CN111361514A - 一种客车用备份电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种客车用备份电源，采用双备份电源设计和双芯片控制设计，该备份电源包括高压电池、大功率DCDC、低压电池、低压系统电路、备份电源A、备份电源B、前置芯片和电压检测模块。备份电源A和备份电源B组成双备份电源，双备份电源能够在低压系统出现双点故障时，备份电源A立即输出电压以维持低压系统工作，继而能够实现对双点故障诊断记录和停机；前置芯片和主控芯片组成双芯片控制，这样可灵活地根据高压侧和低压侧信息结合低压系统需求去整合策略，进而合理地启动和关闭备份电源，以保证备份电源启动和关闭的安全性，该备份电源对各种电动汽车系统都具有可移植性和兼容性无需更改硬件。

Description

一种客车用备份电源

技术领域

本发明属于客车电源技术领域，具体涉及一种客车用备份电源。

背景技术

电动客车上的电机控制器其主要功能就是将电池的高压直流电，转换为交流电，来驱动电机运行。作为传动链上的重要一环，若电机失效，会直接威胁到人员的生命安全。这就是所谓的功能安全问题，为此电机控制器系统电路需要对单点失效、双点故障、冗余备份、检测诊断等一系列进行考虑。

在客车的电机控制器系统中，低压电保证了低压系统的正常工作，但若在供电过程中，出现低压电池供电异常掉电或断线情况下，依然要保证低压供电正常工作。

由于客车系统动力电池电压要比乘用车的高，备份电源工作在很高的电压下，需要考虑失效风险，那么当低压电池掉电与备份电源失效这类双点故障触发时，需要能够实现可诊断和可停机等安全操作。

随着客车日益增长的系统需求，备份电源需要结合系统策略来进行启动和关闭。如图1所示，为当前现有备份电源系统拓扑图，该备份技术有三大缺点：1.如果在低压电池掉电且备份电源失效时，将产生双点故障，此时低压节点P完全掉电，致使低压系统失去供电，且可能没有充足时间记录双点故障和停机处理；2.传统备份电源上高压电即启动，电源的启动和关闭无法进行编程控制，无法满足客车整合高压侧和低压侧信息来启动和关断电源的策略需求；3.传统备份电源是纯硬件实现，对于各种电动客车电压系统不具有可移植性和兼容性。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种客车用备份电源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种客车用备份电源，包括高压电池、大功率DCDC、低压电池和低压系统电路，大功率DCDC具有与高压电池联接的第一接线端和与低压电池连接的第二接线端，低压电池具有与大功率DCDC第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路联接的第二接线端，还包括：

备份电源A，该备份电源A具有与高压电池联接的第一接线端和与一开关联接的第二接线端，上述开关具有与备份电源A第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路联接的第二接线端；

备份电源B，该备份电源B具有与高压电池联接的第一接线端和与低压系统电路联接的第二接线端；

前置芯片，该前置芯片具有检测高压电池正负极之间电压的第一接线端和与备份电源B联接的第二接线端，以及与低压系统电路联接的第三接线端；

电压检测模块，该电压检测模块具有检测备份电源B输出电压的第一接线端和用于控制开关在导通和关断状态之间进行切换的第二接线端；

所述低压系统电路包括主控芯片，主控芯片具有检测低压电池输出电压的第一接线端和与前置芯片第三接线端联接的第二接线端，主控芯片与前置芯片为双向通讯联接。

所述前置芯片的第一接线端通过第一分压电路与高压电池联接，第一分压电路包括第一电阻和第二电阻，第一电阻具有与高压电池联接的第一接线端和与前置芯片第一接线端联接的第二接线端，第二电阻具有与第一电阻第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

所述备份电源B的第二接线端通过第一二极管与低压系统电路联接，第一二极管具有与备份电源B第二接线端联接的阳极和与低压系统电路联接的阴极，电压检测模块第一接线端接入第一二极管阴极和电压系统电路之间；

所述低压电池的第二接线端通过第二二极管与低压系统电路联接，第二二极管具有与低压电池第二接线端联接的阳极和与低压系统电路联接的阴极，主控芯片第一接线端接入低压电池第二接线端和第二二极管阳极之间。

