电动汽车高压检测回路间串扰的预防方法

刘木林，卜凡涛，栾敬钊，单冲

1.东软睿驰汽车技术(沈阳)有限公司,辽宁沈阳 110179;2.国家电网大连供电公司,辽宁大连 116001

0 引言

动力电池的高压系统是电动汽车的一个非常关键的组成部分[1]。如何对高压系统进行有效管理关系到车辆是否能够安全、可靠、高效地运行[2]，而这其中对各路高压的采集功能又是基础和保障[3]。在电动汽车动力电池系统中有多个高压回路需要电池管理系统实时、准确地进行采集，例如电池组总电压、高压直流母线电压、充电回路电压、绝缘检测回路电压等[4]。由于采集的电压点数量多、采集的频率及时间点都不尽相同，因此很容易发生两路高压采集互相干扰的情况[5]。从而造成电压测量的失真，并且以此为基础的其他的安全诊断项也会出现误判情况[6]，如误判正极或负极接触器粘连、误判绝缘状态差等严重的故障。

本文通过一个案例，分析由于正极电压检测回路与负极状态检测回路相互影响造成电池管理系统误判负极接触器出现烧结的故障。详细分析该故障产生的原因，并给出了一种解决方案。最后将类似问题引申到整个高压采集系统中，给出解决高压系统中多路采集间串扰问题的通用解决方案。

1 两路高压采集间的串扰实例分析

动力电池高压系统中包含多路电压采集，这些采集电路表面看似没有任何关联，但在实际使用中它们之间会构成回路互相干扰。例如高压直流母线的电压采集和负极继电器状态检测的电路之间就存在互相干扰的问题。

图1为某电池系统的部分高压检测回路示意图。其中电池包直流母线总电压的检测回路由图中R1、K1和R2构成，读取AD2值，同时通过电阻分压计算可得总电压的实际值。另外一个检测高压回路即负极接触器状态检测回路由R3和R4构成，读取端口为AD。

图1 某电池系统的部分高压检测回路示意

针对负极接触器检测回路，AD读数大致等于1/3测量电压。设定测量电压为3.9～4.8 V，即AD读数为1.3～1.6 V范围内判断负极接触器为有效的闭合状态，大于1.6 V为无效值。

图1中是两路高压采集共同构成的回路，包含R1、K1、R2、二极管、R3和R4。按照该回路AD点的电压计算公式为AD=(U-0.6)×100/(100+200+20+5 000)。将上面分析的1.3 V和1.6 V两个AD电压点分别代入公式，可分别得到U为70 V和86 V。即外部总电压在70～86 V范围内时，判断负极接触器为闭合状态。

最后根据负极接触器烧结故障的判断逻辑，即发出负极接触器断开指令后检测到该接触器还是闭合状态。考虑一种情况，在高压下电后，接触器为断开状态，U的电压逐渐下降，当降到86～70 V范围内时，电池管理系统判断负极接触器为闭合状态，根据控制策略判断负极接触器由烧结故障造成的。在电池管理系统的故障列表中该故障为等级较高的故障，有可能导致电池系统无法上高压电。

2 高压串扰问题的解决方案

根据以上案例的分析，造成负极接触器烧结误报的原因是电池外部电压检测与负极状态检测电路构成回路的影响。解决方案的总体思路是：外部电压检测与负极状态检测分时进行，通过电子开关K1进行切换。在受影响的电压区域执行分时逻辑，该区域设定为65～90 V(包含以上分析的70～86 V)。分时检测的控制逻辑可参照图2两路串扰电压分时检测流程。

图2 两路串扰电压分时检测流程

如图2的两路串扰电压分时检测流程所示，首先判断电压是否在有高压采集串扰的区间之内。如果是在有高压采集串扰的区间之内，则断开K1开关并开计时器1。然后进行负极接触器的状态检测，采用连续采集3次选取中间值的方法。在采集期间要循环判断电压是否在串扰区间，只有在串扰区间内的情况下该循环才可继续进行，不在此区间内的话则跳出该循环。第一路电压采集的总用时大约为30 ms。然后进行第二路电压的采集流程。首先闭合K1开关并开计时器2，检测高压直流母线的电压，只检测一次即可，用时大约10 ms。接着判断电压是否还在串扰区间，如果在此区间的话接着如此反复测量两路电压，直到电压跳出该区间结束控制流程。

3 电动汽车动力电池多路高压检测防串扰系统设计

以上案例仅是两路高压检测间出现互相影响的案例，在高压系统检测的设计上可能出现类似影响的电压回路还有很多。电动车高压系统可能用到的检测功能包括：高压直流母线电压检测、电池组总电压检测、高压绝缘状态检测、充电回路电压检测、负极接触器状态检测、高压回路保险丝状态检测，这6路高压基本上包括了电动汽车高压系统的所有部分。如果要消除可能存在的串扰问题，需要在电压检测点到检测电路之间加一个可以快速开关的电子开关。电动汽车动力电池多路高压检测防串扰系统电路原理如图3所示。

图3 电动汽车动力电池多路高压检测防串扰系统电路原理

方案设计的基本思想是:首先需要找出有相互串扰问题的检测回路，之后确定串扰产生的条件，并在这些条件下采用分时切换电子开关的方法避免串扰的发生。根据这种思想设计的控制流程如图4所示。这里需要注意几个问题：

(1)为了保证电压采集的实时性，开关的选择上需要使用可高速进行切换的电子开关，以及时序上的快速操作;

(2)串扰的条件要准确不能有遗漏，以上的案例找出的一个条件是电压区间范围，实际应用还会有其他的条件，如绝缘检测和母线电压检测两个状态要分时等条件。

图4展示了多路高压检测防串扰系统控制流程。流程开始后首先判断第一个串扰条件是否满足。满足条件后，进行第一路高压的检测即高压直流母线电压的检测。此时第一路电压采集与其他的有干扰，因此要独立出来。操作上闭合K1，断开K2、K3、K4、K5、K6，只测量高压直流母线的电压，其他的电压暂时不测量，而且为了保证实时性，测量的时间要尽可能地短。测量结束后断开K1，闭合K2、K3、K4、K5、K6。此时把第一路脱离回路，对其余的各个电压采集点进行检测，至此第一个串扰条件的处理进行完毕。接下来以此类推，进行第2～6个串扰条件的判断，直至所有条件判断都结束。

图4 多路高压检测防串扰系统控制流程

4 结束语

本文提出了一种能够有效地避免电动汽车高压采集回路间产生的串扰方法。总结起来，如果要从根本上避免类似问题，必须在需求分析、系统设计、硬件设计和软件设计等各个环节都要注意。需求分析方面，要列出各个跟高压检测有关的功能并加以分析，不能有遗漏;系统设计方面，要合理设计高压控制及采集回路，尽量减少相互间的干扰;硬件设计上，要对各路高压采集进行模拟仿真，再次找出由于硬件设计需要而引入的干扰项并尽量避免，实在无法避免的，在相关回路上加入电子开关，以便进行分时检测;软件设计上，合理安排检测时序，要同时保证单独检测功能的实时可靠性及各路检测间不受干扰。