CN112526337B - 电动汽车继电器粘连检测电路及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电动汽车继电器粘连检测电路及其检测方法，其中电动汽车继电器粘连检测电路包括串接在正极母线中的主正继电器S1、串接在负极母线中的主负继电器S2、与主正继电器S1并联的第一感应支路、与主负继电器S2并联的第二感应支路、隔离变压器T1和粘连判断模块；隔离变压器T1的第一绕组N1和第二绕组N2分别串接在第一感应支路和第二感应支路中，第三绕组N3串接在粘连判断模块中，粘连判断模块通过第三绕组N3反馈第一和第二感应支路中的阻值、并根据采样结果判断主正继电器S1和主负继电器S2是否粘连；本发明不需要通过一步步闭合主负主正继电器单步进行继电器粘连检测，可以大大降低系统复杂度，缩短检测时间。
Description
技术领域
本发明涉及继电器控制电路，尤其涉及新能源电动汽车继电器粘连检测电路及其检测方法。
背景技术
随着节能减排，以及控制大气污染的需求，新能源汽车逐渐在市场商用，而电动汽车更是新能源汽车的主力军。
电动汽车高压主回路继电器控制着电池系统的放电，其可靠性直接关系到电动汽车的安全问题。高压继电器在粘连状态下无法受控断开，在故障状态无法断开可能造成严重的安全事故。因此，整车系统需要可靠的检测出继电器是否有粘连状态。
图1示出的是现有技术中电动汽车高压主回路的结构示意图。电动汽车高压主回路包括电池BAT与电池正极相连的主正继电器S1、负载和与电池负极相连的主负继电器S2。电池主正输出命名为BAT+，主负输出命名为BAT-。负载直接连接的正输入命名为LOAD+，负输入命名为LOAD+。
现有的继电器粘连检测采用电压检测方法，通过分别检测主正继电器和主负继电器两端的电压，受到外电路影响需要较长时间进行检测。部分方案使用多个信号继电器切换来消除外电路对粘连检测的影响。
同时由于采样结果需要提供给低压隔离电路的控制器进行判断，因此通常把控制和采样功能的控制器都放在低压侧。传统检测方法需要多个原副边隔离的供电电源、控制信号和AD采样信号，系统异常复杂。
例如CN104142466A 所述的检测方案需要独立的隔离电源和独立的隔离采样电路对采样电阻两端电压进行采样。例如CN205665378U所述检测方法虽然实现了与电池负载电路的脱离，同样需要额外的隔离电流检测支路。
复杂系统成本较高同时也降低了系统的可靠性，因此，设计一种简单、可靠的电动汽车继电器粘连检测电路及其检测方法是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种电动汽车继电器粘连检测电路及其检测方法。
本发明采用的技术方案是设计一种电动汽车继电器粘连检测电路，包括高压电池BAT、负载、串接在正极母线中的主正继电器S1、串接在负极母线中的主负继电器S2，还包括与所述主正继电器S1并联的第一感应支路、与所述主负继电器S2并联的第二感应支路、隔离变压器T1和粘连判断模块；所述隔离变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3，第一绕组N1串接在所述第一感应支路中，第二绕组N2串接在所述第二感应支路中，第三绕组N3串接在所述粘连判断模块中，粘连判断模块通过第三绕组N3反馈第一和第二感应支路中的阻值、并据此判断主正继电器S1和主负继电器S2是否粘连。
所述第一感应支路包括串联的第一二极管D1和第一特征电阻R1，其中第一二极管D1的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第一特征电阻R1的一端，第一特征电阻R1的另一端通过所述第一绕组N1连接负载的正极LOAD+；所述第二感应支路包括串联的第二二极管D2和第二特征电阻R2，其中第二二极管D2的阴极连接高压电池BAT的负极、其阳极连接第二特征电阻R2的一端，第二特征电阻R2的另一端通过所述第二绕组N2连接负载的负极LOAD-。
所述第一特征电阻R1和第二特征电阻R2的阻值不相同。
在一个方案中，所述粘连判断模块包括上拉电阻R3、第三开关S3和控制器，其中上拉电阻R3的一端连接固定电平VCC，上拉电阻R3的另一端连接采样点A，所述采样点A连接所述第三绕组N3的一端和控制器的采样输入端，第三绕组N3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止。
在另一个方案中，所述粘连判断模块包括上拉电阻R3、第三开关S3和控制器，其中固定电平VCC通过第三绕组N3连接采样点A，所述采样点A连接上拉电阻R3的一端和控制器的采样输入端，上拉电阻R3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止。
所述第三开关S3采用信号继电器、三极管、MOS管、半导体开关中的一种
