CN113447707A - 一种电动汽车高压直流母线电压检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源电控技术领域，针对目前通常采用电阻分压法来检测高压直流母线电压所存在的缺陷，提出了一种电动汽车高压直流母线电压检测电路，摒弃了利用串联电阻进行分压采样的电路结构及方法，使用线性光电耦合器HCNR200来实现高压直流母线电压的精确检测，以及实现整车高压部分和低压部分的电气隔离，有效降低了高压强电对低压弱电的电磁干扰，同时，因为HCNR200中间传输的是电流信号而非电压信号，消除了大部分电压噪声的影响，极大地提高了电压采样精度，并通过选择“轨到轨”输出型运放，进一步拓宽了直流母线电压的检测范围。与现有技术相比，本发明的电路简单，线性度好，可靠性高，实用性强，能够很好地满足高压直流母线电压检测的需求。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电控技术领域，特别涉及一种电动汽车高压直流母线电压检测电路。
背景技术
电动汽车具有高效节能、零排放等突出特点，多国积极出台相关产业政策和法规，完善电动汽车产业链，加速推广电动汽车，促进低碳环保出行。据IEA预测，2030年全球电动车销量将达到2300万辆，在降低能耗、应对气候变化等多重因素驱动下，许多国家将推动电动汽车产业发展、实现绿色转型视为拉动经济持续复苏的新增长点。
电动汽车不同于传统的燃油汽车，它是由动力电池组提供能量和驱动力，其工作电压平台一般在200Vdc～750Vdc之间，与动力电池组相关的电气总成包括电池管理系统(BMS)、车载充电机(OBC)、整车控制器(VCU)、直流转换器(DC/DC)、电机控制器(MCU)、绝缘监测仪(IMD)等，这些车载电气总成的直流部分共同构成了电动汽车的高压直流母线，而在电动汽车的运行过程中，高压直流母线的电压需要实时监测，车上的多种控制器会根据检测到的电压值进行运算处理和逻辑保护判断。比如：BMS会根据高压直流母线电压进行预充电动作及总压过压保护判断，IMD会根据高压直流母线电压进行正、负直流母线绝缘电阻计算，OBC会根据高压直流母线电压调整充电电流输出，VCU、DC/DC及MCU会根据高压直流母线电压进行输入电压越限告警判断等等。
因此可以说，高压直流母线电压的检测是车载控制器的一个重要工作环节，事关电动汽车的运行安全，不可忽视。
目前，在新能源电动汽车领域，通常采用电阻分压法来检测高压直流母线电压，如专利CN202256484U、专利CN205229272U以及专利CN207625279U均是采用这种通用性的检测方法，其代表电路如图1所示，通过在高压正、负直流母线Vbus+和Vbus-之间串接多个分压电阻R1～R5，并将其中某个分压电阻R3设定为采样电阻，且采样电阻一端需要和检测电路低压部分共地，正负直流母线之间的高电压经过分压电阻后转换为采样电阻R3上的低电压信号，该低电压信号经过后端信号调理电路后进入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行进一步的运算处理。
采用电阻分压法来检测高压直流母线电压，虽然具有电路结构简单、成本低的优势，然而，这种检测方法在实际应用中却存在着明显的缺陷：其一，动力电池组的高压部分与车载控制器的低压部分无法做到电气绝缘隔离，高压部分和低压部分之间因为人为的串接有分压电阻，导致产生漏电流，且漏电流大小为max[(Vbus+)/(R1+R2+R3)，(Vbus-)/(R4+R5)]，该漏电流会影响整车绝缘性能，甚至导致IMD绝缘检测失败；其二，整车高压部分EMI可能会沿着采样电阻传导至低压电路部分，从而引起EMC问题；其三，采样电阻存在温度漂移特性，而电动汽车工作环境较为恶劣，温差变化幅度较大，会严重影响直流母线电压采样精度。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种电动汽车高压直流母线电压检测电路，旨在使强电和弱电完全隔离、绝缘，减小高压部分对低压部分的电磁干扰，提高直流母线电压采样精度。
