CN111731215B - 一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，属于汽车安全技术领域，包括RC滤波模块、运算放大器模块、驱动模块，安全气囊ECU通过线缆连接RC滤波模块，RC滤波模块、运算放大器模块、驱动模块顺次相连，BMS中的MCU、驱动模块、高压侧驱动器亦顺次相连，高压侧驱动器的输出端连接继电器，高压侧驱动器控制继电器的闭合和断开，BMS中的MCU的AD采样口接高压侧驱动器以回读其输出电压信号。安全气囊ECU、整车控制器VCU、BMS通过整车CAN网络互联通信，在继电器断开后通过BMS控制VCU请求附件工作以释放残余电流。此外，BMS接收到碰撞故障状态位信号后也发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

Description

一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种新能源汽车的碰撞保护快速反应电路。

背景技术

为了保证安全，目前现有的新能源汽车都有碰撞检测和保护的功能。具体是由车辆的安全气囊ECU检测碰撞状态，并向整车CAN网络上发生碰撞状态位信号，当整车控制器VCU检测到碰撞故障状态位信号时，整车控制器VCU进行下电处理，电池管理系统BMS接收到整车控制器VCU发送来的下电CAN通信指令后，电池管理系统BMS通过控制继电器线圈两端电压来断开继电器，从而切断车辆继电器的高压回路。但由于实现的整个过程控制信号需要经过的部件比较多，如ECU先进行碰撞状态的检测、再碰撞状态位需要提供CAN网络传递、后BMS执行继电器切断等，可靠性不高且存在控制延迟。另外，现阶段由于车辆功能安全的推广，碰撞到保护的机制过程对故障容忍时间FTTI有严苛的要求，促使以上传统的碰撞保护机制不能满足新的时间要求，而违背了功能安全的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新能源汽车的碰撞保护快速反应电路，将车辆的安全气囊ECU利用专用线缆连接该电路，由该电路对碰撞的PWM信号进行处理后传输给高压侧驱动器，以实现快速驱动继电器断开，并在继电器断开后通过BMS控制VCU请求附件工作以释放残余电流，有效的减少残余电流对车上零部件损坏，同时利用BMS同步接收整车CAN网络上的碰撞状态位信号后再次驱动继电器断开作为冗余设计，以进一步加强电路的功能安全性能，并在碰撞发生后碰撞故障得到解除后才驱动继电器闭合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，包括RC滤波模块、运算放大器模块、驱动模块、安全气囊ECU、电池管理系统BMS、高压侧驱动器、继电器、整车控制器VCU、直流电机、电机控制器MCU、直流转换器DC-DC，安全气囊ECU、电池管理系统BMS均接入整车CAN网络中，安全气囊ECU通过线缆连接RC滤波模块的输入端，RC滤波模块的输出端接运算放大器模块的输入端，运算放大器模块的输出端接驱动模块的输入端，电池管理系统BMS中的MCU芯片接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端接高压侧驱动器的输入端，高压侧驱动器的输出端通过低压电源线连接到继电器线圈一端，继电器线圈另外一端接地，高压侧驱动器控制继电器的闭合和断开，电池管理系统BMS中的MCU芯片的AD采样口接高压侧驱动器的输出端，电池管理系统BMS中的MCU芯片回读采样高压侧驱动器的输出电压信号；整车控制器VCU接入整车CAN网络中，电机控制器MCU、直流转换器DC-DC通过CAN通讯与整车控制器VCU连接，电机控制器MCU通过高压母线连接直流电机，直流电机搭载在车辆的轮毂上，直流转换器连接车辆的蓄电池，整车控制器VCU接收到继电器已断开的信号后，一方面向电机控制器MCU发送请求信号启动直流电机空转进行耗电，另一方面发送请求信号启动直流转换器DC-DC给蓄电池进行耗电，以将残余电流用负载消耗的方式给释放掉。

作为本发明的一种改进，所述RC滤波模块采用二阶RC低通滤波器，能够将安全气囊ECU输出的PWM方波信号转换为直流电平信号。

作为本发明的一种改进，所述运算放大器模块采用运算放大器减法电路，包括第一至第四电阻、运算放大器，第一电阻串联连接在RC滤波模块的输出端和运算放大器的反向输入端之间，第二电阻的一端接参考电压，另一端接运算放大器的同向输入端，第三电阻串联连接在运算放大器的同向输入端和地之间，第四电阻串联连接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端之间，运算放大器的输出端接驱动模块的输入端。