所述电压检测模块的第一接线端通过第二分压电路接入第一二极管阴极和电压系统电路之间，第二分压电路包括第三电阻和第四电阻，第三电阻具有与备份电源B第二接线端联接的第一接线端和与电压检测模块第一接线端联接的第二接线端，第四电阻具有与第三电阻第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路的地平面联接的第二接线端；所述电压检测模块包括电压检测芯片。

所述主控芯片的第一接线端通过第三分压电路接入低压电池第二接线端和第二二极管阳极之间，第三分压电路包括第五电阻和第六电阻，第五电阻具有与低压电池第二接线端联接的第一接线端和与主控芯片第二接线端联接的第二接线端，第六电阻具有与第五电阻第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

所述主控芯片的第二接线端通过数字隔离器与前置芯片的第三接线端联接，数字隔离器具有与主控芯片第二接线端联接的第一接线端和与前置芯片第三接线端联接的第二接线端，数字隔离器第一接线端通过SPI总线与主控芯片第二接线端联接。

所述前置芯片还具有检测高压电池正极电流的第四接线端，前置芯片通过一电流传感器检测高压电池正极的电流，上述电流传感器的信号输出端与前置芯片第四接线端联接。

所述低压系统电路还包括EEPROM和PWM信号使能芯片，所述EEPROM和PWM信号使能芯片均与开关第二接线端联接，主控芯片还具有与开关第二接线端联接的第三接线端。

所述开关的第二接线端通过封锁信号电路与PWM信号使能芯片联接，封锁信号电路包括第三二极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻和三极管，第三二极管具有与开关第二接线端联接的阳极和与PWM信号使能芯片VCC引脚联接的阴极，第七电阻具有与第三二极管阴极联接的第一接线端和与PWM信号使能芯片EN引脚联接的第二接线端，三极管具有与第七电阻第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路的地平面联接的第二接线端，第八电阻具有与开关第二接线端联接的第一接线端和与三极管第三接线端联接的第二接线端，第九电阻具有与开关第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路的地平面联接的第二接线端。

所述主控芯片和前置芯片为单片机、DSP芯片、ARM芯片、FPGA芯片或CPLD芯片。

本发明的有益效果为：1.本发明提供的备份电源，当低压电池掉电且高压备份B故障时，备份电源A可以保证此类双点故障被诊断且能够停机。2.本发明提供的备份电源，增加前置单片机检测高压信息，结合主控单片机反馈的低压系统信息，可根据各种需求进行启动或关闭备份电源B；双单片机采集信息可根据系统需求编程控制备份电源，可兼容不同电池电压系统。

附图说明

图1是当前现有备份电源拓扑图。

图2是本发明备份电源拓扑图。

图3是本发明备份电源的启动方式示意图。

图4是本发明PWM信号使能芯片封锁信号的电路示意图。

具体实施方式

如图2～4所示，一种客车用备份电源，采用双备份电源设计和双芯片控制设计，该备份电源包括高压电池1、大功率DCDC2、低压电池5、低压系统电路8、备份电源A6、备份电源B7、前置芯片3（图中为前置单片机）和电压检测模块12。备份电源A6和备份电源B7组成双备份电源，双备份电源能够在低压系统出现双点故障时，备份电源A6立即输出电压以维持低压系统工作，继而能够实现对双点故障诊断记录和停机；前置芯片3和低压系统电路8中的主控芯片9（图中为主控单片机）组成双芯片控制，前置芯片3采集高压侧信息，主控芯片9收集低压侧信息，这样可灵活地根据高压侧和低压侧信息结合低压系统需求去整合策略，进而合理地启动和关闭备份电源，以保证备份电源启动和关闭的安全性，该备份电源对各种电动汽车系统都具有可移植性和兼容性无需更改硬件。

具体的，大功率DCDC2具有与高压电池1联接的第一接线端和与低压电池5连接的第二接线端，低压电池5具有与大功率DCDC2第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路8联接的第二接线端，大功率DCDC2用于将高压电转化为低压电，以供低压系统使用。

备份电源A6具有与高压电池1联接的第一接线端和与一开关13联接的第二接线端，上述开关13具有与备份电源A6第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路8联接的第二接线端。当系统正常运行时，高压电池1给备份电源A6供电，备份电源A6一上电就空载运行，备份电源A6二次侧输出是否带载由上述开关13控制，正常状态下，开关13处于打开状态。