为实现上述目的，本发明提出的电动汽车高压直流母线电压检测电路，包括运放U1～U3、线性光电耦合器U4、电阻R1～R10、电容C1～C7、TVS管VD1、高压直流母线正极Vbus+、高压直流母线负极Vbus-、电压检测电路输出正极Vout+以及电压检测电路输出负极Vout-，所述线性光电耦合器U4包括发光二极管D1、反馈光电二极管D2以及输出光电二极管D3，所述高压直流母线正极Vbus+、电阻R2、电阻R4以及电阻R6依次与所述运放U1的反相输入端串联电连接，所述电阻R1、电阻R3以及电阻R5分别与所述电阻R2、电阻R4以及电阻R6并联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-与所述运放U1的同相输入端电连接，所述电容C2的两端分别与所述运放U1的反相输入端和输出端电连接，所述运放U1的反相输入端与所述反馈光电二极管D2的负极电连接，所述发光二极管D1的负极与所述运放U1的输出端电连接，所述输出光电二极管D3的负极与所述运放U2的反相输入端电连接，所述电阻R8和电容C3的两端均分别与所述运放U2的反相输入端和输出端电连接，所述运放U2的输出端、电阻R9以及运放U3的同相输入端依次串联电连接，所述运放U3的反相输入端与输出端电连接，所述运放U3的输出端、电阻R10以及电压检测电路输出正极Vout+依次串联电连接，所述电容C5与所述运放U2的输出端电连接，所述电容C7和TVS管VD1的两端均分别与所述电压检测电路输出正极Vout+和电压检测电路输出负极Vout-电连接，所述运放U1分别与模拟电源A12Vdc和模拟电源地AGND电连接，所述电容C1与模拟电源A12Vdc电连接，所述发光二极管D1的正极、电阻R7以及模拟电源A12Vdc依次串联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-、电容C1以及反馈光电二极管D2的正极均分别与模拟电源地AGND电连接，所述运放U2和运放U3分别与数字电源D12Vdc和数字电源地GND电连接，所述电容C4和C6的一端分别与所述数字电源D12Vdc电连接，所述输出光电二极管D3的正极、运放U2的同相输入端、电容C4、电容C5、电容C6以及电压检测电路输出负极Vout-均分别与数字电源地GND电连接。
优选地，所述线性光电耦合器U4采用HCNR200芯片。
优选地，所述运放U1～U3均采用LMV358AM8X芯片。
优选地，所述电阻R1～R6的阻值、功率以及精度均分别为10MΩ、1W以及1％。
优选地，所述电阻R7的阻值、功率以及精度分别为1KΩ、0.25W以及5％。
优选地，所述电阻R8的阻值、功率以及精度分别为64.9KΩ、0.1W以及1％。
优选地，所述电容C1、C4～C7的电容值和精度均分别为0.1μF和5％。
优选地，所述电容C2和C3均为NPO电容器，所述电容C2和C3的电容值分别为47pF和33pF，所述电容C2和C3的精度均为5％。
优选地，所述TVS管VD1采用ESD5Z3.3T1型号的晶体管。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明提出的高压直流母线电压检测电路可以实现动力电池组的高压部分与车载控制器的低压部分完全电气隔离，不会产生漏电流而影响整车绝缘；
2、本发明提出的高压直流母线电压检测电路利用线性光电耦合器HCNR200中间传输的是电流信号而非电压信号的特性，消除了大部分电压噪声的干扰，极大地提高了电压采样精度，同时选择“轨到轨”输出型运放，进一步拓宽了直流母线电压的检测范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为采用电阻分压法检测高压直流母线电压的通用电路原理图；
图2为本发明提出的一种电动汽车高压直流母线电压检测电路原理图；
图3为本发明提出的一种电动汽车高压直流母线电压检测电路的所有电子元器件的参数规格。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种电动汽车高压直流母线电压检测电路。