作为本发明的一种改进，所述驱动模块采用与门芯片设计实现，电池管理系统BMS中的MCU芯片和运算放大器的输出端分别接与门芯片的两个输入端，与门芯片的输出端接高压侧驱动器的输入端。

作为本发明的一种改进， 所述高压侧驱动器连接电池管理系统BMS，当碰撞发生时，安全气囊ECU同步将碰撞故障报文发送到整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

利用上述电路进行碰撞保护的控制方法为：车辆启动后，安全气囊ECU通过碰撞专用线缆传输占空比变化的PWM方波信号作为碰撞故障信号至RC滤波模块，RC滤波模块将PWM方波信号转化为直流电平信号，直流电平信号再经运算放大器模块作减法运算后输出高/低电平信号，高/低电平信号和电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的使能电压信号共同进入驱动模块进行与运算处理后输出高/低电平信号，高/低电平信号进入高压侧驱动器中经过处理后产生高/低电平驱动信号，由高/低电平驱动信号控制继电器线圈的得电与失电，从而控制继电器的闭合与断开；与此同时安全气囊ECU输出碰撞故障报文至整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

作为本发明的一种改进，车辆在遭受碰撞前后，安全气囊ECU输出的PWM方波信号是以交替方波方式传送，在车辆未遭受碰撞的情况下，安全气囊ECU输出特定的PWM方波信号经RC滤波模块转化为直流电平信号并进入运算放大器模块后输出高电平信号，该高电平信号和电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的使能电压信号共同进入驱动模块进行与运算处理后输出高电平信号，该高电平信号进入高压侧驱动器中经过处理后产生高电平驱动信号，高电平驱动信号控制继电器线圈得电以保持继电器处于闭合状态；当车辆遭受碰撞时，安全气囊ECU输出的PWM方波信号发生高、低电平翻转，此时运算放大器模块输出低电平信号，再经驱动模块处理后输出低电平信号，最后经高压侧驱动器处理后产生低电平驱动信号，进而迫使继电器线圈的两端电压趋于0V而致使继电器被断开；并在当继电器断开后，电池管理系统BMS中的MCU芯片通过AD采样口回读高压侧驱动器的输出电压值以确认继电器状态，并在整车CAN网络上发送继电器断开状态，同时请求整车控制器VCU进行放电处理，整车控制器VCU接收到电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的指令后请求电机控制器MCU、直流转换器DC-DC工作进行残余电流的释放。

作为本发明的一种改进， 所述运算放大器采用型号为NCV2904的单电源双运算放大器，所述电池管理系统BMS中的MCU芯片采用NXP公司的MPC5744P微控制器，所述与门芯片的型号为74HC08，所述高压侧驱动器采用具有MultiSense模拟反馈的高侧驱动器VN7040AJ，VN7040AJ的MultiSense引脚支持对输出电压的诊断，MPC5744P的一个AD采样口采集MultiSense引脚的电压信号。

作为本发明的一种改进， 所述参考电压取值为6V，第一和第二电阻的阻值为1KΩ，第三和第四电阻的阻值为2.5 KΩ，电池管理系统BMS中的MCU芯片输出的使能电压信号取值为5V。

相对于现有技术，本发明的电路结构设计巧妙，通过该电路提供了符合ISO 26262的碰撞保护快速反应机制，在当检测到碰撞故障发生时，可快速断开继电器，来达到碰撞发生时对人身及物品的保护时间满足FTTI的要求，有效的降低驾驶员和乘客对碰撞过程中的二次伤害，并通过直流电机和直流转换器将残余的电流释放掉，有效的减少残余电流对车上零部件的损害，延长了车辆零部件的使用寿命。 另外，利用BMS同步接收整车CAN网络上的碰撞状态位信号后再次驱动继电器断开作为冗余设计，以进一步加强电路的功能安全性能，在当碰撞专用线缆传输碰撞故障信号失效时，可通过BMS检测CAN通讯的碰撞故障信号状态，必要时直接由BMS切断继电器进行保护。

