CN109541494A - 动力电池高压互锁检测电路及方法 - Google Patents
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Abstract
一种动力电池高压互锁检测电路，包括控制器单元和高压互锁检测电路，高压互锁检测电路包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和差分比较模块。控制器单元的第一输出端口连接第一信号转换模块的输入端，输出第一PWM信号至第一信号转换模块，第一信号转换模块的输出端接入高压回路的输入端。控制器单元的第二输出端口连接第二信号转换模块的输入端，输出第二PWM信号至第二信号转换模块，第二信号转换模块的输出端接入高压回路的输出端。第一信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的一个输入端，第二信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的另一个输入端。差分比较模块的输出端接入控制器单元的第一输入端口。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，特别涉及一种动力电池高压互锁检测电路及方法。
背景技术
由于电动汽车动力电池系统中通常由多个高压子系统组成，它们之间都是通过高压连接器相互连接的，同时汽车实际运行过程中复杂的路况与电气系统工况造成这些高压子系统的实际运行环境十分恶劣，绝大部分时间内它们都处于振动与冲击条件下，因此为确保行车安全与车辆设备的安全可靠性，高压互锁设计变得尤为关键。
高压互锁技术的设计主要是防止在高压部件暴露后易发生造成高压触电的危险。现有的高压互锁技术一般都是通过使用低压信号来检查电动汽车上所有与高压母线相连的各个分支路，包括整个电池系统、导线、连接器、DCDC变换器、电机控制器等系统回路的电气连接完整性、连续性。当整个动力电池系统高压回路连接断开或者完整性受到破坏时，就需要通知系统控制器，然后，系统控制器将启动安全保护措施，如断开高压主回路等。高压连接器端子一般包含高压连接部分以及低压连接部分，其中，高压连接部分是指高压部件的高压电输入输出互连端，低压连接部分是指互锁信号输入输出端。而且高压连接端的闭合或断开的状态改变始终与低压连接部分保持同步一致。因此，通常只需要检测低压连接端的通断状态就可以间接地检测出高压连接是否完好。
高压互锁检测电路是用以检测低压连接回路的通断状态，如图1所示。现有的检测方法是通过控制器PWM外设模块产生一个具有特定频率与特定占空比的PWM波形信号，然后，控制器单元将该PWM信号在低压连接回路的起始端发送，通过各个高压部件的高压连接器中低压端子互连而成低压互锁回路，并由控制器单元在低压连接回路的末尾端接收该PWM信号；最后，控制器单元根据对比发送的PWM信号与接收的PWM信号的特征是否一致，包括PWM信号的频率和占空比，从而判断低压互锁回路的通断状态。
高压互锁检测电路作为高压互锁设计中的关键点，现有的PWM信号检测电路具有成本低，电路结构简单易实现，使用方便等优点，并且在经过长期的验证后，已经得到广泛应用。但是，现有的高压互锁检测电路仍存在一些缺点。比如，现有的高压互锁检测电路实际使用中可靠性较差，尤其是在复杂恶劣的电磁干扰环境中容易发生错误辨别。结合附图2所示，下面具体说明现有的高压互锁检测电路容易受到电磁干扰的根本原因。
通常而言，电磁干扰的形成主要包含干扰源以及耦合路径；其中，干扰源一般是指电流变化率较大的部件，而电动汽车内部存在许多大电流，高功率的高压部件，这些部件都很容易产生电磁辐射，例如，电动机的电枢部分运行过程伴随着高频交变电磁场。直流变换器的开关单元将产生很强的高频电磁干扰等等。耦合路径是指感受电磁辐射而形成噪声电流的闭合环路；而电动汽车配电系统中低压互锁端子需要很多个高压部件两两互连，同时这些部件都分散在一定范围内，这就造成了低压互锁回路存在很大的环路面积。加之，PWM输出端和输入端对地存在较大的输入输出阻抗，因此，低压互锁回路就等效于一个高阻抗、大面积的闭合环路。显然，低压互锁回路在电磁干扰严重的电动汽车内部就很容易受到电磁干扰。