如图1至图3所示，在本发明一实施例中，该电动汽车高压直流母线电压检测电路，包括运放U1～U3、线性光电耦合器U4、电阻R1～R10、电容C1～C7、TVS管VD1、高压直流母线正极Vbus+、高压直流母线负极Vbus-、电压检测电路输出正极Vout+以及电压检测电路输出负极Vout-，所述线性光电耦合器U4包括发光二极管D1、反馈光电二极管D2以及输出光电二极管D3，所述高压直流母线正极Vbus+、电阻R2、电阻R4以及电阻R6依次与所述运放U1的反相输入端串联电连接，所述电阻R1、电阻R3以及电阻R5分别与所述电阻R2、电阻R4以及电阻R6并联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-与所述运放U1的同相输入端电连接，所述电容C2的两端分别与所述运放U1的反相输入端和输出端电连接，所述运放U1的反相输入端与所述反馈光电二极管D2的负极电连接，所述发光二极管D1的负极与所述运放U1的输出端电连接，所述输出光电二极管D3的负极与所述运放U2的反相输入端电连接，所述电阻R8和电容C3的两端均分别与所述运放U2的反相输入端和输出端电连接，所述运放U2的输出端、电阻R9以及运放U3的同相输入端依次串联电连接，所述运放U3的反相输入端与输出端电连接，所述运放U3的输出端、电阻R10以及电压检测电路输出正极Vout+依次串联电连接，所述电容C5与所述运放U2的输出端电连接，所述电容C7和TVS管VD1的两端均分别与所述电压检测电路输出正极Vout+和电压检测电路输出负极Vout-电连接，所述运放U1分别与模拟电源A12Vdc和模拟电源地AGND电连接，所述电容C1与模拟电源A12Vdc电连接，所述发光二极管D1的正极、电阻R7以及模拟电源A12Vdc依次串联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-、电容C1以及反馈光电二极管D2的正极均分别与模拟电源地AGND电连接，所述运放U2和运放U3分别与数字电源D12Vdc和数字电源地GND电连接，所述电容C4和C6的一端分别与所述数字电源D12Vdc电连接，所述输出光电二极管D3的正极、运放U2的同相输入端、电容C4、电容C5、电容C6以及电压检测电路输出负极Vout-均分别与数字电源地GND电连接，Vout+和Vout-可以直接接入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行运算处理。
具体地，信号隔离的方法一般分为磁耦隔离和光耦隔离，光耦隔离使用光电耦合器件，把发光器件和光敏器件组装在一起，以光为媒介，实现输入和输出之间的电气隔离。光耦隔离是一种简单有效的隔离技术，切断了“地”干扰的传播途径，有效地抑制了尖峰脉冲和各种噪声干扰。HCNR200属于电流型光耦隔离器件，与普通非线性光耦不同，它具有更高的线性度，更高的精度和稳定性。
具体地，线性光电耦合器U4由发光二极管D1、反馈光电二极管D2和输出光电二极管D3组成，其工作原理为：当驱动电流IF通过发光二极管D1时，D1发出红外光(伺服光通量)，该光分别照射在D2、D3上，反馈光电二极管D2吸收D1的一部分光通量，从而产生控制电流IPD1，该电流用来调节IF以补偿D1的非线性和漂移特性。同时，输出光电二极管D3产生的输出电流IPD2与D1发出的伺服光通量成线性比例。由芯片规格书可知，输入光敏二极管电流传输比K1＝IPD1/IF＝0.5％(典型值)，传输增益K3＝IPD2/IPD1＝1(典型值)。
具体地，电阻R1～R7、运放U1、线性光电耦合器U4中的D1、D2以及电容C1、C2共同构成输入电压电流转换电路，电阻R1～R6的作用是将输入的高压直流母线电压转换为输入电流，采用多个电阻进行串并联是为了增大电气安全距离以及电阻耐受功率，电容C2可以防止电路产生振荡，滤除电路中的毛刺，R7为发光二极管D1的限流电阻，C1为电源滤波电容。
