電動汽車高壓檢測回路間串?dāng)_的預(yù)防方法

劉木林，卜凡濤，欒敬釗，單沖

1.東軟睿馳汽車技術(shù)(沈陽)有限公司,遼寧沈陽 110179;2.國家電網(wǎng)大連供電公司,遼寧大連 116001

0 引言

動力電池的高壓系統(tǒng)是電動汽車的一個非常關(guān)鍵的組成部分[1]。如何對高壓系統(tǒng)進(jìn)行有效管理關(guān)系到車輛是否能夠安全、可靠、高效地運行[2]，而這其中對各路高壓的采集功能又是基礎(chǔ)和保障[3]。在電動汽車動力電池系統(tǒng)中有多個高壓回路需要電池管理系統(tǒng)實時、準(zhǔn)確地進(jìn)行采集，例如電池組總電壓、高壓直流母線電壓、充電回路電壓、絕緣檢測回路電壓等[4]。由于采集的電壓點數(shù)量多、采集的頻率及時間點都不盡相同，因此很容易發(fā)生兩路高壓采集互相干擾的情況[5]。從而造成電壓測量的失真，并且以此為基礎(chǔ)的其他的安全診斷項也會出現(xiàn)誤判情況[6]，如誤判正極或負(fù)極接觸器粘連、誤判絕緣狀態(tài)差等嚴(yán)重的故障。

本文通過一個案例，分析由于正極電壓檢測回路與負(fù)極狀態(tài)檢測回路相互影響造成電池管理系統(tǒng)誤判負(fù)極接觸器出現(xiàn)燒結(jié)的故障。詳細(xì)分析該故障產(chǎn)生的原因，并給出了一種解決方案。最后將類似問題引申到整個高壓采集系統(tǒng)中，給出解決高壓系統(tǒng)中多路采集間串?dāng)_問題的通用解決方案。

1 兩路高壓采集間的串?dāng)_實例分析

動力電池高壓系統(tǒng)中包含多路電壓采集，這些采集電路表面看似沒有任何關(guān)聯(lián)，但在實際使用中它們之間會構(gòu)成回路互相干擾。例如高壓直流母線的電壓采集和負(fù)極繼電器狀態(tài)檢測的電路之間就存在互相干擾的問題。

圖1為某電池系統(tǒng)的部分高壓檢測回路示意圖。其中電池包直流母線總電壓的檢測回路由圖中R1、K1和R2構(gòu)成，讀取AD2值，同時通過電阻分壓計算可得總電壓的實際值。另外一個檢測高壓回路即負(fù)極接觸器狀態(tài)檢測回路由R3和R4構(gòu)成，讀取端口為AD。

圖1 某電池系統(tǒng)的部分高壓檢測回路示意

針對負(fù)極接觸器檢測回路，AD讀數(shù)大致等于1/3測量電壓。設(shè)定測量電壓為3.9～4.8 V，即AD讀數(shù)為1.3～1.6 V范圍內(nèi)判斷負(fù)極接觸器為有效的閉合狀態(tài)，大于1.6 V為無效值。

圖1中是兩路高壓采集共同構(gòu)成的回路，包含R1、K1、R2、二極管、R3和R4。按照該回路AD點的電壓計算公式為AD=(U-0.6)×100/(100+200+20+5 000)。將上面分析的1.3 V和1.6 V兩個AD電壓點分別代入公式，可分別得到U為70 V和86 V。即外部總電壓在70～86 V范圍內(nèi)時，判斷負(fù)極接觸器為閉合狀態(tài)。

最后根據(jù)負(fù)極接觸器燒結(jié)故障的判斷邏輯，即發(fā)出負(fù)極接觸器斷開指令后檢測到該接觸器還是閉合狀態(tài)?？紤]一種情況，在高壓下電后，接觸器為斷開狀態(tài)，U的電壓逐漸下降，當(dāng)降到86～70 V范圍內(nèi)時，電池管理系統(tǒng)判斷負(fù)極接觸器為閉合狀態(tài)，根據(jù)控制策略判斷負(fù)極接觸器由燒結(jié)故障造成的。在電池管理系統(tǒng)的故障列表中該故障為等級較高的故障，有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法上高壓電。

2 高壓串?dāng)_問題的解決方案

根據(jù)以上案例的分析，造成負(fù)極接觸器燒結(jié)誤報的原因是電池外部電壓檢測與負(fù)極狀態(tài)檢測電路構(gòu)成回路的影響。解決方案的總體思路是：外部電壓檢測與負(fù)極狀態(tài)檢測分時進(jìn)行，通過電子開關(guān)K1進(jìn)行切換。在受影響的電壓區(qū)域執(zhí)行分時邏輯，該區(qū)域設(shè)定為65～90 V(包含以上分析的70～86 V)。分時檢測的控制邏輯可參照圖2兩路串?dāng)_電壓分時檢測流程。