当控制器在低压互锁回路起始端发送PWM信号，该信号在低压互锁回路中耦合了一定程度的电磁干扰后，使得PWM信号波形产生一定程度的畸变，即PWM信号的上升沿和下降沿均带有随机性的振荡畸变；当控制器检测该畸变的PWM信号时，由于信号的上升沿或下降沿变得异常，导致控制器无法有效地识别出该PWM信号实际特征，即频率或占空比，进而导致控制器无法准确地辨别当前低压互锁回路的通断状态，严重时将导致电动汽车配电系统意外下电或无法上电，影响车辆设备的安全使用。通常现有的改进办法为，在控制器PWM输入端前加滤波器，该方法可以在一定程度上起到抑制干扰的作用；但是，该方法无法从根本上解决电磁干扰问题，并且该方法极大地限制了PWM信号的带宽，从而造成控制器检测过程存在较大的延迟时间，使得系统响应变慢，严重影响了高压互锁检测电路的使用效率。
发明内容
针对传统的高压互锁检测电路存在抗干扰性差的缺点，本发明实施例提供了一种动力电池配电系统高压互锁检测电路，有效地抑制电动汽车配电系统中所存在的电磁干扰，增强了现有检测电路的抗干扰性。
本发明实施例之一，一种动力电池高压互锁检测电路，包括控制器单元和高压互锁检测电路，高压互锁检测电路包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和差分比较模块。
控制器单元的第一输出端口连接第一信号转换模块的输入端，输出第一PWM信号至第一信号转换模块，第一信号转换模块的输出端接入高压回路的输入端。
控制器单元的第二输出端口连接第二信号转换模块的输入端，输出第二PWM信号至第二信号转换模块，第二信号转换模块的输出端接入高压回路的输出端。
第一信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的一个输入端，第二信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的另一个输入端，
差分比较模块的输出端接入控制器单元的第一输入端口。
本发明实施例提供的动力电池配电系统高压互锁检测电路，该电路基于差分检测技术，具有很高的共模噪声抑制能力，提高了检测电路的电磁兼容性，有效地降低了现有的高压互锁检测电路受到电磁干扰而产生的错误辨别率，可以应用于电动汽车的电池断路单元和配电盒检测电路。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1现有的动力电池配电系统高压互锁检测电路的结构示意图
图2现有的高压互锁检测电路易受电磁干扰的示意图
图3本发明实施例中的动力电池配电系统高压互锁检测电路的结构示意图
图4本发明实施例中的第一信号转换模块的输入输出波形示意图
图5本发明实施例中的第二信号转换模块的输入输出波形示意图
图6本发明实施例中的差分比较模块的输入输出波形示意图
图7本发明实施例中的动力电池配电系统高压互锁检测电路的原理示意图
图8本发明实施例中的第一信号转换模块的电路原理图
图9本发明实施例中的第二信号转换模块的电路原理图
图10本发明实施例中的差分比较模块的电路原理图
具体实施方式
根据一个或者多个实施例，如图3所示动力电池配电系统高压互锁检测电路的结构示意图。本发明的动力电池高压互锁检测电路主要包括第一信号转换模块、第二信号转换模块及差分检测模块。
本发明的动力电池高压互锁检测电路工作过程简单易实现，控制器单元输出两路相同的PWM1信号，当高压回路中所有高压设备连接器均连接正常时，此时高压互锁检测电路将输出PWM2信号给控制器单元，控制器单元将比较PWM1信号与PWM2信号特征，即二者相位相差180°，其频率及幅值将相同，则控制器将对高压回路互锁已成功的事件上报给车辆控制单元；当高压回路中任一高压设备连接器处于断开状态时，此时高压互锁检测电路将输出持续高电平状态信号给控制器单元，控制器单元识别该信号为持续高电平状态时，则控制器单元将对高压回路互锁未成功的事件上报给车辆控制单元。由此来实现高压互锁检测电路对高压设备电源连接状态的实时监控，从而预防因高压设备电源连接器意外脱落造成电源端子裸露而引发安全事故。
根据一个或者多个实施例，第一信号转换模块是将控制器单元输出的PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变。如附图4所示，控制器单元输出的PWM信号高电平由5V改变为4V，低电平由0V改变为2.5V；
第二信号转换模块也是将控制器单元输出的PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变。如附图5所示，控制器单元输出的PWM信号高电平由5V改变为2.5V，低电平由0V改变为1V。
差分比较模块是将高压互锁检测电路的输出端与输入端的低压互锁检测信号进行差分比较，然后得到0V至5V的PWM信号，并输出到控制器单元的PWM捕获接口，如附图6所示。