备份电源B7具有与高压电池1联接的第一接线端和与低压系统电路8联接的第二接线端。

前置芯片3具有检测高压电池1正负极之间电压的第一接线端和与备份电源B7联接的第二接线端，以及与低压系统电路8联接的第三接线端；前置芯片3还具有检测高压电池1正极电流的第四接线端，前置芯片3通过一电流传感器H检测高压电池1正极的电流，上述电流传感器H的信号输出端与前置芯片3第四接线端联接。前置芯片3为单片机、DSP芯片、ARM芯片、FPGA芯片或CPLD芯片，本发明中前置芯片3选用单片机。

电压检测模块12具有检测备份电源B7输出电压的第一接线端和用于控制开关13在导通和关断状态之间进行切换的第二接线端。

所述低压系统电路8包括主控芯片9、EEPROM10和PWM信号使能芯片11，主控芯片9具有检测低压电池5输出电压的第一接线端和与前置芯片3第三接线端联接的第二接线端，主控芯片9还具有与开关13第二接线端联接的第三接线端，主控芯片9与前置芯片3为双向通讯联接。EEPROM10和PWM信号使能芯片11均与开关13第二接线端联接。主控芯片9为单片机、DSP芯片、ARM芯片、FPGA芯片或CPLD芯片，本发明中主控芯片9选用单片机。

进一步的，前置芯片3的第一接线端通过第一分压电路与高压电池联接，第一分压电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1具有与高压电池1联接的第一接线端和与前置芯片3第一接线端联接的第二接线端，第二电阻R2具有与第一电阻R1第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

进一步的，备份电源B7的第二接线端通过第一二极管D1与低压系统电路8联接，第一二极管D1具有与备份电源B7第二接线端联接的阳极和与低压系统电路8联接的阴极，电压检测模块12第一接线端接入第一二极管D1阴极和电压系统电路8之间；低压电池5的第二接线端通过第二二极管D2与低压系统电路8联接，第二二极管D2具有与低压电池5第二接线端联接的阳极和与低压系统电路8联接的阴极，主控芯片9第一接线端接入低压电池5第二接线端和第二二极管D2阳极之间。

进一步的，电压检测模块12的第一接线端通过第二分压电路接入第一二极管D1阴极和电压系统电路8之间，第二分压电路包括第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3具有与备份电源B7第二接线端联接的第一接线端和与电压检测模块12第一接线端联接的第二接线端，第四电阻R4具有与第三电阻R3第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路8的地平面联接的第二接线端；所述电压检测模块12包括电压检测芯片。

主控芯片9的第一接线端通过第三分压电路接入低压电池5第二接线端和第二二极管D2阳极之间，第三分压电路包括第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5具有与低压电池5第二接线端联接的第一接线端和与主控芯片9第二接线端联接的第二接线端，第六电阻R6具有与第五电阻R5第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

进一步的，主控芯片9的第二接线端通过数字隔离器4与前置芯片3的第三接线端联接，数字隔离器4具有与主控芯片9第二接线端联接的第一接线端和与前置芯片3第三接线端联接的第二接线端，数字隔离器4第一接线端通过SPI总线与主控芯片9第二接线端联接。

进一步的，开关13的第二接线端通过封锁信号电路与PWM信号使能芯片11联接，封锁信号电路包括第三二极管D3、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和三极管Q，第三二极管D3具有与开关13第二接线端联接的阳极和与PWM信号使能芯片11VCC引脚联接的阴极，第七电阻R7具有与第三二极管D3阴极联接的第一接线端和与PWM信号使能芯片11EN引脚联接的第二接线端，三极管Q具有与第七电阻R7第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路8的地平面联接的第二接线端，第八电阻R8具有与开关13第二接线端联接的第一接线端和与三极管Q第三接线端联接的第二接线端，第九电阻R9具有与开关13第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路8的地平面联接的第二接线端。三极管Q优先采用NPN三极管，三极管Q的基极与第八电阻R8的第二接线端联接，三极管Q的集电极与第七电阻R7的第二接线端联接，三极管Q的发射极与低压系统电路8的地平面联接。

本发明的工作过程为：如图1和图2所示，在传统的高压电池1、大功率DCDC2、低压电池5和低压系统电路8的基础上，增加了前置芯片3、数字隔离器4、备份电源A6、备份电源B7和电压检测模块12，并从低压系统电路8中细化出主控芯片9、EEPROM10和PWM信号使能芯片11。

