CN113156307A - 一种电池***高压继电器粘连故障检测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源电动汽车动力电池技术领域，公开了一种电池***高压继电器粘连故障检测电路及方法，通过DC/DC电源模块U1输出检测电流，依据高压继电器KM1的通断状态决定光耦U2中光敏三极管的输出电平状态，将高压继电器KM1的通断状态实时反馈给控制器(BMS或VCU或MCU)，控制器通过比较即可判断高压继电器KM1是否发生粘连故障，本发明的优点在于检测电路可独立工作在电池***高压部分，与控制器(BMS或VCU或MCU)部分电气隔离，不受干扰；且能够一对一的检测相应高压继电器的触点粘连情况，抗干扰能力强，具有电路结构简单，成本低廉、可靠性高的优点，同时可以多路复制应用到多路输出继电器的粘连故障检测上，具有较大的实用价值。

Description

一种电池***高压继电器粘连故障检测电路及方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车动力电池技术领域，特别涉及一种电池***高压继电器粘连故障检测电路及方法。
背景技术
目前，为了保障电动汽车行驶安全，针对整车电池***有一套完备的控制方案和保护逻辑，电池管理***(BMS)基于电池电化学特性承担起了这一关键角色，为电池的正常运行保驾护航，杜绝电池出现过充电和过放电等安全事故。
BMS保护电池的原理是通过高压继电器切断故障回路来实现的，一般来说，电动汽车高压***主要有放电回路、预充回路、慢充电回路、快充电回路以及DC/DC回路，有的车型还有助力转向回路、助力刹车回路、空调回路、加热回路等，如图1所示。每一个高压回路上都串接有高压继电器，电池***的动力通过高压继电器向后端负载提供能量，或者充电装置通过高压继电器向电池***进行能量灌输，BMS实时采集电池电压和温度等模拟量参数以及运行中的各种状态信息，在电池即将出现偏离正常工作范围的情况下及时控制并切断相应回路的高压继电器，中断相应回路中的能量交换，防止电池因电化学特性失控而发生燃烧事故，最终达到提高车辆安全性能和延长电池使用寿命的目的。
高压继电器通常工作在高电压、大电流的应用环境，还要经常性承受后级电机负载带来的反向电动势冲击，恶劣的使用场景一旦超过其最大分断能力和最大切换电压，高压继电器的动合触点就会发生粘连故障，即不能控制分开。另外，因分断次数增加、材料老化而导致金属触点磨损、拉弧、烧蚀等现象也会让高压继电器产生粘连故障。如果高压继电器发生粘连故障，BMS的控制就会失效，车辆安全和电池使用寿命就无从谈起。
针对高压继电器粘连故障可能带来的严重危害，国内许多研究人员在如何去检测及发现继电器粘连故障的方法上做了大量尝试，提出了多种设计方案，归纳起来主要有下面四种方案：其一，通过检测与比较高压继电器开合前后电池组总正、总负以及负载总正、总负各点之间电压情况，来判断其是否发生粘连故障，如专利CN104090229A、专利CN109849733A所述之方法；其二，通过在各高压回路并联分流采样电阻，计算处理并比较高压继电器开合前后分流电阻两端电压采样值来判断其是否发生粘连故障，如专利CN105527567A、专利CN106546915A、专利CN207689636U所述之方法；其三，采用信号注入法和信号耦合技术，通过在高压继电器动合触点之间注入低频交流小信号或者高频脉冲信号，再利用后端信号调理电路来检测和处理动合触点两端的响应信号，继而判断高压继电器是否发生粘连故障，如专利CN107340471A、专利CN209311636U、专利CN111650506A所述之方法；其四，选择带辅助触点的高压继电器，通过后端的信号处理电路来检测辅助触点状态，直接判断高压继电器是否发生粘连故障，如专利CN209417236U所述之方法。
