一種用于電動(dòng)汽車上高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路

眾所周知，電動(dòng)汽車靠電力驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)力源為高壓鋰電池組，高壓鋰電池組的能量經(jīng)由高壓配電盒(PDU)分配到整車上各個(gè)動(dòng)力總成，為保證車輛安全和電氣系統(tǒng)安全，高壓鋰電池組到各個(gè)動(dòng)力總成之間就需要配置高壓繼電器，當(dāng)車輛關(guān)閉或發(fā)生故障時(shí)，就能及時(shí)地將高壓動(dòng)力源從各個(gè)總成系統(tǒng)中分離開來，起到分?jǐn)嚯娐返淖饔?。因此，高壓繼電器是電動(dòng)汽車的重要安全器件，如果沒有它，電動(dòng)汽車將不能啟動(dòng)、行駛及停車。

根據(jù)不同的車型及動(dòng)力系統(tǒng)的規(guī)格配置，電動(dòng)汽車上使用的高壓繼電器數(shù)量不盡相同，比如：總正繼電器、總負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器、充電繼電器(快充和慢充)、DC/DC繼電器、PTC繼電器、電暖風(fēng)繼電器、電空調(diào)繼電器、水箱繼電器等，這些繼電器通常由電池管理系統(tǒng)(BMS)、整車控制器(VCU)和電機(jī)控制器(MCU)來進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，高壓繼電器的工作原理是由小電壓小電流去控制大電壓大電流，內(nèi)部分為線圈控制端和負(fù)荷端，當(dāng)給線圈控制端施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，負(fù)荷端就能發(fā)生閉合或者斷開的動(dòng)作，常開型高壓繼電器在沒有施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)保持負(fù)荷端開路，而一旦施加驅(qū)動(dòng)電壓，負(fù)荷端就會(huì)立刻閉合，接通主回路;常閉型高壓繼電器在沒有施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)保持負(fù)荷端閉合，而一旦施加驅(qū)動(dòng)電壓，負(fù)荷端就會(huì)立刻開路，斷開主回路。

因此，高壓繼電器能否安全可靠工作，并在預(yù)設(shè)的指令下完成規(guī)定的動(dòng)作，就完全取決于相關(guān)控制器中繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電路。

目前，電動(dòng)汽車上高壓繼電器的線圈是由專用IC來驅(qū)動(dòng)，這種IC分為高邊開關(guān)和低邊開關(guān)兩種類型，比如英飛凌(Infineon)生產(chǎn)的BTS723GW和TLE6228GP，高邊開關(guān)位于電源和負(fù)載之間，屬于控“正”，低邊開關(guān)位于負(fù)載和地之間，屬于控“負(fù)”，當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的控制管腳施加“高”、“低”電平時(shí)，就能驅(qū)動(dòng)高壓繼電器吸合和斷開，如圖1和圖2所示分別為高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的電氣控制原理圖。

圖1 高邊開關(guān)的電氣控制原理圖

圖2 低邊開關(guān)的電氣控制原理圖

電動(dòng)汽車上控制器如BMS、VCU及MCU對(duì)高壓繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電源來自于車載鉛酸電瓶，小車鉛酸電瓶額定輸出電壓是12 Vdc，工作電壓波動(dòng)范圍為10.5 Vdc～13.8 Vdc，大車鉛酸電瓶額定輸出電壓是24Vdc，工作電壓波動(dòng)范圍為19.2 Vdc～27.6 Vdc。當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的輸入管腳施加相應(yīng)控制電平時(shí)，鉛酸電瓶的電源電壓VBAT+就會(huì)通過高邊或低邊開關(guān)MOS管施加到線圈兩端，從而驅(qū)動(dòng)高壓繼電器的負(fù)荷端觸點(diǎn)動(dòng)作。但是，因?yàn)镸OS管漏源極間存在RDS(on)導(dǎo)通電阻，比如Infineon生產(chǎn)的高邊開關(guān)BTS723GW漏源極間導(dǎo)通電阻RDS(on) = 105mΩ，低邊開關(guān)TLE6228GP漏源極間導(dǎo)通電阻RDS(on) = 205mΩ，這個(gè)導(dǎo)通電阻RDS(on)在驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)就會(huì)發(fā)熱并產(chǎn)生導(dǎo)通壓降，使驅(qū)動(dòng)芯片溫升過高而產(chǎn)生安全隱患，特別是在鉛酸電瓶電源電壓較低時(shí)，開關(guān)MOS管的導(dǎo)通壓降會(huì)進(jìn)一步降低最終施加到線圈兩端的驅(qū)動(dòng)電壓，致使線圈驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性降低。

鑒于此，本文需要解決的技術(shù)問題是提供一種用于電動(dòng)汽車上高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路，以徹底消除驅(qū)動(dòng)電路上的發(fā)熱損耗和電壓降落，提高驅(qū)動(dòng)電路的工作穩(wěn)定性及可靠性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文采用光電耦合器(光耦)和功率繼電器構(gòu)成高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路，充分利用了光耦隔離效果好、使用壽命長、傳輸效率高以及功率繼電器帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠組合成高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路形式，無縫替代專用的高邊開關(guān)和低邊開關(guān)集成芯片，詳細(xì)電路原理如圖3所示。