根据一个或者多个实施例，动力电池高压互锁检测电路的原理示意图如附图7所示；具体地讲，该电路主要包括控制器单元、高压互锁检测电路、串联匹配电阻R11以及开关部件S1。
所述的控制器单元主要用以输出PWM1和PWM2信号，且PWM1和PWM2保持其频率、幅值、相位一致；然后针对所述的高压互锁检测电路中比较器U1输出的PWM3信号进行检测，且对比PWM1和PWM3的信号特征是否一致来判断互锁回路的通断状态。
所述的串联匹配电阻R11主要用以匹配互锁回路的阻抗，从而改善互锁回路中各个节点的信号质量，提高互锁检测电路的抗干扰特性。
所述的开关部件S1主要以模拟实际互锁回路中互连的高压部件的高压连接器端子。
所述的高压互锁检测电路主要用以将微控制器单元输出的PWM1和PWM2信号转换成不同幅值、相位的矩形波信号，并且通过差分检测电路对其特征进行检测并输出PWM3信号。
根据一个或者多个实施例，所述的第一信号转换模块主要由电阻R1、R2、R3和R4，NPN型晶体三极管Q1，肖特基二极管D1组成。如附图8所示。电阻R1与控制器输出端口连接于节点n1处，作为PWM1信号的输入端；电阻R1、R2与三极管Q1的b极连接于节点n2；5V电源与三极管Q1的e极连接于节点n3；三极管Q1的c极与二极管D1的阳极连接于节点n4；二极管D1的阴极与电阻R3、R4的一端连接于节点n6；电阻R3的一端与5V电源连接于节点n5；电阻R4的一端与电源地连接于节点n7；而所述的第一信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n8处，节点n8则作为互锁检测电路的输出端。
根据一个或者多个实施例，第二信号转换模块主要由电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17和NPN型晶体三极管Q2、Q3、Q4组成。如附图9所示，电阻R12与控制器输出端口连接于节点n9处，作为PWM2信号的输入端；电阻R12的一端与三极管Q2的b极连接于节点n10；电阻R13的一端与5V电源连接于节点n11；电阻R13、R14的一端与三极管Q2的c极连接于节点n12；三极管Q2的e极与电源地连接于节点n13；电阻R14、R15的一端与三极管Q3的c极、三极管Q4的b极连接于节点n14；电阻R15的一端与电源地连接于节点n15；三极管Q3的e极与电源地连接于节点n16；三极管Q4的c极与电阻R17的一端连接于节点n17；三极管Q4的e极与电阻R16的一端连接于节点n18；电阻R16的一端与电源地连接于节点n19；电阻R17的一端与电源地连接于节点n20；而所述的第二信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n21处，节点n21则作为互锁检测电路的输入端。
根据一个或者多个实施例，差分比较模块主要由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2和比较器U1组成。如附图10所示，电阻R6的一端与互锁检测电路输出端以及互锁回路起始端连接于节点n8；电阻R10的一端与互锁检测电路输入端以及互锁回路末尾端连接于节点n17；电阻R6的一端与电阻R5、电容C1的一端连接于节点n22；电容C1、电阻R7的一端与电源地连接于节点n23；电阻R5、R7的一端与比较器U1的正相端连接于节点n24；电阻R8、R9的一端与比较器U1的负相端连接于节点n25；电阻R8的一端与5V电源连接于节点n26；电阻R9、R10的一端与电容C2的一端连接于节点n27；电容C2的一端与电源地连接于节点n28；而比较器U1的输出端与控制器的输入端连接于节点n29，使得控制器能检测差分比较模块输出的PWM信号的特征。
根据一个或者多个实施例，动力电池高压互锁检测电路，包含了第一信号转换模块、第二信号转换模块及差分检测模块。
所述的第一信号转换模块主要由电阻R1、R2、R3和R4，NPN型晶体三极管Q1，肖特基二极管D1组成。如附图8所示，电阻R1与控制器输出端口连接于节点n1处，作为PWM1信号的输入端；电阻R1、R2与三极管Q1的b极连接于节点n2；5V电源与三极管Q1的e极连接于节点n3；三极管Q1的c极与二极管D1的阳极连接于节点n4；二极管D1的阴极与电阻R3、R4的一端连接于节点n6；电阻R3的一端与5V电源连接于节点n5；电阻R4的一端与电源地连接于节点n7；而所述的第一信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n8处，节点n8则作为互锁检测电路的输出端。