附图说明

图1为本发明优选实施例的新能源汽车碰撞保护快速反应电路架构图；

图2为本发明优选实施例的新能源汽车碰撞保护快速反应电路图；

图3为本发明优选实施例中安全气囊ECU输出的碰撞故障信号波形图；

图4为本发明优选实施例的新能源汽车碰撞保护快速反应电路工作流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

通过市场调研发现，目前整车厂通常会将碰撞的安全目标SG定义为ASILA等级，安全状态SS为切断整车高压回路，故障容忍时间FTTI是在20ms-200ms范围内。传统的设计无法保证每次都能在FTTI内进入到SS，这就违背了功能安全目标。

如图1示出了一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路的优选实施例，包括RC滤波模块、运算放大器模块、驱动模块、安全气囊ECU、电池管理系统BMS、整车控制器VCU、直流电机、电机控制器MCU、直流转换器DC-DC、高压侧驱动器和继电器。

安全气囊ECU、整车控制器VCU、电池管理系统BMS均接入整车CAN网络中，三者通过整车CAN网络进行信息互通。为了达到FTTI的安全时间目标，将安全气囊ECU的碰撞故障信号Crash通过专用线缆（屏蔽耐高压高热低阻抗高速线）直接连接RC滤波模块。并在当碰撞发生时，安全气囊ECU在整车CAN网络上发出碰撞的故障报文，BMS检测到故障报文时，立即断开继电器进行保护，并以此作为电路中的碰撞冗余保护设计。具体是将高压侧驱动器连接电池管理系统BMS，当碰撞发生时，安全气囊ECU同步将碰撞故障报文发送到整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

RC滤波模块的输出端接运算放大器模块的输入端，运算放大器模块的输出端接驱动模块的输入端，电池管理系统BMS中的MCU芯片接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端接高压侧驱动器的输入端，高压侧驱动器的输出端通过低压电源线连接到继电器线圈一端，继电器线圈另外一端接地，高压侧驱动器控制继电器的闭合和断开，电池管理系统BMS中的MCU芯片的AD采样口接高压侧驱动器的输出端，电池管理系统BMS中的MCU芯片回读采样高压侧驱动器的输出电压信号。

整车控制器VCU接入整车CAN网络中，电机控制器MCU、直流转换器通过CAN通讯与整车控制器VCU连接，电机控制器MCU通过高压母线连接直流电机，直流电机搭载在车辆的轮毂上，直流转换器连接车辆的蓄电池，整车控制器VCU接收到继电器已断开的信号后，一方面向电机控制器MCU发送请求信号启动直流电机空转进行耗电，另一方面发送请求信号启动直流转换器给蓄电池进行耗电，以将残余电流用负载消耗的方式给释放掉。

如图2所示，所述RC滤波模块采用二阶RC低通滤波器，能够将安全气囊ECU输出的PWM方波信号转换为直流电平信号。由图3可知，该直流电平信号电压值根据占空比及幅值可以得出：在碰撞发生前的电压值为8V，而在碰撞发生后的电压值为4V。

所述运算放大器模块采用运算放大器减法电路，包括第一至第四电阻、运算放大器，第一电阻R1串联连接在RC滤波模块的输出端和运算放大器的反向输入端之间，第二电阻R2的一端接参考电压，参考电压取值为6V，另一端接运算放大器的同向输入端，第三电阻R3串联连接在运算放大器的同向输入端和地之间，第四电阻R4串联连接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端之间，运算放大器的输出端接驱动模块的输入端。优选的是，所述运算放大器采用型号为NCV2904的单电源双运算放大器，第一电阻R1和第二电阻 2的阻值为1KΩ，第三电阻R3和第四电阻 4的阻值为2.5 KΩ。当直流电平信号的电压值为8V时，NCV2904的输出端输出电压值为5V高电平，而当直流电平信号的电压值为4V时，NCV2904的输出端输出电压值为低电平。

所述驱动模块采用与门芯片设计实现，优选的与门芯片的型号为74HC08。电池管理系统BMS中的MCU芯片和运算放大器的输出端分别接74HC08的两个输入端，74HC08的输出端接高压侧驱动器的输入端。优选的BMS中的MCU芯片采用NXP公司的MPC5744P微控制器，其输出的使能电压信号取值为5V。在当NCV2904的输出电压值和MPC5744P的使能电压值均为5V高电平时，74HC08的输出端Output输出引脚会发出高电平信号，而当NCV2904的输出电压值和MPC5744P的使能电压值不都为5V高电平时，74HC08的输出端Output输出引脚会发出低电平信号。