上述的四种检测继电器粘连故障的方法各有弊端，方案一是目前电池***控制部分广泛采用的方法，电气结构如图2所示，它通过检测与比较各个高压继电器开合前后电池组总正、总负以及负载总正、总负各点之间电压情况，来判断其是否发生粘连故障，比如结合“检测点2”与“检测点1”之间的电压U21以及“检测点3”与“检测点1”之间的电压U31就能判断主正继电器是否发生粘连故障，结合“检测点2”与“检测点1”之间的电压U21以及“检测点2”与“检测点6”之间的电压U26就能判断主负继电器是否发生粘连故障，以此类推就能知道所有继电器是否发生粘连故障，但该方法需要多路高压隔离检测电路来支持，需要检测的继电器个数越多，成本越高，电路越复杂，极大地降低了产品的市场竞争力；方案二是通过在各高压回路并联分流采样电阻，计算处理并比较高压继电器开合前后分流电阻两端电压采样值来判断其是否发生粘连故障，但该方法人为的在电池高压回路并联了分流采样电阻，会导致电池***漏电，引发绝缘故障，并存在电池能量损耗；方案三采用信号注入法和信号耦合技术，通过在高压继电器动合触点之间注入低频交流小信号或者高频脉冲信号，再利用后端信号调理电路来检测和处理动合触点两端的响应信号，继而判断高压继电器是否发生粘连故障，但该方法需要引入信号源或信号发生器电路，还需要信号隔离、检波和调理电路，电路结构复杂，不适合多路继电器的粘连检测应用；方案四选择带辅助触点的高压继电器，通过后端的信号处理电路来检测辅助触点状态，直接判断高压继电器是否发生粘连故障，但该方法存在检测不可靠的问题，因为继电器辅助触点是通过主触点的机械联动机构来带动和操作的，如果联动机构失效，那么辅助触点自然就不灵，另外带辅助触点的高压继电器成本也较高，不合适电动汽车上应用。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种简单、低成本、可靠性高的电池***高压继电器粘连故障检测电路及方法，以解决上述高压继电器粘连故障检测方法存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提出的电池***高压继电器粘连故障检测电路，包括：DC/DC电源模块U1、光耦U2、限流电阻R1、限流电阻R2、反流二极管D1以及高压继电器KM1，所述DC/DC电源模块U1用于给检测电路提供一路隔离并独立的供电电源，所述DC/DC电源模块U1的输入端与控制器(BMS或VCU或MCU)电连接，所述限流电阻R1和限流电阻R2用于限制检测回路上的电流值，所述限流电阻R1和限流电阻R2分别与所述DC/DC电源模块U1的输出端电连接，所述限流电阻R2的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光耦U2包括检测发光二极管和光敏三极管，所述检测发光二极管的一端与所述限流电阻R1电连接，所述反流二极管D1用于阻断高压回路中的电流及电压流向粘连检测回路，防止低压器件被高压大电流击穿，所述检测发光二极管的另一端与所述反流二极管D1的一端电连接，所述反流二极管D1的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光敏三极管接到信号输出电路，并与控制器(BMS或VCU或MCU)信号处理电路共地。
进一步地，还包括上拉电阻R3，所述上拉电阻R3的两端分别与所述光敏三极管和信号输出电路电连接，所述上拉电阻R3用于信号电平转换。
进一步地，所述DC/DC电源模块U1的输出电压为12Vdc或5Vdc或3.3Vdc。
进一步地，本发明还提供一种电池***高压继电器粘连故障检测方法，采用上述的电路进行，包括如下步骤：
控制器(BMS或VCU或MCU)上电后，DC/DC电源模块U1输出检测电流；
如果高压继电器KM1处于断开状态，检测回路开路，光耦U2中检测发光二极管无电流通过，光耦U2中光敏三极管将处于断开状态，由于电阻R3的上拉作用，信号输出电路输出高电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
如果高压继电器KM1处于闭合状态，检测回路导通，光耦U2中检测发光二极管有电流通过，光耦U2中光敏三极管处于闭合状态，并短接于地，信号输出电路输出低电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论。
进一步地，所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态不符合，则有粘连故障产生。
