電動汽車高壓檢測回路間串擾的預防方法

劉木林，卜凡濤，欒敬釗，單沖

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

0 引言

動力電池的高壓系統是電動汽車的一個非常關鍵的組成部分[1]。如何對高壓系統進行有效管理關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和保障[3]。在電動汽車動力電池系統中有多個高壓回路需要電池管理系統實時、準確地進行采集，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量多、采集的頻率及時間點都不盡相同，因此很容易發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，并且以此為基礎的其他的安全診斷項也會出現誤判情況[6]，如誤判正極或負極接觸器粘連、誤判絕緣狀態差等嚴重的故障。

本文通過一個案例，分析由于正極電壓檢測回路與負極狀態檢測回路相互影響造成電池管理系統誤判負極接觸器出現燒結的故障。詳細分析該故障產生的原因，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中，給出解決高壓系統中多路采集間串擾問題的通用解決方案。

1 兩路高壓采集間的串擾實例分析

動力電池高壓系統中包含多路電壓采集，這些采集電路表面看似沒有任何關聯，但在實際使用中它們之間會構成回路互相干擾。例如高壓直流母線的電壓采集和負極繼電器狀態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極接觸器狀態檢測回路由R3和R4構成，讀取端口為AD。

圖1 某電池系統的部分高壓檢測回路示意

針對負極接觸器檢測回路，AD讀數大致等于1/3測量電壓。設定測量電壓為3.9～4.8 V，即AD讀數為1.3～1.6 V范圍內判斷負極接觸器為有效的閉合狀態，大于1.6 V為無效值。

圖1中是兩路高壓采集共同構成的回路，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范圍內時，判斷負極接觸器為閉合狀態。

最后根據負極接觸器燒結故障的判斷邏輯，即發出負極接觸器斷開指令后檢測到該接觸器還是閉合狀態。考慮一種情況，在高壓下電后，接觸器為斷開狀態，U的電壓逐漸下降，當降到86～70 V范圍內時，電池管理系統判斷負極接觸器為閉合狀態，根據控制策略判斷負極接觸器由燒結故障造成的。在電池管理系統的故障列表中該故障為等級較高的故障，有可能導致電池系統無法上高壓電。

2 高壓串擾問題的解決方案

根據以上案例的分析，造成負極接觸器燒結誤報的原因是電池外部電壓檢測與負極狀態檢測電路構成回路的影響。解決方案的總體思路是：外部電壓檢測與負極狀態檢測分時進行，通過電子開關K1進行切換。在受影響的電壓區域執行分時邏輯，該區域設定為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2兩路串擾電壓分時檢測流程。

圖2 兩路串擾電壓分時檢測流程

如圖2的兩路串擾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擾的區間之內。如果是在有高壓采集串擾的區間之內，則斷開K1開關并開計時器1。然后進行負極接觸器的狀態檢測，采用連續采集3次選取中間值的方法。在采集期間要循環判斷電壓是否在串擾區間，只有在串擾區間內的情況下該循環才可繼續進行，不在此區間內的話則跳出該循環。第一路電壓采集的總用時大約為30 ms。然后進行第二路電壓的采集流程。首先閉合K1開關并開計時器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擾區間，如果在此區間的話接著如此反復測量兩路電壓，直到電壓跳出該區間結束控制流程。

3 電動汽車動力電池多路高壓檢測防串擾系統設計

以上案例僅是兩路高壓檢測間出現互相影響的案例，在高壓系統檢測的設計上可能出現類似影響的電壓回路還有很多。電動車高壓系統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、高壓絕緣狀態檢測、充電回路電壓檢測、負極接觸器狀態檢測、高壓回路保險絲狀態檢測，這6路高壓基本上包括了電動汽車高壓系統的所有部分。如果要消除可能存在的串擾問題，需要在電壓檢測點到檢測電路之間加一個可以快速開關的電子開關。電動汽車動力電池多路高壓檢測防串擾系統電路原理如圖3所示。

圖3 電動汽車動力電池多路高壓檢測防串擾系統電路原理

方案設計的基本思想是:首先需要找出有相互串擾問題的檢測回路，之后確定串擾產生的條件，并在這些條件下采用分時切換電子開關的方法避免串擾的發生。根據這種思想設計的控制流程如圖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，開關的選擇上需要使用可高速進行切換的電子開關，以及時序上的快速操作;

(2)串擾的條件要準確不能有遺漏，以上的案例找出的一個條件是電壓區間范圍，實際應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要分時等條件。

圖4展示了多路高壓檢測防串擾系統控制流程。流程開始后首先判斷第一個串擾條件是否滿足。滿足條件后，進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行檢測，至此第一個串擾條件的處理進行完畢。接下來以此類推，進行第2～6個串擾條件的判斷，直至所有條件判斷都結束。

圖4 多路高壓檢測防串擾系統控制流程

4 結束語

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生的串擾方法。總結起來，如果要從根本上避免類似問題，必須在需求分析、系統設計、硬件設計和軟件設計等各個環節都要注意。需求分析方面，要列出各個跟高壓檢測有關的功能并加以分析，不能有遺漏;系統設計方面，要合理設計高壓控制及采集回路，盡量減少相互間的干擾;硬件設計上，要對各路高壓采集進行模擬仿真，再次找出由于硬件設計需要而引入的干擾項并盡量避免，實在無法避免的，在相關回路上加入電子開關，以便進行分時檢測;軟件設計上，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。