CN108562786B - 一种高压采样系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压采样系统和方法，该系统包括第一电压采样电路，用于对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；第二电压采样电路，用于对所述待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者用于直接对所述待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；MCU，用于根据第一采样信号和第二采样信号确定待测电压的输出电压。本发明通过两种不同物理原理的采样方式对待测电压的电压进行采样，在保证了采样实时性的同时，避免了共因失效，因此本发明具有较强的可靠性，满足了ISO26262功能安全的冗余安全要求。本发明可以广泛应用于电压检测技术领域。

Description

一种高压采样系统和方法

技术领域

本发明涉及电压检测技术领域，尤其是一种高压采样系统和方法。

背景技术

在新能源汽车电机控制器或者电池管理系统等，均需要对动力电池电压进行采样以作为软件控制的参数输入。一般在中低速电动车(指电池电压不大于72V的电动车)采用的是非隔离采样，也就是直接通过一个分压电路把电池电压降低到MCU的A/D转换单元可以承受的电压范围，然后MCU通过软件算法计算出电池的电压。但是在新能源电动汽车的动力电池系统里，普遍电压都较高(一般不小于144V)，在这种情况下，出于安全的考虑，会把电池电压采样电路设计成隔离采样电路。

目前，行业内普遍在不同的电池电压等级下分别采用上述两种高压采样方式，虽然能够满足系统控制的需求，但是由于仅仅采用了一种电压采用电路策略，无法应对道路车辆功能安全规范的要求，也就是系统无法做到保证这唯一的采样电路安全可靠，比如说该采样电路失效，该采样电路的采样结果不准等。此外，也有部分企业采用相同电路进行备份冗余以求降低失效率，或者通过外部电池或整车控制器经CAN总线传来的电池数据进行内部采样结果的校对。首先第一种采用相同电路进行备份冗余的方案，在某些时候的确起到了降低电路失效率的效果，但是无法解决因为相同的问题引起的电路失效，也就是所谓的共因失效。而第二种方案是经过外部信号将高压电池电压信号传送到系统的，存在被动性、通讯迟滞或通讯异常等的不确定因素，无法满足系统控制的实时性，同时，第二种方案也无法避免共因失效的问题。

综上所述，现有技术存在可靠性差的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种可靠性强的高压采样系统和方法。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种高压采样系统，包括：

第一电压采样电路，用于对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

第二电压采样电路，用于对所述待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者用于直接对所述待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

MCU，用于根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压；

进一步，所述第一电压采样电路，包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路，所述斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号。

进一步，所述高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路。

进一步，所述第二电压采样电路，包括分压电路和第二信号调理电路，所述分压电路连接在待测电压的两端对待测电压的电压信号进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步，所述第二电压采样电路，包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路，所述第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步，所述隔离式电压采样单元为光耦或者霍尔传感器。

本发明所采取的第二种技术方案是：

一种高压采样方法，包括以下步骤：

通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压。

进一步，所述通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号，这一步骤具体为：通过斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号；其中，第一电压采样电路包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路。

进一步，还包括以下步骤：所述待测电压的电压经过斩波电路斩波后从高频变压器的原边绕组耦合到第二副边绕组，产生第四输出信号，所述电源输出电路将第四输出信号转换为直流电压；其中，高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路。

进一步，所述通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过连接在待测电压的两端的分压电路对待测电压的电压进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号；其中，第二电压采样电路，包括分压电路和第二信号调理电路。

进一步，所述通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过第三信号调理电路直接对待测电压的电压进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号；其中，第二电压采样电路包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路。

进一步，所述隔离式电压采样单元为光耦或者霍尔传感器。

本发明的有益效果是：通过两种不同物理原理的采样方式对待测电压的电压信号进行采样，并将两种采样方式的采样结果进行相互校对，在保证了采样实时性的同时，避免了共因失效的问题，因此本发明具有较强的可靠性，满足了ISO26262功能安全的冗余安全要求，提升了系统电路在硬件层面的功能安全等级。

附图说明

图1为本发明一种高压采样系统的模块框图；

图2为本发明一种高压采样方法的流程图；

图3为本发明高压采样系统的第一种具体实施例的电路原理图；

图4为本发明高压采样系统的第二种具体实施例的电路原理图；

图5为一种与图3的高压采样系统对应的方法的流程图；

图6为一种与图4的高压采样系统对应的方法的流程图。

具体实施方式

参照图1，一种高压采样系统，包括：

第一电压采样电路，用于对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

第二电压采样电路，用于对所述待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者用于直接对所述待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

MCU，用于根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压；

所述第一电压采样电路，包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路，所述斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号。其中高频变压器是指工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器。

进一步作为优选的实施方式，所述高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路。

进一步作为优选的实施方式，所述第二电压采样电路，包括分压电路和第二信号调理电路，所述分压电路连接在待测电压的两端对待测电压的电压信号进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述第二电压采样电路，包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路，所述第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述隔离式电压采样单元为光耦或者霍尔传感器。