所述的第二信号转换模块主要由电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17和NPN型晶体三极管Q2、Q3、Q4组成。如附图9所示，电阻R12与控制器输出端口连接于节点n9处，作为PWM2信号的输入端；电阻R12的一端与三极管Q2的b极连接于节点n10；电阻R13的一端与5V电源连接于节点n11；电阻R13、R14的一端与三极管Q2的c极连接于节点n12；三极管Q2的e极与电源地连接于节点n13；电阻R14、R15的一端与三极管Q3的c极、三极管Q4的b极连接于节点n14；电阻R15的一端与电源地连接于节点n15；三极管Q3的e极与电源地连接于节点n16；三极管Q4的c极与电阻R17的一端连接于节点n17；三极管Q4的e极与电阻R16的一端连接于节点n18；电阻R16的一端与电源地连接于节点n19；电阻R17的一端与电源地连接于节点n20；而所述的第二信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n21处，节点n21则作为互锁检测电路的输入端。
所述的差分比较模块主要由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2和比较器U1组成。如附图10所示，电阻R6的一端与互锁检测电路输出端以及互锁回路起始端连接于节点n8；电阻R10的一端与互锁检测电路输入端以及互锁回路末尾端连接于节点n17；电阻R6的一端与电阻R5、电容C1的一端连接于节点n22；电容C1、电阻R7的一端与电源地连接于节点n23；电阻R5、R7的一端与比较器U1的正相端连接于节点n24；电阻R8、R9的一端与比较器U1的负相端连接于节点n25；电阻R8的一端与5V电源连接于节点n26；电阻R9、R10的一端与电容C2的一端连接于节点n27；电容C2的一端与电源地连接于节点n28；而比较器U1的输出端与控制器的输入端连接于节点n29，使得控制器能检测差分比较模块输出的PWM信号的特征。
所述的第一信号转换模块是将控制器单元输出的PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变。如附图4所示，控制器单元输出的PWM信号高电平由5V改变为4V，低电平由0V改变为2.5V。
所述的第二信号转换模块也是将控制器单元输出的PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变。如附图5所示，控制器单元输出的PWM信号高电平由5V改变为2.5V，低电平由0V改变为1V。
所述的差分比较模块是将高压互锁检测电路的输出端与输入端的低压互锁检测信号进行差分比较，然后得到0V至5V的PWM信号，并输出到控制器单元的PWM捕获接口，如附图6所示。
根据一个或者多个实施例，高压互锁检测方法，控制器输出两路相同的PWM1信号和PWM2信号，并注入高压互锁回路中，当高压电回路处于互锁未成功状态时，高压互锁检测电路输出持续高电平信号；当高压电回路处于互锁已成功状态时，高压互锁检测电路输出PWM3信号，且PWM3信号与PWM1和PWM2信号频率和幅值一致，但相位相差180°。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (7)
1.一种动力电池高压互锁检测电路，包括控制器单元和高压互锁检测电路，高压互锁检测电路包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和差分比较模块，
控制器单元的第一输出端口连接第一信号转换模块的输入端，输出第一PWM信号至第一信号转换模块，第一信号转换模块的输出端接入高压回路的输入端，
控制器单元的第二输出端口连接第二信号转换模块的输入端，输出第二PWM信号至第二信号转换模块，第二信号转换模块的输出端接入高压回路的输出端，
第一信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的一个输入端，第二信号转换模块的输出端同时接入差分比较模块的另一个输入端，
差分比较模块的输出端接入控制器单元的第一输入端口。
2.根据权利要求1所述的动力电池高压互锁检测电路，其特征在于，