如图2所示，系统正常上电时，高压电池1为备份电源A6提供能量，使其启动工作，备份电源A6输出受到开关13的控制，在正常状态下，开关13处于打开状态。

系统正常上电时，也并行发生低压电池5给低压系统电路8供给能量，主控芯片9通过第三分压电路采集低压电池5的输出电压信息，利用SPI总线的通信协议将此信息与低压侧其他信息提供给数字隔离器4，进而传输给前置芯片3。

与此同时，前置芯片3通过第一分压电路检测高压电池1正负极之间的电压，同时通过电流传感器H检测流过高压电池1正极的电流。

如图3所示，前置芯片3根据以上采集的高压信息和接收的低压信息进行整合，再结合系统需求进行编程，然后按需要输出一路使能信号进入备份电源B7内，使备份电源B7启动。

如图2所示，当低压电池5到节点P的路径发生故障断电时，该路径将不再有电流流过，节点P处的电压便开始跌落，然后第一二极管D1开始导通，第二二极管D2开始截止，第二二极管D2不再通过电流。备份电源B7输出的电流流经第一二极管D1到低压系统电路8中，此后备份电源B7开始为低压系统电路8提供能量，从而使低压系统供电维持正常状态。

同样情况，如图2所示，当低压电池5到节点P的路径发生故障断电时，该路径将不再有电流流过，节点P处的电压便开始跌落。但同时备份电源B7由于故障原因没有电压输出，则会导致第二二极管D2处于截止状态，那么节点P处电压将会一直降低，本发明利用电压检测模块12通过第二分压电路对节点P处的电压进行监测，一旦发现节点P处的电压跌路至设定的阈值，则输出一路控制信号给开关13，使开关13闭合。

开关13闭合使备份电源A6为主控芯片9、EEPROM10和PWM信号使能芯片11提供能量。

然后主控芯片9利用SPI通讯将故障信息传输给EEPROM10，记录到掉电可存储设备EEPROM10中，实现了故障诊断与记录。

与此同时，如图4所示，开关13闭合后，借助备份电源A6的输出电压Va，通过第三三极管D3为PWM信号使能芯片11的VCC引脚和第七电阻R7上电，使PWM信号使能芯片11正常工作。同时，备份电源A6的输出电压Va通过第八电阻R8使三极管Q饱和导通，继而使PWM信号使能芯片11的EN引脚处于低电平状态，从而关闭PWN路径，实现低压系统安全停机。

本发明提供的客车用备份电源，低压电池5掉电且备份电源B失效后，低压系统依然能够诊断和停机，提高了控制器的安全可靠性；使用了双芯片进行可编程控制备份电源，满足了未来的系统升级需求；备份电源无需更改硬件电路即可匹配各种电动客车低压系统，实现了备份电源设计的兼容性。尤其适用于客车的五合一电机控制器系统，双备份电源结合双芯片设计能够使控制器内各个部件得到双倍冗余保护，可以满足“能够防止单点失效，能够诊断双点故障，能够进入安全状态”的功能安全需求。

以上所述，仅是本发明的优选实施方式，并不是对本发明技术方案的限定，应当指出，本领域的技术人员，在本发明技术方案的前提下，还可以作出进一步的改进和改变，这些改进和改变都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种客车用备份电源，包括高压电池（1）、大功率DCDC（2）、低压电池（5）和低压系统电路（8），大功率DCDC（2）具有与高压电池（1）联接的第一接线端和与低压电池（5）连接的第二接线端，低压电池（5）具有与大功率DCDC（2）第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路（8）联接的第二接线端，其特征在于，还包括：

备份电源A（6），该备份电源A（6）具有与高压电池（1）联接的第一接线端和与一开关（13）联接的第二接线端，上述开关（13）具有与备份电源A（6）第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路（8）联接的第二接线端；

备份电源B（7），该备份电源B（7）具有与高压电池（1）联接的第一接线端和与低压系统电路（8）联接的第二接线端；

前置芯片（3），该前置芯片（3）具有检测高压电池（1）正负极之间电压的第一接线端和与备份电源B（7）联接的第二接线端，以及与低压系统电路（8）联接的第三接线端；

电压检测模块（12），该电压检测模块（12）具有检测备份电源B（7）输出电压的第一接线端和用于控制开关（13）在导通和关断状态之间进行切换的第二接线端；

所述低压系统电路（8）包括主控芯片（9），主控芯片（9）具有检测低压电池（5）输出电压的第一接线端和与前置芯片（3）第三接线端联接的第二接线端，主控芯片（9）与前置芯片（3）为双向通讯联接。