所述主正继电器S1两端并联预充支路，所述预充支路包括串联的预充继电器S0和预充电阻R0；第四感应支路与预充继电器并联；所述第四感应支路包括串联的第四二极管D4和第四特征电阻R4，其中第四二极管D4的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第四特征电阻R4的一端，第四特征电阻R4的另一端通过第四绕组N4连接负载的正极LOAD+；所述第四绕组N4为隔离变压器T1的一个绕组。
所述第一特征电阻R1、第二特征电阻R2、第四特征电阻R4的阻值各不同。
本发明还设计了一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，所述粘连检测电路采用上述的电动汽车继电器粘连检测电路，所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1和主负继电器S2；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较（也可以将采样电压转换成电阻值 进行阻值比较），进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
本发明还设计了另外一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，所述粘连检测电路采用上述的电动汽车继电器粘连检测电路，所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1、主负继电器S2和预充继电器S0；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较，进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明使用变压器进行隔离激励采样获取高压继电器是否粘连的状态，高效可靠的识别出单个或者多个继电器是否粘连的状态，本发明不需要额外的隔离电源供电，也不需要额外的隔离控制与隔离信号传输电路，不需要使用信号继电器也不需要通过一步步闭合主负主正继电器单步进行继电器粘连检测，可以大大降低系统复杂度，缩短检测时间；同时具有体积小成本低的优点。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是电动汽车高压主回路的结构示意图；
图2是本发明较佳实施例电路结构示意图；
图3是本发明继电器粘连检测电路等效示意图；
图4a是一个继电器粘连时的检测电路等效示意图；
图4b是两个继电器粘连时的检测电路等效示意图；
图5a是图2实施例的变形例的电路图；
图5b是图5a检测电路等效示意图；
图6是本发明继电器粘连检测方法流程示意图；
图7是本发明继电器粘连检测控制采样时序图；
图8是检测三个继电器粘连状态的电路示意图；
图9是磁复位模块的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种电动汽车继电器粘连检测电路，参看图1，所述粘连检测电路包括高压电池BAT、负载、串接在正极母线中的主正继电器S1、串接在负极母线中的主负继电器S2。参看图2示出的本发明较佳实施例电路结构示意图，所述粘连检测电路还包括与所述主正继电器S1并联的第一感应支路、与所述主负继电器S2并联的第二感应支路、隔离变压器T1和粘连判断模块；所述隔离变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3，第一绕组N1串接在所述第一感应支路中，第二绕组N2串接在所述第二感应支路中，第三绕组N3串接在所述粘连判断模块中，粘连判断模块通过第三绕组N3反馈第一和第二感应支路中的阻值、并据此判断主正继电器S1和主负继电器S2是否粘连。
需要指出，为避免在检测继电器是否粘连时隔离变压器T1饱和，导致无法进行正常检测，需要在第三绕组N3两端并联磁复位模块，图9示出了磁复位模块的典型电路图，从图中可以看出，电阻R与电容C并联后与二极管串联，磁复位模块在S3关断后变压器励磁续流产生反向励磁，使得变压器磁芯复位。这是一个典型的RCD磁复位电路。磁复位电路可以有效的避免变压器铁芯饱和。磁复位模块还有其他拓扑结构和连接方式（比如在图2中磁复位模块的右端改接到固定电平VCC上），但磁复位模块不是本发明的发明点，在此不再赘述。
在较佳实施例中，所述第一感应支路包括串联的第一二极管D1和第一特征电阻R1，其中第一二极管D1的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第一特征电阻R1的一端，第一特征电阻R1的另一端通过所述第一绕组N1连接负载的正极LOAD+。所述第二感应支路包括串联的第二二极管D2和第二特征电阻R2，其中第二二极管D2的阴极连接高压电池BAT的负极、其阳极连接第二特征电阻R2的一端，第二特征电阻R2的另一端通过所述第二绕组N2连接负载的负极LOAD-。
在较佳实施例中，所述第一特征电阻R1和第二特征电阻R2的阻值不相同，在继电器粘连时通过检测电压或电阻来分辨是哪个继电器粘连。