所述的第一信号转换模块将控制器单元输出的第一PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变；
所述的第二信号转换模块也将控制器单元输出的第二PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变；
所述的差分比较模块将高压回路的输出端与输入端之间的低压互锁检测信号进行差分比较，输出第三PWM信号，并输出到控制器单元的第一输入端口。
3.根据权利要求2所述的动力电池高压互锁检测电路，其特征在于，所述的第一信号转换模块由电阻R1、R2、R3和R4，NPN型晶体三极管Q1，肖特基二极管D1组成，
电阻R1与控制器输出端口连接于节点n1处，作为PWM1信号的输入端；电阻R1、R2与三极管Q1的b极连接于节点n2；5V电源与三极管Q1的e极连接于节点n3；三极管Q1的c极与二极管D1的阳极连接于节点n4；二极管D1的阴极与电阻R3、R4的一端连接于节点n6；电阻R3的一端与5V电源连接于节点n5；电阻R4的一端与电源地连接于节点n7；而所述的第一信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n8处，节点n8则作为互锁检测电路的输出端。
4.根据权利要求2所述的动力电池高压互锁检测电路，其特征在于，所述的第二信号转换模块由电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17和NPN型晶体三极管Q2、Q3、Q4组成，
电阻R12与控制器输出端口连接于节点n9处，作为PWM2信号的输入端；电阻R12的一端与三极管Q2的b极连接于节点n10；电阻R13的一端与5V电源连接于节点n11；电阻R13、R14的一端与三极管Q2的c极连接于节点n12；三极管Q2的e极与电源地连接于节点n13；电阻R14、R15的一端与三极管Q3的c极、三极管Q4的b极连接于节点n14；电阻R15的一端与电源地连接于节点n15；三极管Q3的e极与电源地连接于节点n16；三极管Q4的c极与电阻R17的一端连接于节点n17；三极管Q4的e极与电阻R16的一端连接于节点n18；电阻R16的一端与电源地连接于节点n19；电阻R17的一端与电源地连接于节点n20；而所述的第二信号转换模块与所述的串联匹配电阻R11连接于节点n21处，节点n21则作为互锁检测电路的输入端。
5.根据权利要求2所述的动力电池高压互锁检测电路，其特征在于，所述的差分比较模块由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2和比较器U1组成，
电阻R6的一端与互锁检测电路输出端以及互锁回路起始端连接于节点n8；电阻R10的一端与互锁检测电路输入端以及互锁回路末尾端连接于节点n17；电阻R6的一端与电阻R5、电容C1的一端连接于节点n22；电容C1、电阻R7的一端与电源地连接于节点n23；电阻R5、R7的一端与比较器U1的正相端连接于节点n24；电阻R8、R9的一端与比较器U1的负相端连接于节点n25；电阻R8的一端与5V电源连接于节点n26；电阻R9、R10的一端与电容C2的一端连接于节点n27；电容C2的一端与电源地连接于节点n28；而比较器U1的输出端与控制器的输入端连接于节点n29，使得控制器单元能检测差分比较模块输出的第三PWM信号的特征。
6.一种动力电池高压互锁检测方法，采用根据权利要求1所述的动力电池高压互锁检测电路，其特征在于，该方法包括：
所述的第一信号转换模块将控制器单元输出的第一PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变；
所述的第二信号转换模块也将控制器单元输出的第二PWM信号幅值进行转换，其频率保持不变；
所述的差分比较模块将高压回路的输出端与输入端之间的低压互锁检测信号进行差分比较，输出第三PWM信号，并输出到控制器单元的第一输入端口；
控制器单元将比较第一PWM信号与第二PWM信号特征，当二者相位相差180°，其频率及幅值将相同，则控制器单元判断高压回路互锁已成功；
控制器单元识别第一PWM信号与第二PWM信号的差分信号为持续高电平状态时，则控制器单元判断高压回路互锁未成功。
7.根据权利要求6所述的动力电池高压互锁检测方法，其特征在于，控制器单元将高压回路互锁已成功的事件，或者高压回路互锁未成功的事件通过CAN总线上报给电动车的车辆控制单元。
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