一種BMS診斷繼電器粘連設(shè)計(jì)

陳濤

摘 要：繼電器是控制電動(dòng)汽車高壓電源通斷的核心部件，需要保證繼電器的正常工作，才能保證整車的安全運(yùn)行。實(shí)際使用過(guò)程中因控制時(shí)序不合理、銅排線束接觸不良、繼電器本身質(zhì)量不過(guò)關(guān)等問(wèn)題，導(dǎo)致繼電器易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，直接導(dǎo)致整車高壓電源不受控，對(duì)整車的安全使用產(chǎn)生極大危害。繼電器的狀態(tài)受BMS（電池管理系統(tǒng)）控制，因此BMS對(duì)繼電器的控制和診斷顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;繼電器;粘連;電池管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM58 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-32-03

Abstract： Relay is the core part of controlling the high-voltage power on and off of electric vehicle， It is necessary to ensure the normal operation of the Relay to ensure the safe operation of the whole vehicle. In the actual use process， due to the unreasonable control sequence， poor contact of copper wire harness， and poor quality of relay itself， the Relay is prone to adhesion， which directly leads to the uncontrolled high-voltage power supply of the whole vehicle， causing great harm to the safe use of the whole vehicle. The state of relay is controlled by BMS， so it is very important for BMS to control and diagnose relay.

Keywords： Electric vehicle; Relay; Adhesion; Battery management system

CLC NO.： TM58 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-32-03

前言

隨著資源消耗，人們開(kāi)始思考傳統(tǒng)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及其帶來(lái)的污染問(wèn)題，應(yīng)時(shí)而生的新能源電動(dòng)汽車以其零排放、無(wú)污染，成為近年來(lái)汽車行業(yè)發(fā)展的主流。在電動(dòng)汽車快速發(fā)展背景下，多起電動(dòng)車自燃、行車斷電等安全問(wèn)題越來(lái)越被關(guān)注，電動(dòng)汽車的安全性設(shè)計(jì)成為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。涉及電動(dòng)汽車安全方面的問(wèn)題很多，繼電器粘連導(dǎo)致的高壓電池不受控引發(fā)的安全問(wèn)題尤為突出，繼電器粘連診斷管理顯得尤為重要。

1 通用繼電器粘連診斷方案

1.1 繼電器粘連診斷方案

在新能源電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)內(nèi)，繼電器作為高壓通斷部件，是整個(gè)電動(dòng)汽車核心零部件之一，它的穩(wěn)定性、可靠性直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的安全。市面上車載繼電器出現(xiàn)的主要故障問(wèn)題是觸點(diǎn)粘連，導(dǎo)致繼電器的通斷不線圈受控，引起漏電、過(guò)充、過(guò)放等安全問(wèn)題，因此對(duì)繼電器的粘連診斷至關(guān)重要。

面對(duì)車載繼電器粘連問(wèn)題，行業(yè)通用的繼電器粘連檢測(cè)方案是通過(guò)檢測(cè)繼電器兩端的高壓狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比來(lái)確認(rèn)繼電器是否粘連，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)任意一個(gè)繼電器的粘連診斷必須采集繼電器兩端的兩路高壓進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)，因此繼電器越多采集高壓的路數(shù)越多，需要的采集回路越多，導(dǎo)致方案成本也越高。

圖1為常見(jiàn)的電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)框圖，有四個(gè)高壓采集點(diǎn)A、B、C、D，系統(tǒng)正常工作時(shí)會(huì)BMS會(huì)采集AC之間的PACK電壓（電池系統(tǒng)模組端電壓）和BD之間的LINK電壓（電池系統(tǒng)負(fù)載端電壓），作為系統(tǒng)正常工作的參數(shù)。

在系統(tǒng)進(jìn)行正極繼電器粘連診斷時(shí)，BMS會(huì)采集AC之間電壓與BC之間的電壓對(duì)比，若在沒(méi)有發(fā)出閉合繼電器指令的狀態(tài)下檢測(cè)兩組電壓的差值小于一定閾值，則認(rèn)為正極繼電器粘連;在負(fù)極繼電器粘連診斷時(shí)，BMS會(huì)采集AC之間電壓與AD之間的電壓對(duì)比，若在沒(méi)有發(fā)出閉合繼電器的狀態(tài)下檢測(cè)兩組電壓的差值小于一定閾值，則認(rèn)為負(fù)極繼電器粘連。其他繼電器粘連診斷方式與正、負(fù)極繼電器粘連診斷方式相同。