在较佳实施例中，在一个实施例中，所述粘连判断模块包括上拉电阻R3、第三开关S3和控制器，其中上拉电阻R3的一端连接固定电平VCC，上拉电阻R3的另一端连接采样点A，所述采样点A连接所述第三绕组N3的一端和控制器的采样输入端，第三绕组N3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止。控制器不仅可对第三开关S3进行开通和闭合的控制，并对隔离变压器与上拉电阻的连接采样点A 进行电压采样，同时会对采样结果进行运算判断以获得继电器粘连状态。采样结束后关闭第三开关S3，隔离变压器进行磁复位，可采用多种常见的复位方式进行磁复位。
继电器粘连检测时，整车控制主正继电器S1和主负继电器S2断开后，控制器控制第三开关S3闭合，VCC通过上拉电阻R3将电压加到隔离变压器原边绕组，隔离变压器副边感应出电压。此检测电压远小于电池电压，因此不会与负载和电池形成回路，因此可以将电池与负载等效为断开。于是可以得到图3的等效电路。等效电路按照变压器匝比将变压器的副边阻抗等效到原边。
第三开关S3闭合后，当继电器都是断开时，串联阻抗无穷大，没有电流流过第三开关R3。控制器检测到A点电压与VCC电压相等。
当有一个继电器粘连时，检测等效电路如图4a，两个继电器粘连时：检测等效电路如图4b。此时A点电压为：
公式1
其中n为变压器变比，Vd为二极管压降，Rx为副边等效到原边的电阻值，当多个粘连时此为多个粘连继电器检测电阻并联值。也可以由A点电压计算副边并联等效到原边的电阻值：
公式2
副边并联电阻值：
公式3
例如设定隔离变压器变比为1:10，R3=1kohm，R1= 100kohm， R2=200kohm，二极管压降约为0.7V，VCC=5V。
主正继电器粘连时：Va理论检测电压为2.535V 。
主负继电器粘连时：Va理论检测电压为 3.357V 。
主正主负继电器都粘连时：Va理论检测电压为 2.042V 。
因此通过检测Va电压值范围就可以判断出各个继电器的粘连状态，例如Va<1.8判断为检测电路异常；Va=[1.8，2.2 ] 判断为两个继电器粘连，Va=[2.35，2.8 ] 判断为主正继电器粘连， Va=[3，3.8 ] 。Va>3.8V判断为无继电器粘连。
也可以通过公式2计算阻值判断继电器粘连状态，例如Rsx= 66.7kohm±15kohmRsx=100k±15kohm rsx=200kohm±15kohm 分别可以判断为主正主负继电器都粘连，主正继电器粘连和主负继电器粘连。
为方便计算，在较佳实施例中所述第一特征电阻R1、第二特征电阻R2、第四特征电阻R4的阻值各不同。所述第一绕组N1、第二绕组N2、第四绕组N4的匝数相同。
对图2实施例的变形形成另一个实施例，参看图5，所述粘连判断模块包括上拉电阻R3、第三开关S3和控制器，其中固定电平VCC通过第三绕组N3连接采样点A，所述采样点A连接上拉电阻R3的一端和控制器的采样输入端，上拉电阻R3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止。
本发明可以通过增减变压器绕组与感应支路实现单继电器和多继电器的粘连检测扩展。参看图8示出的检测三个继电器粘连状态的电路示意图。所述主正继电器S1两端并联预充支路，所述预充支路包括串联的预充继电器S0和预充电阻R0；预充继电器S0与第四感应支路并联；所述第四感应支路包括串联的第四二极管D4和第四特征电阻R4，其中第四二极管D4的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第四特征电阻R4的一端，第四特征电阻R4的另一端通过第四绕组N4连接负载的正极LOAD+；所述第四绕组N4为隔离变压器T1的一个绕组。
本发明转化为产品时，所述第三开关S3可采用信号继电器、三极管、MOS管、半导体开关中的一种。
本发明还公开了一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，所述粘连检测电路采用上述的电动汽车继电器粘连检测电路，本检测方法运用于主正继电器S1和主负继电器S2粘连检测。参看图6示出的检测方法流程示意图，所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1和主负继电器S2；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较，进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
本发明还公开了另外一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，所述粘连检测电路采用上述的电动汽车继电器粘连检测电路，本检测方法运用于主正继电器S1、主负继电器S2和预充继电器S0粘连检测。所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1、主负继电器S2和预充继电器S0；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较，进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
