障处理的策略更加合理，使整个高压系统更加安全可靠；如果不能准确进行故障类型判断，BMS可能出现误动作，反而会降低了高压系统的安全性。

2、具有快速定位的功能，节省维修的时间成本。

Claims

1.一种环路互锁诊断电路及方法，其特征在于：环路互锁（HVIL）整车系统架构如图1所示，环路互锁（HVIL）信号由VCU产生，经过高压部件Un、高压部件Un-1……高压部件U2、高压部件U1（n为整数，n≥1），最后进入BMS，由BMS完成环路互锁（HVIL）的采集和诊断功能，所有连接均通过电连接，环路互锁（HVIL）回路上的电信号为PWM方波（频率为F）；每个高压部件（包括VCU和BMS）的环路互锁（HVIL）上均有一个对地电阻R0（电阻值、功率、耐压均相同），总共构成n+2个电阻R0并联；环路互锁（HVIL）诊断电路主要由HVIL频率采集电路、故障AD采集电路、诊断电源开关模块和微处理器MCU组成，频率采集电路负责采集HVIL的频率，当MCU采集到HVIL频率故障时，启动故障AD采集电路和诊断电源开关模块工作，诊断具体故障类型。

2.根据权利要求1所述的一种环路互锁诊断及方法，其特征在于：环路互锁信号正常情况下是低频信号（可以是正弦波、PWM等常见低频信号），BMS采集环路互锁信号的频率，以此判断环路互锁连接是否正常，当BMS采集到HVIL频率故障时，启动BMS内部的故障AD采集电路和诊断电源开关模块工作，诊断具体故障类型。

3.根据权利要求1所述的一种环路互锁诊断及方法：其特征在于：对环路互锁（HVIL）的三种故障类型（对电源短路、对地短路、开路）的处理方法，当环路互锁断开时（开路故障），BMS控制高压接触器HVC断开，保证系统断开高压，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，而环路互锁对电源短路和对地短路故障时，环路互锁（HVIL）整条硬线并没有发生开路，各高压部件连接均良好，因此发生这两种短路故障时，BMS不能控制高压系统断开，只能通过点亮高压系统报警灯的方式报出故障，提示驾驶员及时维修车辆。

4.根据权利要求1所述的一种环路互锁诊断及方法，其特征在于：当发生环路互锁开路故障时，启动环路互锁开路故障的定位功能，快速定位具体是哪个高压部件节点连接断开。

5.根据权利要求1所述的所述的一种环路互锁诊断及方法，其特征在于：每个高压部件的环路互锁上均有一个对地电阻R0（电阻值、功率、耐压均相同），总共构成n+2个电阻R0并联。