1.2 高壓采集方案

PACK電壓、LINK電壓及粘連診斷采集高壓的原理相同，原理如圖2所示。

以檢測(cè)正極繼電器是否粘連為例，BC之間信號(hào)通過(guò)電阻分壓，將高電壓降壓為符合芯片最大輸入的低電壓，經(jīng)過(guò)隔離光耦切換及隔離放大器處理后，信號(hào)最終輸入到單片機(jī)模擬信號(hào)采集端口。整個(gè)高壓采集方案涉及器件有隔離光耦、隔離放大器、隔離電源、差分放大器等，因器件涉及高壓分壓、隔離切換、隔離放大等功能，導(dǎo)致該方案電路元器件成本較高，使得整個(gè)粘連檢測(cè)方案占據(jù)BMS成本的較高比例，尤其在多路繼電器需要檢測(cè)粘連的需求下，該方案明顯不符合目前整個(gè)新能源行業(yè)降本的要求。

2 新方案

2.1 方案一

通用繼電器粘連診斷方案可以報(bào)出真實(shí)的電壓值，通過(guò)電壓對(duì)比方式實(shí)現(xiàn)繼電器粘連診斷。MCU對(duì)于繼電器粘連狀態(tài)的判斷最終是對(duì)0和1的判斷，因此繼電器粘連不一定要報(bào)出真實(shí)電壓才能診斷，只需要報(bào)出相關(guān)狀態(tài)信號(hào)即可。本設(shè)計(jì)正是基于以上思路，提出了的新的粘連診斷方案，如圖3所示。

該設(shè)計(jì)接入繼電器BC點(diǎn)，BC點(diǎn)之間的高壓在通過(guò)電阻和穩(wěn)壓管降壓后驅(qū)動(dòng)光耦，MCU通過(guò)判斷光耦后級(jí)狀態(tài)來(lái)確認(rèn)繼電器是否粘連，具體流程如下：上電后，MCU控制信號(hào)CP默認(rèn)高電平，光耦U1不導(dǎo)通，BMS進(jìn)入初始化，開(kāi)始繼電器粘連診斷，MCU輸出低電平信號(hào)來(lái)控制隔離光耦U1導(dǎo)通，通過(guò)回讀信號(hào)HD確認(rèn)是否粘連，若回讀信號(hào)為低電平，則判斷繼電器未粘連;若回讀信號(hào)為高電平，則判斷繼電器粘連。

如圖1所示，正極繼電器的粘連診斷通過(guò)接入BC點(diǎn)可以判斷，負(fù)極繼電器的粘連診斷通過(guò)接入AD點(diǎn)可以判斷，通過(guò)接入兩點(diǎn)即可判斷對(duì)應(yīng)繼電器是否粘連。

新的粘連診斷方案只需要兩顆隔離光耦、二極管及幾顆電阻即可實(shí)現(xiàn)，方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)市場(chǎng)批量驗(yàn)證，功能穩(wěn)定、性價(jià)比高，尤其對(duì)于有多路繼電器需要粘連診斷、有多個(gè)高壓接地點(diǎn)的方案體現(xiàn)尤為明顯。

2.2 方案二

方案二的繼電器粘連診斷方案與目前通用方案類似，可以報(bào)出真實(shí)的電壓值，通過(guò)電壓對(duì)比方式實(shí)現(xiàn)繼電器粘連診斷，不同點(diǎn)在于系統(tǒng)的高壓公用一路采集回路，通過(guò)切換矩陣開(kāi)關(guān)切換的方式，實(shí)現(xiàn)不同路電壓的接入及采集，如圖4所示。

該設(shè)計(jì)將高壓正常接入系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)來(lái)切換需要采集的回路，具體流程如下：上電后，采集AC點(diǎn)之間高壓作為系統(tǒng)PACK電壓，采集BD點(diǎn)之間電壓作為系統(tǒng)的LINK電壓，PACK電壓和LINK電壓采集完成后閉合開(kāi)關(guān)SW1、SW3、SW5采集BC點(diǎn)之間點(diǎn)電壓，通過(guò)對(duì)比AC之間和BC之間電壓判斷正極繼電器是否粘連;閉合開(kāi)關(guān)SW2、SW4、SW6采集AD點(diǎn)之間點(diǎn)電壓，通過(guò)對(duì)比AC之間和AD之間電壓判斷負(fù)極繼電器是否粘連。