具体地，根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，有关系式：VU1-＝VU1+＝0，IU1-＝0，因此流经电阻R1～R6的电流会直接流向线性光电耦合器U4中的反馈光电二极管D2，即IPD1＝[(Vbus+)-(Vbus-)]/(R1//R2+R3//R4+R5//R6)；IPD1反过来调节运放U1输出及驱动电流IF，使VU1-维持在参考电压0V，运放U1及其周边器件实质上构成了一个电流并联负反馈电路。
具体地，电阻R8～R10、运放U2～U3、线性光电耦合器U4中的D3以及电容C3～C7共同构成输出电流电压转换电路，因为输出光电二极管D3受到发光二极管D1的光照，输出电流IPD2也跟着稳定线性变化，运放U2和电阻R8组成电流电压转换器，将D3电流IPD2转换成电压VU2OUT，且VU2OUT＝R8*IPD2；电容C3与电阻R8并联构成低通滤波器，以滤除线性光电耦合器U4产生的高频噪声；运放U3构成射极跟随器，用来提高检测电路的输出带载能力，隔离前级输出电路和后级处理电路，最终达到提升电压采样精度的目的；电阻R9、电容C5以及电阻R10、电容C7为传输线路上的滤波电路，用于滤除高频噪声和干扰；VD1是TVS管，用于后端芯片的过电压保护。
具体地，输入电压电流转换电路与输出电流电压转换电路，即线性光电耦合器U4两边供电电源电气隔离，分开不共地，以达到强电和弱电完全隔离绝缘，减小高压部分对低压部分的电磁干扰，另外，为了提高信号分辨率和抗干扰能力，两边供电均采取12Vdc电源。
本发明提出的直流母线电压检测电路所有电子元器件的参数如图3所示，为了提高电压采样精度，部分关键电子元器件的参数计算如下：
(1)确定最大驱动电流IF值：HCNR200规格书中给出的输入光敏二极管电流传输比K1＝IPD1/IF＝0.5％(典型值)，传输增益K3＝IPD2/IPD1＝1(典型值)，而测试IPD2、IPD1的电流范围是5nA～50uA，显然在这个区间内，IPD2和IPD1是高度一致的，该区间段对应的IF＝1uA～10mA，所以取最大的IF为10mA；
(2)电阻R1～R6计算：如前所述，IPD1能取的最大值为50uA，这也就是被测输入电压最大时的IPD1，电动汽车高压直流母线最高电压一般不超过750Vdc，所以R1～R6总电阻R1-6的计算公式为：R1-6≥750Vdc/50uA＝15MΩ，因此R1～R6选取相同规格电阻，阻值/功率/精度为10MΩ/1W/1％；
(3)电阻R7计算：HCNR200规格书中给出的LED正向压降VF＝1.6Vdc(典型值)，当运放U1输出电压为0V时，IF取最大值10mA，所以R7的计算公式为：R7≥(12Vdc-1.6Vdc)/10mA＝1.04KΩ，因此R7的阻值/功率/精度选用1KΩ/0.25W/5％；
(4)电阻R8计算：因为Vout+/Vout-会直接接入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行运算处理，如果后端选择CPU型号为：STM32F107VCT6，其内部ADC基准电平VREF拟定为3.3Vdc，为了使检测电路输出不越限，应控制VU2OUT≤3.3Vdc，即R8≤3.3Vdc/IPD2＝3.3Vdc/50uA＝66KΩ，因此R8的阻值/功率/精度选用64.9KΩ/0.1W/1％；
(5)运放U1～U3：如果输入直流母线电压较低，经过电流传输、光电感应和电流电压变换后，最后的输出电压幅度可能会比较小，在运放端甚至会出现截止失真(下限截止)，同时，运放的失调电压、偏置电流对电压采样精度也有很大影响，因此，选择运放型号为：LMV358AM8X，该运放属于“轨到轨”输出型，输入失调电压典型值为1mV，输入偏置电流小于1nA，基本可以满足采样精度的要求。