进一步地，所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态相符合，则没有粘连故障产生。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明的技术方案，通过DC/DC电源模块U1输出检测电流，通过限流电阻R1、限流电阻R2、光耦U2中的检测发光二极管、反流二极管D1后流经待检测高压继电器KM1，依据高压继电器KM1的通断状态决定光耦U2中光敏三极管的输出电平状态，将高压继电器KM1的通断状态实时反馈给控制器(BMS或VCU或MCU)，控制器(BMS或VCU或MCU)结合自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可判断高压继电器KM1是否发生粘连故障。与现有技术相比，本发明的优点在于检测电路可独立工作在电池***高压部分，还可以放置于BMS内，也可以放置于整车控制器(VCU)或电机控制器(MCU)内，与控制器(BMS或VCU或MCU)部分电气隔离，不受干扰；且能够一对一的检测相应高压继电器的触点粘连情况，抗干扰能力强，不会产生绝缘漏电问题，具有电路结构简单，成本低廉、可靠性高的优点，同时可以多路复制应用到多路输出继电器的粘连故障检测上，具有较大的实用价值。
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为电动汽车整车网络拓扑图；
图2为现阶段广泛采用的继电器粘连故障检测方法之电气结构原理图；
图3为本发明提出的一种电池***高压继电器粘连故障检测电路的原理图；
图4为本发明提出的一种电池***高压继电器粘连故障检测方法的流程图。
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。
本发明提出一种电池***高压继电器粘连故障检测电路。
如图3和图4所示，在本发明一实施例中，该电池***高压继电器粘连故障检测电路，包括：DC/DC电源模块U1、光耦U2、限流电阻R1、限流电阻R2、反流二极管D1以及高压继电器KM1，所述DC/DC电源模块U1用于给检测电路提供一路隔离并独立的供电电源，所述DC/DC电源模块U1的输入端与控制器(BMS或VCU或MCU)电连接，所述限流电阻R1和限流电阻R2用于限制检测回路上的电流值，降低功耗同时防止电流过大而损坏二极管等半导体器件，但其阻值亦需要保证回路电流达到U2中检测发光二极管的正常工作电流，所述限流电阻R1和限流电阻R2分别与所述DC/DC电源模块U1的输出端电连接，所述限流电阻R2的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光耦U2属于光耦合隔离型器件，所述光耦U2包括检测发光二极管和光敏三极管，所述检测发光二极管的一端与所述限流电阻R1电连接，所述反流二极管D1用于阻断高压回路中的电流及电压流向粘连检测回路，防止低压器件被高压大电流击穿，所述检测发光二极管的另一端与所述反流二极管D1的一端电连接，所述反流二极管D1的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光敏三极管接到信号输出电路，并与控制器(BMS或VCU或MCU)信号处理电路共地。
具体地，还包括上拉电阻R3，所述上拉电阻R3的两端分别与所述光敏三极管和信号输出电路电连接，所述上拉电阻R3用于信号电平转换。
具体地，所述DC/DC电源模块U1的输出电压为12Vdc或5Vdc或3.3Vdc，功率选择0.25W即可满足要求，所述DC/DC电源模块U1用于给检测电路提供一路隔离并独立的供电电源，左边电源部分来自于控制器(BMS或VCU或MCU)，右边电源部分为隔离输出。
本发明还提供一种电池***高压继电器粘连故障检测方法，采用上述的电路进行，如图4所示，包括如下步骤：
S100：控制器(BMS或VCU或MCU)上电后，DC/DC电源模块U1输出检测电流；
S200：如果高压继电器KM1处于断开状态，检测回路开路，光耦U2中检测发光二极管无电流通过，光耦U2中光敏三极管将处于断开状态，由于电阻R3的上拉作用，信号输出电路输出高电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
S300：如果高压继电器KM1处于闭合状态，检测回路导通，光耦U2中检测发光二极管有电流通过，光耦U2中光敏三极管处于闭合状态，并短接于地，信号输出电路输出低电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
S400：控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论。
具体地，S400所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态不符合，则有粘连故障产生。
具体地，S400所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态相符合，则没有粘连故障产生。