3 粘連診斷方案硬、軟件設(shè)計(jì)

3.1 方案一硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，該繼電器粘連診斷電路由防反接二極管D1、穩(wěn)壓管D2、隔離光耦U1和U2、電阻R1～R4組成，詳見(jiàn)表1。診斷回路連接在需要診斷粘連的回路兩端，BC之間用來(lái)診斷正極繼電器是否粘連和AD之間用來(lái)診斷負(fù)極繼電器是否粘連。

U1和U2選型需要確認(rèn)如下參數(shù)：系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最高電壓，用于確認(rèn)光耦輸出端耐壓值;系統(tǒng)回路電流，用于確認(rèn)光耦發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)。

二極管D1選型需考慮系統(tǒng)最大反向電壓，反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。

二極管D2選型需考慮在U1和U2的最大電壓受限情況下，需要穩(wěn)壓管分?jǐn)偛糠蛛妷?，?lái)解決在提高耐壓和增加成本之間的沖突問(wèn)題，選擇最合適的方案。

電阻R1～R4的選型和主要是基于系統(tǒng)功率考慮，同時(shí)增加冗余設(shè)計(jì)。

3.2 方案一軟件設(shè)計(jì)

采用新方案的繼電器粘連診斷方案診斷正極繼電器是否粘連的流程如下：

整車上電后，BMS系統(tǒng)被整車CAN信號(hào)或硬件點(diǎn)火喚醒，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，初始化過(guò)程中MCU輸出信號(hào)1為低電平使能隔離光耦U1，再回讀狀態(tài)信號(hào)2，若信號(hào)2為高電平，則認(rèn)為繼電器出現(xiàn)粘連;若信號(hào)2位低電平，則認(rèn)為繼電器未粘連。

本設(shè)計(jì)不需要采集高壓、校準(zhǔn)高壓進(jìn)行多路對(duì)比，只需要在上電初始化時(shí)，發(fā)出開(kāi)關(guān)指令，通過(guò)回路電平信號(hào)狀態(tài)即可判斷繼電器是否粘連，硬件實(shí)現(xiàn)物理連接后，軟件控制更為簡(jiǎn)單。

3.3 方案二硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示，該繼電器粘連診斷電路由防反接二極管D1和D2、隔離光耦SW1～SW6、電阻R1～R4。

SW1～SW4選型需要確認(rèn)如下參數(shù)：系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最高電壓，用于確認(rèn)光耦輸出端耐壓值;系統(tǒng)回路電流，用于確認(rèn)光耦發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)。

二極管D1、D2選型需考慮系統(tǒng)最大反向電壓，反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。

電阻R1～R4的選型和主要是滿足分壓比在極端條件下不超過(guò)隔離放大器的最大輸入電壓、滿足功率設(shè)計(jì)，同時(shí)增加冗余設(shè)計(jì)。

3.4 方案二軟件設(shè)計(jì)

采用方案二的診斷正極繼電器是否粘連的流程如下：

整車上電后，BMS系統(tǒng)被整車CAN信號(hào)或硬件點(diǎn)火喚醒，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，初始化過(guò)程中通過(guò)切換開(kāi)關(guān)先讀取AC點(diǎn)之間的PACK電壓，再讀取BC點(diǎn)的高壓，對(duì)比兩組高壓值，因此時(shí)無(wú)閉合繼電器指令，如在BC點(diǎn)之間電壓達(dá)到AC點(diǎn)之間電壓的90%（根據(jù)實(shí)際設(shè)置），則認(rèn)為繼電器出現(xiàn)粘連，未達(dá)到則認(rèn)為正常無(wú)粘連問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比兩種新的繼電器粘連檢測(cè)方案，都在成本方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)方案更優(yōu)。方案二切換邏輯復(fù)雜，需要在切換過(guò)程中需要等待硬件響應(yīng)，需要軟件讀取高壓并對(duì)比判斷;方案一較為控制較為簡(jiǎn)單，只需要讀取狀態(tài)信息即可判斷，因此在工程應(yīng)用方面方案二更有優(yōu)勢(shì)。

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