圖2 兩路串?dāng)_電壓分時檢測流程

如圖2的兩路串?dāng)_電壓分時檢測流程所示，首先判斷電壓是否在有高壓采集串?dāng)_的區(qū)間之內(nèi)。如果是在有高壓采集串?dāng)_的區(qū)間之內(nèi)，則斷開K1開關(guān)并開計時器1。然后進(jìn)行負(fù)極接觸器的狀態(tài)檢測，采用連續(xù)采集3次選取中間值的方法。在采集期間要循環(huán)判斷電壓是否在串?dāng)_區(qū)間，只有在串?dāng)_區(qū)間內(nèi)的情況下該循環(huán)才可繼續(xù)進(jìn)行，不在此區(qū)間內(nèi)的話則跳出該循環(huán)。第一路電壓采集的總用時大約為30 ms。然后進(jìn)行第二路電壓的采集流程。首先閉合K1開關(guān)并開計時器2，檢測高壓直流母線的電壓，只檢測一次即可，用時大約10 ms。接著判斷電壓是否還在串?dāng)_區(qū)間，如果在此區(qū)間的話接著如此反復(fù)測量兩路電壓，直到電壓跳出該區(qū)間結(jié)束控制流程。

3 電動汽車動力電池多路高壓檢測防串?dāng)_系統(tǒng)設(shè)計

以上案例僅是兩路高壓檢測間出現(xiàn)互相影響的案例，在高壓系統(tǒng)檢測的設(shè)計上可能出現(xiàn)類似影響的電壓回路還有很多。電動車高壓系統(tǒng)可能用到的檢測功能包括：高壓直流母線電壓檢測、電池組總電壓檢測、高壓絕緣狀態(tài)檢測、充電回路電壓檢測、負(fù)極接觸器狀態(tài)檢測、高壓回路保險絲狀態(tài)檢測，這6路高壓基本上包括了電動汽車高壓系統(tǒng)的所有部分。如果要消除可能存在的串?dāng)_問題，需要在電壓檢測點到檢測電路之間加一個可以快速開關(guān)的電子開關(guān)。電動汽車動力電池多路高壓檢測防串?dāng)_系統(tǒng)電路原理如圖3所示。

圖3 電動汽車動力電池多路高壓檢測防串?dāng)_系統(tǒng)電路原理

方案設(shè)計的基本思想是:首先需要找出有相互串?dāng)_問題的檢測回路，之后確定串?dāng)_產(chǎn)生的條件，并在這些條件下采用分時切換電子開關(guān)的方法避免串?dāng)_的發(fā)生。根據(jù)這種思想設(shè)計的控制流程如圖4所示。這里需要注意幾個問題：

(1)為了保證電壓采集的實時性，開關(guān)的選擇上需要使用可高速進(jìn)行切換的電子開關(guān)，以及時序上的快速操作;

(2)串?dāng)_的條件要準(zhǔn)確不能有遺漏，以上的案例找出的一個條件是電壓區(qū)間范圍，實際應(yīng)用還會有其他的條件，如絕緣檢測和母線電壓檢測兩個狀態(tài)要分時等條件。

圖4展示了多路高壓檢測防串?dāng)_系統(tǒng)控制流程。流程開始后首先判斷第一個串?dāng)_條件是否滿足。滿足條件后，進(jìn)行第一路高壓的檢測即高壓直流母線電壓的檢測。此時第一路電壓采集與其他的有干擾，因此要獨立出來。操作上閉合K1，斷開K2、K3、K4、K5、K6，只測量高壓直流母線的電壓，其他的電壓暫時不測量，而且為了保證實時性，測量的時間要盡可能地短。測量結(jié)束后斷開K1，閉合K2、K3、K4、K5、K6。此時把第一路脫離回路，對其余的各個電壓采集點進(jìn)行檢測，至此第一個串?dāng)_條件的處理進(jìn)行完畢。接下來以此類推，進(jìn)行第2～6個串?dāng)_條件的判斷，直至所有條件判斷都結(jié)束。

圖4 多路高壓檢測防串?dāng)_系統(tǒng)控制流程

4 結(jié)束語

本文提出了一種能夠有效地避免電動汽車高壓采集回路間產(chǎn)生的串?dāng)_方法?？偨Y(jié)起來，如果要從根本上避免類似問題，必須在需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等各個環(huán)節(jié)都要注意。需求分析方面，要列出各個跟高壓檢測有關(guān)的功能并加以分析，不能有遺漏;系統(tǒng)設(shè)計方面，要合理設(shè)計高壓控制及采集回路，盡量減少相互間的干擾;硬件設(shè)計上，要對各路高壓采集進(jìn)行模擬仿真，再次找出由于硬件設(shè)計需要而引入的干擾項并盡量避免，實在無法避免的，在相關(guān)回路上加入電子開關(guān)，以便進(jìn)行分時檢測;軟件設(shè)計上，合理安排檢測時序，要同時保證單獨檢測功能的實時可靠性及各路檢測間不受干擾。