具体地，本发明的技术方案通过DC/DC电源模块U1输出检测电流，通过限流电阻R1、限流电阻R2、光耦U2中的检测发光二极管、反流二极管D1后流经待检测高压继电器KM1，依据高压继电器KM1的通断状态决定光耦U2中光敏三极管的输出电平状态，将高压继电器KM1的通断状态实时反馈给控制器(BMS或VCU或MCU)，控制器(BMS或VCU或MCU)结合自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可判断高压继电器KM1是否发生粘连故障。与现有技术相比，本发明的优点在于检测电路通过磁耦隔离和光耦隔离器件可独立工作在电池***高压部分，还可以放置于BMS内，也可以放置于整车控制器(VCU)或电机控制器(MCU)内，与控制器(BMS或VCU或MCU)部分电气隔离，不受干扰；且能够一对一的检测相应高压继电器的触点粘连情况，抗干扰能力强，不会产生绝缘漏电问题，具有电路结构简单，成本低廉、可靠性高的优点，同时可以多路复制应用到多路输出继电器的粘连故障检测上，具有较大的实用价值。
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 (6)

1.一种电池***高压继电器粘连故障检测电路，其特征在于，包括：DC/DC电源模块U1、光耦U2、限流电阻R1、限流电阻R2、反流二极管D1以及高压继电器KM1，所述DC/DC电源模块U1用于给检测电路提供一路隔离并独立的供电电源，所述DC/DC电源模块U1的输入端与控制器(BMS或VCU或MCU电连接，所述限流电阻R1和限流电阻R2用于限制检测回路上的电流值，所述限流电阻R1和限流电阻R2分别与所述DC/DC电源模块U1的输出端电连接，所述限流电阻R2的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光耦U2包括检测发光二极管和光敏三极管，所述检测发光二极管的一端与所述限流电阻R1电连接，所述反流二极管D1用于阻断高压回路中的电流及电压流向粘连检测回路，防止低压器件被高压大电流击穿，所述检测发光二极管的另一端与所述反流二极管D1的一端电连接，所述反流二极管D1的另一端与所述高压继电器KM1电连接，所述光敏三极管接到信号输出电路，并与控制器(BMS或VCU或MCU)信号处理电路共地。
2.根据权利要求1所述的电池***高压继电器粘连故障检测电路，其特征在于，还包括上拉电阻R3，所述上拉电阻R3的两端分别与所述光敏三极管和信号输出电路电连接，所述上拉电阻R3用于信号电平转换。
3.根据权利要求1所述的电池***高压继电器粘连故障检测电路，其特征在于，所述DC/DC电源模块U1的输出电压为12Vdc或5Vdc或3.3Vdc。
4.一种电池***高压继电器粘连故障检测方法，其特征在于，采用如权利要求1～3中任一项所述的电路进行，包括如下步骤：
控制器(BMS或VCU或MCU)上电后，DC/DC电源模块U1输出检测电流；
如果高压继电器KM1处于断开状态，检测回路开路，光耦U2中检测发光二极管无电流通过，光耦U2中光敏三极管将处于断开状态，由于电阻R3的上拉作用，信号输出电路输出高电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
如果高压继电器KM1处于闭合状态，检测回路导通，光耦U2中检测发光二极管有电流通过，光耦U2中光敏三极管处于闭合状态，并短接于地，信号输出电路输出低电平到控制器(BMS或VCU或MCU)；
控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论。
5.根据权利要求4所述的电池***高压继电器粘连故障检测方法，其特征在于，所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态不符合，则有粘连故障产生。
6.根据权利要求4所述的电池***高压继电器粘连故障检测方法，其特征在于，所述的控制器(BMS或VCU或MCU)实时持续采集到高压继电器KM1的通断状态，结合其自身下发给高压继电器KM1的控制指令，通过比较即可很容易得到高压继电器KM1是否发生粘连故障的结论包括：如果控制器(BMS或VCU或MCU)下发的通断控制指令与高压继电器KM1实时反馈的通断状态相符合，则没有粘连故障产生。
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