参照图2，一种高压采样方法，包括以下步骤：

通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压；

所述第一电压采样电路，包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路，所述通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号，这一步骤具体为：通过斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路；还包括以下步骤：所述待测电压的电压经过斩波电路斩波后从高频变压器的原边绕组耦合到第二副边绕组，产生第四输出信号，所述电源输出电路将第四输出信号转换为直流电压。

进一步作为优选的实施方式，所述第二电压采样电路，包括分压电路和第二信号调理电路，所述通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过连接在待测电压的两端的分压电路对待测电压的电压进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述第二电压采样电路，包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路，所述通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述隔离式电压采样单元为光耦或者霍尔传感器。

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

如图3所示，一种高压采样系统，该系统包括MCU、第一电压采样电路和第二电压采样电路。

所述第一电压采样电路包括斩波电路、高频变压器、第一信号调理电路、斩波电路、高频变压器T1。所述待测电压的正极与斩波电路的输入端连接，所述斩波电路的输出端与高频变压器T1的原边绕组P1的第一端连接，所述高频变压器的原边绕组P1的第二端与待测电压的负极连接。所述高频变压器的第一副边绕组VS1与第一信号调理电路的输入端连接。所述第一信号调理电路的输出端与MCU的A/D转换接口连接。在一些实施例中，所述斩波电路由一个三极管构成，如MOS管，并且该三极管的基极或者栅电极由所述MCU控制，对待测电压的电压信号进行斩波。在另一些实施例中，所述斩波电路的三极管的基极或者栅电极由振荡器或者其他芯片控制。在一些实施例中，高频变压器T1还包括第二副边绕组VS2，所述第二副边绕组VS2与电源输出电路连接，所述电源输出电路用于向系统中的其他电子部件供电，如MCU或者信号调理电路等。

第一电压采样电路的工作原理是：所述斩波电路将待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生一个输出信号，该输出信号的幅值与高频变压器的原边绕组和第一副边绕组的匝数比有关，而可以根据MCU所能接受的电压范围对匝数比进行调整，从而达到隔离降压的采样效果，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并向MCU输出第一采样信号，第一采样信号是一个可供MCU的A/D转换接口采样的电压信号。

参照图3，所述第二电压采样电路包括第二信号调理电路和分压电路，所述分压电路由依次串联第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成，所述第二电阻R2和第二电阻R3的连接点与第二信号调理电路的输入端连接，所述第二信号调理电路的输出端与MCU的A/D转换接口连接。在一些实施例中，所述分压电路也可以由两个电阻或者三个以上的电阻构成，本领域技术人员可以根据实际需要灵活调整分压电路的电阻数量和连接关系。采用分压电路进行分压采样的第二电压采样电路一般适用于电池电压较低的电动车(电池电压不大于72V的电动车)。

参照图3，第二采样电路的工作原理为：通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3对待测电压的电压信号进行分压，第二信号调理电路从第二电阻R2和第三电阻R3的连接点取样，而该点的电压讲过分压后已经降低到MCU能够接受的电压范围，然后第二信号调理电路对该点的电压信号进行信号调理后向MCU的A/D转换接口输出第二采样信号。

参照图3，MCU通过A/D转换接口采集到第一采样信号和第二采样信号后对其进行处理，其中，通过高频变压器的匝数比，对第一采样信号进行折算，得到待测电压的第一电压测量值；然后通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的阻值比例，对第二采样信号进行折算，得到待测电压的第二电压测量值；最后将第一电压测量值和第二电压测量值进行对比，从而判断待测电压的输出电压是否存在异常。

在一些实施例中，所述第二电压采样电路可以采用其他电路结构以及采样原理。如图4所示，第二电压采样电路包括第三信号调理电路、第四信号调理电路和隔离式电压采样单元，所述第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行采样，并通过隔离式电压采样单元耦合到第四调理电路中，第四调理电路对该电压信号进行信号调理得到第二采样信号，并将第二采样信号输出至MCU的A/D转换接口。在一些实施例中，所述隔离式电压采样单元是光耦，在另一些实施例中，所述隔离式电压采样单元是霍尔传感器。

在图4对应的实施例中，第二电压采样电路的工作原理是，待测电压的电压信号经过第三调理电路后进入隔离式电压采样单元并耦合到第四调理电路，此时，电压信号已经按照一定的耦合比例输出到第四调理电路(即经过隔离式电压采样电源进入第四调理电路的电压信号已经处于MCU能够接受的电压范围)，第四调理电路对该电压信号进行信号调理，然后向MCU的A/D转换接口输出第二采样信号。MCU可以根据第二采样信号以及隔离式电压采样单元的耦合比例折算待测电压的输出电压，并与第一电压采样电路的采样结果进行对比，从而判断待测电压是否存在异常。