本发明针对目前通常采用电阻分压法来检测高压直流母线电压所存在的缺陷，提出了一种电动汽车高压直流母线电压检测电路，摒弃了利用串联电阻进行分压采样的电路结构及方法，而是使用线性光电耦合器HCNR200来实现高压直流母线电压的精确检测，以及实现整车高压部分和低压部分的电气隔离，有效降低了高压强电对低压弱电的电磁干扰，同时，因为HCNR200中间传输的是电流信号而非电压信号，消除了大部分电压噪声的影响，极大地提高了电压采样精度，并通过选择“轨到轨”输出型运放，进一步拓宽了直流母线电压的检测范围。与现有技术相比，本发明的电路简单，线性度好，可靠性高，实用性强，能够很好地满足高压直流母线电压检测的需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，包括运放U1～U3、线性光电耦合器U4、电阻R1～R10、电容C1～C7、TVS管VD1、高压直流母线正极Vbus+、高压直流母线负极Vbus-、电压检测电路输出正极Vout+以及电压检测电路输出负极Vout-，所述线性光电耦合器U4包括发光二极管D1、反馈光电二极管D2以及输出光电二极管D3，所述高压直流母线正极Vbus+、电阻R2、电阻R4以及电阻R6依次与所述运放U1的反相输入端串联电连接，所述电阻R1、电阻R3以及电阻R5分别与所述电阻R2、电阻R4以及电阻R6并联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-与所述运放U1的同相输入端电连接，所述电容C2的两端分别与所述运放U1的反相输入端和输出端电连接，所述运放U1的反相输入端与所述反馈光电二极管D2的负极电连接，所述发光二极管D1的负极与所述运放U1的输出端电连接，所述输出光电二极管D3的负极与所述运放U2的反相输入端电连接，所述电阻R8和电容C3的两端均分别与所述运放U2的反相输入端和输出端电连接，所述运放U2的输出端、电阻R9以及运放U3的同相输入端依次串联电连接，所述运放U3的反相输入端与输出端电连接，所述运放U3的输出端、电阻R10以及电压检测电路输出正极Vout+依次串联电连接，所述电容C5与所述运放U2的输出端电连接，所述电容C7和TVS管VD1的两端均分别与所述电压检测电路输出正极Vout+和电压检测电路输出负极Vout-电连接，所述运放U1分别与模拟电源A12Vdc和模拟电源地AGND电连接，所述电容C1与模拟电源A12Vdc电连接，所述发光二极管D1的正极、电阻R7以及模拟电源A12Vdc依次串联电连接，所述高压直流母线负极Vbus-、电容C1以及反馈光电二极管D2的正极均分别与模拟电源地AGND电连接，所述运放U2和运放U3分别与数字电源D12Vdc和数字电源地GND电连接，所述电容C4和C6的一端分别与所述数字电源D12Vdc电连接，所述输出光电二极管D3的正极、运放U2的同相输入端、电容C4、电容C5、电容C6以及电压检测电路输出负极Vout-均分别与数字电源地GND电连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述线性光电耦合器U4采用HCNR200芯片。
3.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述运放U1～U3均采用LMV358AM8X芯片。
4.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述电阻R1～R6的阻值、功率以及精度均分别为10MΩ、1W以及1％。
5.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述电阻R7的阻值、功率以及精度分别为1KΩ、0.25W以及5％。
6.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述电阻R8的阻值、功率以及精度分别为64.9KΩ、0.1W以及1％。
7.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述电容C1、C4～C7的电容值和精度均分别为0.1μF和5％。
8.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述电容C2和C3均为NPO电容器，所述电容C2和C3的电容值分别为47pF和33pF，所述电容C2和C3的精度均为5％。
9.根据权利要求1所述的电动汽车高压直流母线电压检测电路，其特征在于，所述TVS管VD1采用ESD5Z3.3T1型号的晶体管。
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