所述高压侧驱动器采用具有MultiSense模拟反馈的高侧驱动器VN7040AJ，当VN7040AJ的输入端输入为高电平信号时，VN7040AJ输出12V+，而当VN7040AJ的输入端输入为低电平信号时，VN7040AJ输出0V。VN7040AJ通过控制输出12V电压信号来控制继电器的闭合与断开。并且VN7040AJ的MultiSense引脚支持对输出电压的诊断，MPC5744P的一个AD采样口采集MultiSense引脚的电压信号。

如图4所示，利用上述电路进行碰撞保护的控制方法为：车辆启动后，安全气囊ECU通过Crash专用线传输特定波形的PWM方波信号（即如图3所示，该信号在碰撞发生前后其占空比是发生变化的）作为碰撞故障信号至二阶RC低通滤波器。二阶RC低通滤波器将PWM方波信号转化为直流电平信号，直流电平信号再经运算放大器模块作减法运算后输出高/低电平信号，高/低电平信号和MPC5744P发出的5V使能电压信号共同进入74HC08进行与运算处理后输出高/低电平信号，高/低电平信号进入VN7040AJ中经过处理后产生高/低电平驱动信号，由高/低电平驱动信号控制继电器线圈的得电与失电，从而控制继电器的闭合与断开。与此同时安全气囊ECU输出碰撞故障报文至整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给VN7040AJ以驱动继电器断开。

车辆在遭受碰撞前后，安全气囊ECU输出的PWM方波信号是以交替方波方式传送。在车辆未遭受碰撞的情况下，安全气囊ECU输出的PWM方波信号经二阶RC低通滤波器转化为8V直流电平信号并进入运算放大器模块后输出5V高电平信号，该5V高电平信号和MPC5744P发出的使能电压信号共同进入74HC08进行与运算处理后输出高电平信号，该高电平信号进入VN7040AJ中经过处理后产生12V高电平驱动信号，12V高电平驱动信号控制继电器线圈得电以保持继电器处于闭合状态。当车辆遭受碰撞时，安全气囊ECU输出的PWM方波信号发生高、低电平翻转，此时运算放大器模块输出低电平信号，再经74HC08处理后输出低电平信号，最后经VN7040AJ处理后产生0V低电平驱动信号，进而迫使继电器线圈的两端电压趋于0V而致使继电器被断开。并在当继电器断开后，MPC5744P通过AD采样口回读VN7040AJ的输出电压值以确认继电器状态，并在整车CAN网络上发送继电器断开状态，同时请求整车控制器VCU进行放电处理，整车控制器VCU接收到MPC5744P发出的指令后请求电机控制器MCU、DC-DC工作进行残余电流的释放。

本发明优选实施例提供了符合ISO 26262的碰撞保护快速反应机制，使得碰撞发生时，能有效的降低驾驶员和乘客对碰撞过程中的二次伤害，并通过附件放电的形式，有效的减少对车上零部件损坏。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于：包括RC滤波模块、运算放大器模块、驱动模块、安全气囊ECU、电池管理系统BMS、高压侧驱动器、继电器、整车控制器VCU、直流电机、电机控制器MCU、直流转换器DC-DC，安全气囊ECU、电池管理系统BMS均接入整车CAN网络中，安全气囊ECU通过线缆连接RC滤波模块的输入端，RC滤波模块的输出端接运算放大器模块的输入端，运算放大器模块的输出端接驱动模块的输入端，电池管理系统BMS中的MCU芯片接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端接高压侧驱动器的输入端，高压侧驱动器的输出端通过低压电源线连接到继电器线圈一端，继电器线圈另一端接地，高压侧驱动器控制继电器的闭合和断开，电池管理系统BMS中的MCU芯片的AD采样口接高压侧驱动器的输出端，电池管理系统BMS中的MCU芯片回读采样高压侧驱动器的输出电压信号；整车控制器VCU接入整车CAN网络中，电机控制器MCU、直流转换器通过CAN通讯与整车控制器VCU连接，电机控制器MCU通过高压母线连接直流电机，直流电机搭载在车辆的轮毂上，直流转换器连接车辆的蓄电池，整车控制器VCU接收到继电器已断开的信号后，一方面向电机控制器MCU发送请求信号启动直流电机空转进行耗电，另一方面发送请求信号启动直流转换器给蓄电池进行耗电，以将残余电流用负载消耗的方式给释放掉。