参照图5，一种与图3所示的高压采样系统对应的方法，包括以下步骤：

A1、通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号。

A2、通过分压电路连接在待测电压的两端对待测电压的电压信号进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

A3、分别根据第一采样信号和第二采样信号计算待测电压的输出电压，并利用两个计算结果进行相互校对，并根据校对结果判断待测电压的输出电压是否存在异常。

参照图6，一种与图4所示的高压采样系统对应的方法，包括以下步骤：

B1、通过斩波电路将待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并向MCU输出第一采样信号。

B2、通过第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对所述第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

B3、分别根据第一采样信号和第二采样信号计算待测电压的电压，并利用两个计算结果进行相互校对，并根据校对结果判断待测电压的输出电压是否存在异常。

在一些实施例中，还包括以下步骤：

B4、待测电压的电压信号经过斩波电路斩波后从高频变压器的原边绕组耦合到第二副边绕组，产生第四输出信号，通过电源输出电路将第四输出信号转换为直流电压。

对于发明各实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，各实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

此外在上述各实施例中，所述待测电压可以是DC电源、电池组或者其他直流电压。

综上所述，本发明具有以下优点：

1)采用两种不同物理原理的方式对待测电压的电压信号进行采样，由于两种采样方式均直接对待测电压进行采样，无需通过外部电路，因此保证了采样的实时性，同时，可以避免重复的备份冗余系统会出现共因失效的问题，使得本发明具有较强的可靠性。满足ISO26262功能安全标准的冗余安全要求，进一步提高了电动车电器系统电路的功能安全等级。

2)本发明利用两种不同物理原理的采样方式，可以实现相互校对，进一步提升了系统的可靠性。

3)本发明的第一电压采样电路中包括一个高频变压器，该高频变压器可以利用电动车上原有的高频变压器中实现，如电极控制器或者电池管理系统中的高频变压器，在实现本发明时，只需要在所述原有的高频变压器的基础上，增加一个副边绕组，即可实现，通过复用原有的高频变压器，本发明无需增加复杂的电路结构或者采用新增的独立采样电路，从而达到成本低、可靠性强和实用性强的效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种高压采样系统，其特征在于，用于对电动汽车的电池组进行采样，包括：

第一电压采样电路，用于对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

第二电压采样电路，用于对所述待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者用于直接对所述待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

MCU，用于根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压；

所述第一电压采样电路包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路，所述斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组，所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号，所述第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

所述高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种高压采样系统，其特征在于：所述第二电压采样电路，包括分压电路和第二信号调理电路，所述分压电路连接在待测电压的两端对待测电压的电压信号进行分压，并产生第二输出信号，所述第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

3.根据权利要求1所述的一种高压采样系统，其特征在于：所述第二电压采样电路，包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路，所述第三信号调理电路直接对待测电压的电压信号进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号。

4.一种高压采样方法，其特征在于，用于对电动汽车的电池组进行采样，包括以下步骤：

通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号；

通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，或者通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号；

根据第一采样信号和第二采样信号确定所述待测电压的输出电压；

所述通过第一电压采样电路对待测电压的电压信号进行隔离降压，然后对降压后的电压信号进行信号调理，并输出第一采样信号，这一步骤具体为：通过斩波电路对待测电压的电压信号进行斩波，输出一个PWM波到高频变压器的原边绕组；所述PWM波从高频变压器的原边绕组耦合到高频变压器的第一副边绕组，产生第一输出信号；通过第一信号调理电路对所述第一输出信号进行信号调理，并输出第一采样信号；其中，第一电压采样电路包括斩波电路、高频变压器和第一信号调理电路；

所述待测电压的电压经过斩波电路斩波后从高频变压器的原边绕组耦合到第二副边绕组，产生第四输出信号；通过电源输出电路将第四输出信号转换为直流电压；其中，高频变压器还包括第二副边绕组，所述高频变压器的第二副边绕组连接有电源输出电路。

5.根据权利要求4所述的一种高压采样方法，其特征在于：所述通过第二电压采样电路对待测电压的电压信号进行分压和信号调理，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过连接在待测电压的两端的分压电路对待测电压的电压进行分压，并产生第二输出信号；通过第二调理电路对所述第二输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号；其中，第二电压采样电路包括分压电路和第二信号调理电路。

6.根据权利要求4所述的一种高压采样方法，其特征在于：所述通过第二电压采样电路直接对待测电压的电压信号进行隔离采样，并输出第二采样信号，这一步骤具体为：

通过第三信号调理电路直接对待测电压的电压进行信号调理，并向隔离式电压采样单元端输出第三输出信号，所述第三输出信号通过隔离式电压采样单元耦合到第四信号调理电路，所述第四信号调理电路对经过耦合的第三输出信号进行信号调理，并输出第二采样信号；其中，第二电压采样电路包括第三信号调理电路、隔离式电压采样单元和第四信号调理电路。

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