2.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述前置芯片（3）的第一接线端通过第一分压电路与高压电池（1）联接，第一分压电路包括第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一电阻（R1）具有与高压电池（1）联接的第一接线端和与前置芯片（3）第一接线端联接的第二接线端，第二电阻（R2）具有与第一电阻（R1）第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

3.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述备份电源B（7）的第二接线端通过第一二极管（D1）与低压系统电路（8）联接，第一二极管（D1）具有与备份电源B（7）第二接线端联接的阳极和与低压系统电路（8）联接的阴极，电压检测模块（12）第一接线端接入第一二极管（D1）阴极和电压系统电路（8）之间；

所述低压电池（5）的第二接线端通过第二二极管（D2）与低压系统电路（8）联接，第二二极管（D2）具有与低压电池（5）第二接线端联接的阳极和与低压系统电路（8）联接的阴极，主控芯片（9）第一接线端接入低压电池（5）第二接线端和第二二极管（D2）阳极之间。

4.根据权利要求3所述的客车用备份电源，其特征在于，所述电压检测模块（12）的第一接线端通过第二分压电路接入第一二极管（D1）阴极和电压系统电路之间，第二分压电路包括第三电阻（R3）和第四电阻（R4），第三电阻（R3）具有与备份电源B（7）第二接线端联接的第一接线端和与电压检测模块（12）第一接线端联接的第二接线端，第四电阻（R4）具有与第三电阻（R3）第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路（8）的地平面联接的第二接线端；所述电压检测模块（12）包括电压检测芯片。

5.根据权利要求3所述的客车用备份电源，其特征在于，所述主控芯片（9）的第一接线端通过第三分压电路接入低压电池（5）第二接线端和第二二极管（D2）阳极之间，第三分压电路包括第五电阻（R5）和第六电阻（R6），第五电阻（R5）具有与低压电池（5）第二接线端联接的第一接线端和与主控芯片（9）第二接线端联接的第二接线端，第六电阻（R6）具有与第五电阻（R5）第二接线端联接的第一接线端和用于接地的第二接线端。

6.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述主控芯片（9）的第二接线端通过数字隔离器（4）与前置芯片（3）的第三接线端联接，数字隔离器（4）具有与主控芯片（9）第二接线端联接的第一接线端和与前置芯片（3）第三接线端联接的第二接线端，数字隔离器（4）第一接线端通过SPI总线与主控芯片（9）第二接线端联接。

7.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述前置芯片（3）还具有检测高压电池（1）正极电流的第四接线端，前置芯片（3）通过一电流传感器（H）检测高压电池正极的电流，上述电流传感器（H）的信号输出端与前置芯片（3）第四接线端联接。

8.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述低压系统电路（8）还包括EEPROM（10）和PWM信号使能芯片（11），所述EEPROM（10）和PWM信号使能芯片（11）均与开关（13）第二接线端联接，主控芯片（9）还具有与开关（13）第二接线端联接的第三接线端。

9.根据权利要求8所述的客车用备份电源，其特征在于，所述开关（13）的第二接线端通过封锁信号电路与PWM信号使能芯片（11）联接，封锁信号电路包括第三二极管（D3）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）和三极管（Q），第三二极管（D3）具有与开关（13）第二接线端联接的阳极和与PWM信号使能芯片（11）VCC引脚联接的阴极，第七电阻（R7）具有与第三二极管（D3）阴极联接的第一接线端和与PWM信号使能芯片（11）EN引脚联接的第二接线端，三极管（Q）具有与第七电阻（R7）第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路（8）的地平面联接的第二接线端，第八电阻（R8）具有与开关（13）第二接线端联接的第一接线端和与三极管（Q）第三接线端联接的第二接线端，第九电阻（R9）具有与开关（13）第二接线端联接的第一接线端和与低压系统电路（8）的地平面联接的第二接线端。

10.根据权利要求1所述的客车用备份电源，其特征在于，所述主控芯片（9）和前置芯片（3）为单片机、DSP芯片、ARM芯片、FPGA芯片或CPLD芯片。

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