2.如权利要求1所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述RC滤波模块采用二阶RC低通滤波器，能够将安全气囊ECU输出的PWM方波信号转换为直流电平信号。

3.如权利要求2所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述运算放大器模块采用运算放大器减法电路，包括第一至第四电阻、运算放大器，第一电阻串联连接在RC滤波模块的输出端和运算放大器的反向输入端之间，第二电阻的一端接参考电压，另一端接运算放大器的同向输入端，第三电阻串联连接在运算放大器的同向输入端和地之间，第四电阻串联连接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端之间，运算放大器的输出端接驱动模块的输入端。

4.如权利要求3所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述驱动模块采用与门芯片设计实现，电池管理系统BMS中的MCU芯片和运算放大器的输出端分别接与门芯片的两个输入端，与门芯片的输出端接高压侧驱动器的输入端。

5.如权利要求4所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述运算放大器采用型号为NCV2904的单电源双运算放大器，所述电池管理系统BMS中的MCU芯片采用NXP公司的MPC5744P微控制器，所述与门芯片的型号为74HC08，所述高压侧驱动器采用具有MultiSense模拟反馈的高侧驱动器VN7040AJ。

6.如权利要求5所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述参考电压取值为6V，第一和第二电阻的阻值为1KΩ，第三和第四电阻的阻值为2.5 KΩ。

7.如权利要求6所述的一种新能源汽车碰撞保护快速反应电路，其特征在于，所述高压侧驱动器连接电池管理系统BMS，当碰撞发生时，安全气囊ECU同步将碰撞故障报文发送到整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

8.利用如权利要求7所述的新能源汽车碰撞保护快速反应电路进行碰撞保护的控制方法，其特征在于，车辆启动后，安全气囊ECU通过碰撞专用线缆传输占空比变化的PWM方波信号作为碰撞故障信号至RC滤波模块，RC滤波模块将PWM方波信号转化为直流电平信号，直流电平信号再经运算放大器模块作减法运算后输出高/低电平信号，高/低电平信号和电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的使能电压信号共同进入驱动模块进行与运算处理后输出高/低电平信号，高/低电平信号进入高压侧驱动器中经过处理后产生高/低电平驱动信号，由高/低电平驱动信号控制继电器线圈的得电与失电，从而控制继电器的闭合与断开；与此同时安全气囊ECU输出碰撞故障报文至整车CAN网络上，电池管理系统BMS接收到碰撞故障状态位信号后发送信号给高压侧驱动器以驱动继电器断开。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，车辆在遭受碰撞前后，安全气囊ECU输出的PWM方波信号是以交替方波方式传送，在车辆未遭受碰撞的情况下，安全气囊ECU输出特定的PWM方波信号经RC滤波模块转化为直流电平信号并进入运算放大器模块后输出高电平信号，该高电平信号和电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的使能电压信号共同进入驱动模块进行与运算处理后输出高电平信号，该高电平信号进入高压侧驱动器中经过处理后产生高电平驱动信号，高电平驱动信号控制继电器线圈得电以保持继电器处于闭合状态；当车辆遭受碰撞时，安全气囊ECU输出的PWM方波信号发生高、低电平翻转，此时运算放大器模块输出低电平信号，再经驱动模块处理后输出低电平信号，最后经高压侧驱动器处理后产生低电平驱动信号，进而迫使继电器线圈的两端电压趋于0V而致使继电器被断开；并在当继电器断开后，电池管理系统BMS中的MCU芯片通过AD采样口回读高压侧驱动器的输出电压值以确认继电器状态，并在整车CAN网络上发送继电器断开状态，同时请求整车控制器VCU进行放电处理，整车控制器VCU接收到电池管理系统BMS中的MCU芯片发出的指令后请求电机控制器MCU、直流转换器工作进行残余电流的释放。

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