圖3 本文提出的一種用于電動(dòng)汽車上高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路

本文提出的高壓繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電路由輸入控制電路部分和輸出驅(qū)動(dòng)電路部分組成，以光電耦合器(光耦)為分界線，光耦左半部分屬于輸入控制電路部分，右半部分屬于輸出驅(qū)動(dòng)電路部分。光耦是電流型器件，它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，器件內(nèi)部左邊是光敏二極管，右邊是檢測三極管，當(dāng)觸發(fā)電路形成回路工作時(shí)，光敏二極管因有電流通過會(huì)發(fā)光，檢測三極管接收到光信號(hào)后會(huì)導(dǎo)通，功率繼電器線圈通電從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載觸點(diǎn)動(dòng)作。在圖3所示線圈驅(qū)動(dòng)電路中，輸入控制電路部分由控制器(BMS、VCU及MCU)提供工作電源，輸出驅(qū)動(dòng)電路部分由車載鉛酸電瓶進(jìn)行供電，兩部分電源根據(jù)具體情況可電氣隔離，亦可單點(diǎn)接地連接，以提高電路抗干擾能力。輸入端A連接到控制器內(nèi)CPU上的I/O控制管腳，由CPU直接驅(qū)動(dòng)控制，輸出端B、輸出端C、輸出端D和輸出端E是線圈驅(qū)動(dòng)電路對(duì)外的輸出接點(diǎn)，可根據(jù)客戶要求進(jìn)行搭配，當(dāng)作為高邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)，輸出端B和輸出端C在外部直接短接在一起，輸出端D和輸出端E分別連接到所需要控制的高壓繼電器線圈兩端;當(dāng)作為低邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)，輸出端D和輸出端E在外部直接短接在一起，輸出端B和輸出端C分別連接到所需要控制的高壓繼電器線圈兩端。

VBAT+是從鉛酸電瓶正極引出來的，為輸出驅(qū)動(dòng)部分提供12 Vdc或24 Vdc工作電源，同時(shí)功率繼電器規(guī)格型號(hào)在選擇時(shí)其線圈的控制電壓要匹配鉛酸電瓶的額定輸出電壓;VCC是控制器(BMS、VCU及MCU)上的供電電源，一般為5 Vdc或3.3 Vdc電壓平臺(tái);

R1是NPN型三極管Q3的基極限流電阻，Q3用來控制光耦U1中光敏二極管VD的通斷，R2為光敏二極管VD的限流電阻，其作用是確保進(jìn)入光耦U1中光敏二極管VD的電流既能觸發(fā)檢測三極管VT導(dǎo)通，又不至于超過光敏二極管VD所能承受的最大電流;D1為續(xù)流二極管，反向并聯(lián)在繼電器KM1的線圈KL兩端，作用是為線圈開路時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢提供一條回流路徑，吸收瞬間感生能量，防止瞬間的高壓大電流損壞光耦芯片;KM1為功率繼電器，分為線圈端KL和負(fù)載端KQ，兩部分通過磁耦隔離，負(fù)載端KQ的觸點(diǎn)用來構(gòu)成高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的控制輸出。

當(dāng)對(duì)輸入端A施加高電平時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)光耦U1中光敏二極管VD回路導(dǎo)通，光敏二極管VD通過電流會(huì)發(fā)光，檢測三極管VT接收到光信號(hào)后會(huì)導(dǎo)通，鉛酸電瓶電源將通過檢測三極管VT施加到功率繼電器KM1的線圈KL兩端，線圈KL通電后產(chǎn)生磁力吸引負(fù)載觸點(diǎn)KQ銜鐵動(dòng)作，從而接通高邊開關(guān)或低邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出;當(dāng)對(duì)輸入端A施加低電平時(shí)，三極管Q3關(guān)斷，從而使光耦U1中光敏二極管VD回路斷開，光敏二極管VD中因?yàn)闆]有電流通過不會(huì)發(fā)光，導(dǎo)致檢測三極管VT處于斷開狀態(tài)，功率繼電器KM1的線圈KL兩端自然就沒有了控制電壓，因此負(fù)載觸點(diǎn)KQ銜鐵會(huì)釋放斷開，繼而使高邊開關(guān)或低邊開關(guān)的驅(qū)動(dòng)輸出也會(huì)釋放斷開。

本文針對(duì)目前電動(dòng)汽車控制器上采用高邊開關(guān)和低邊開關(guān)作為高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路所存在的缺陷，提出了一種采用光電耦合器(光耦)和功率繼電器構(gòu)成高壓繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電路，充分利用了光耦隔離效果好、使用壽命長、傳輸效率高以及功率繼電器帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠組合成高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路形式，無縫替代專用的高邊開關(guān)和低邊開關(guān)集成芯片，徹底解決了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路上的發(fā)熱損耗和電壓降落問題，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)電路的工作穩(wěn)定性和可靠性。