阈值的计算可以采用上述公式1、2、3，通过检测Va电压值范围就可以判断出各个继电器的粘连状态，按照前文举例，Va<1.8判断为检测电路异常；Va=[1.8，2.2 ] 判断为两个继电器粘连，Va=[2.35，2.8 ] 判断为主正继电器粘连， Va=[3，3.8 ] 。Va>3.8V判断为无继电器粘连。应当理解到各种应用场所特征电阻的取值不同，阈值范围会有所不同。
检测时的采样时序如图7所示，图中To后半段是是虚线，表示t1采样完成后的任何时刻都可以关闭s3。当所述第三开关S3采用信号继电器时，所述T的取值范围为1ms以上。当所述第三开关S3采用半导体开关时，所述T的取值范围可为1至10us。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。
Claims (7)
1.一种电动汽车继电器粘连检测电路，包括高压电池BAT、负载、串接在正极母线中的主正继电器S1、串接在负极母线中的主负继电器S2，其特征在于，还包括与所述主正继电器S1并联的第一感应支路、与所述主负继电器S2并联的第二感应支路、隔离变压器T1和粘连判断模块；所述隔离变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3，第一绕组N1串接在所述第一感应支路中，第二绕组N2串接在所述第二感应支路中，第三绕组N3串接在所述粘连判断模块中，粘连判断模块通过第三绕组N3反馈第一和第二感应支路中的阻值、并据此判断主正继电器S1和主负继电器S2是否粘连;
所述第一感应支路包括串联的第一二极管D1和第一特征电阻R1，其中第一二极管D1的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第一特征电阻R1的一端，第一特征电阻R1的另一端通过所述第一绕组N1连接负载的正极LOAD+；所述第二感应支路包括串联的第二二极管D2和第二特征电阻R2，其中第二二极管D2的阴极连接高压电池BAT的负极、其阳极连接第二特征电阻R2的一端，第二特征电阻R2的另一端通过所述第二绕组N2连接负载的负极LOAD-;
所述粘连判断模块包括上拉电阻R3、第三开关S3和控制器;
其中上拉电阻R3的一端连接固定电平VCC，上拉电阻R3的另一端连接采样点A，所述采样点A连接所述第三绕组N3的一端和控制器的采样输入端，第三绕组N3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止；
或者其中固定电平VCC通过第三绕组N3连接采样点A，所述采样点A连接上拉电阻R3的一端和控制器的采样输入端，上拉电阻R3的另一端通过第三开关S3接地，控制器控制第三开关S3的导通和截止。
2.如权利要求1所述的电动汽车继电器粘连检测电路，其特征在于，所述第一特征电阻R1和第二特征电阻R2的阻值不相同。
3.如权利要求1所述的电动汽车继电器粘连检测电路，其特征在于，所述第三开关S3采用信号继电器、三极管、MOS管、半导体开关中的一种。
4.如权利要求1至3任一项所述的电动汽车继电器粘连检测电路，其特征在于，所述主正继电器S1两端并联预充支路，所述预充支路包括串联的预充继电器S0和预充电阻R0；预充继电器S0与第四感应支路并联；所述第四感应支路包括串联的第四二极管D4和第四特征电阻R4，其中第四二极管D4的阳极连接高压电池BAT的正极、其阴极连接第四特征电阻R4的一端，第四特征电阻R4的另一端通过第四绕组N4连接负载的正极LOAD+；所述第四绕组N4为隔离变压器T1的一个绕组。
5.如权利要求4所述的电动汽车继电器粘连检测电路，其特征在于，所述第一特征电阻R1、第二特征电阻R2、第四特征电阻R4的阻值各不同。
6.一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，其特征在于，所述粘连检测电路采用权利要求1至3任一项所述的电动汽车继电器粘连检测电路，所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1和主负继电器S2；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较，进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
7.一种电动汽车继电器粘连检测电路的检测方法，其特征在于，所述粘连检测电路采用权利要求4至5任一项所述的电动汽车继电器粘连检测电路，所述检测方法包括：步骤1、断开主正继电器S1、主负继电器S2和预充继电器S0；步骤2、闭合第三开关S3；步骤3、延时T后检测采样点A的电压；步骤4、将采样点A的电压与阈值进行比较，进而判断是否有继电器粘连、若有粘连具体是哪个继电器粘连。
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