一種BMS診斷繼電器粘連設計

陳濤

摘 要：繼電器是控制電動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行。實際使用過程中因控制時序不合理、銅排線束接觸不良、繼電器本身質量不過關等問題，導致繼電器易出現粘連現象，直接導致整車高壓電源不受控，對整車的安全使用產生極大危害。繼電器的狀態受BMS（電池管理系統）控制，因此BMS對繼電器的控制和診斷顯得尤為重要。

關鍵詞：電動汽車;繼電器;粘連;電池管理系統

中圖分類號：TM58 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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，人們開始思考傳統汽車行業的可持續發展及其帶來的污染問題，應時而生的新能源電動汽車以其零排放、無污染，成為近年來汽車行業發展的主流。在電動汽車快速發展背景下，多起電動車自燃、行車斷電等安全問題越來越被關注，電動汽車的安全性設計成為行業發展的重點。涉及電動汽車安全方面的問題很多，繼電器粘連導致的高壓電池不受控引發的安全問題尤為突出，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

在新能源電動汽車電池系統內，繼電器作為高壓通斷部件，是整個電動汽車核心零部件之一，它的穩定性、可靠性直接關系到電動汽車的安全。市面上車載繼電器出現的主要故障問題是觸點粘連，導致繼電器的通斷不線圈受控，引起漏電、過充、過放等安全問題，因此對繼電器的粘連診斷至關重要。

面對車載繼電器粘連問題，行業通用的繼電器粘連檢測方案是通過檢測繼電器兩端的高壓狀態進行對比來確認繼電器是否粘連，對系統內任意一個繼電器的粘連診斷必須采集繼電器兩端的兩路高壓進行對比確認，因此繼電器越多采集高壓的路數越多，需要的采集回路越多，導致方案成本也越高。

圖1為常見的電動汽車電池系統框圖，有四個高壓采集點A、B、C、D，系統正常工作時會BMS會采集AC之間的PACK電壓（電池系統模組端電壓）和BD之間的LINK電壓（電池系統負載端電壓），作為系統正常工作的參數。

在系統進行正極繼電器粘連診斷時，BMS會采集AC之間電壓與BC之間的電壓對比，若在沒有發出閉合繼電器指令的狀態下檢測兩組電壓的差值小于一定閾值，則認為正極繼電器粘連;在負極繼電器粘連診斷時，BMS會采集AC之間電壓與AD之間的電壓對比，若在沒有發出閉合繼電器的狀態下檢測兩組電壓的差值小于一定閾值，則認為負極繼電器粘連。其他繼電器粘連診斷方式與正、負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。

以檢測正極繼電器是否粘連為例，BC之間信號通過電阻分壓，將高電壓降壓為符合芯片最大輸入的低電壓，經過隔離光耦切換及隔離放大器處理后，信號最終輸入到單片機模擬信號采集端口。整個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，導致該方案電路元器件成本較高，使得整個粘連檢測方案占據BMS成本的較高比例，尤其在多路繼電器需要檢測粘連的需求下，該方案明顯不符合目前整個新能源行業降本的要求。

2 新方案

2.1 方案一

通用繼電器粘連診斷方案可以報出真實的電壓值，通過電壓對比方式實現繼電器粘連診斷。MCU對于繼電器粘連狀態的判斷最終是對0和1的判斷，因此繼電器粘連不一定要報出真實電壓才能診斷，只需要報出相關狀態信號即可。本設計正是基于以上思路，提出了的新的粘連診斷方案，如圖3所示。

該設計接入繼電器BC點，BC點之間的高壓在通過電阻和穩壓管降壓后驅動光耦，MCU通過判斷光耦后級狀態來確認繼電器是否粘連，具體流程如下：上電后，MCU控制信號CP默認高電平，光耦U1不導通，BMS進入初始化，開始繼電器粘連診斷，MCU輸出低電平信號來控制隔離光耦U1導通，通過回讀信號HD確認是否粘連，若回讀信號為低電平，則判斷繼電器未粘連;若回讀信號為高電平，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接入BC點可以判斷，負極繼電器的粘連診斷通過接入AD點可以判斷，通過接入兩點即可判斷對應繼電器是否粘連。

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現，方案已經經過市場批量驗證，功能穩定、性價比高，尤其對于有多路繼電器需要粘連診斷、有多個高壓接地點的方案體現尤為明顯。

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，可以報出真實的電壓值，通過電壓對比方式實現繼電器粘連診斷，不同點在于系統的高壓公用一路采集回路，通過切換矩陣開關切換的方式，實現不同路電壓的接入及采集，如圖4所示。

該設計將高壓正常接入系統內，通過矩陣開關來切換需要采集的回路，具體流程如下：上電后，采集AC點之間高壓作為系統PACK電壓，采集BD點之間電壓作為系統的LINK電壓，PACK電壓和LINK電壓采集完成后閉合開關SW1、SW3、SW5采集BC點之間點電壓，通過對比AC之間和BC之間電壓判斷正極繼電器是否粘連;閉合開關SW2、SW4、SW6采集AD點之間點電壓，通過對比AC之間和AD之間電壓判斷負極繼電器是否粘連。

3 粘連診斷方案硬、軟件設計

3.1 方案一硬件設計

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

U1和U2選型需要確認如下參數：系統可能出現的最高電壓，用于確認光耦輸出端耐壓值;系統回路電流，用于確認光耦發光二極管驅動電流等參數。

二極管D1選型需考慮系統最大反向電壓，反向恢復時間等參數。

二極管D2選型需考慮在U1和U2的最大電壓受限情況下，需要穩壓管分攤部分電壓，來解決在提高耐壓和增加成本之間的沖突問題，選擇最合適的方案。

電阻R1～R4的選型和主要是基于系統功率考慮，同時增加冗余設計。

3.2 方案一軟件設計

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系統被整車CAN信號或硬件點火喚醒，系統進入初始化，初始化過程中MCU輸出信號1為低電平使能隔離光耦U1，再回讀狀態信號2，若信號2為高電平，則認為繼電器出現粘連;若信號2位低電平，則認為繼電器未粘連。

本設計不需要采集高壓、校準高壓進行多路對比，只需要在上電初始化時，發出開關指令，通過回路電平信號狀態即可判斷繼電器是否粘連，硬件實現物理連接后，軟件控制更為簡單。

3.3 方案二硬件設計

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選型需要確認如下參數：系統可能出現的最高電壓，用于確認光耦輸出端耐壓值;系統回路電流，用于確認光耦發光二極管驅動電流等參數。

二極管D1、D2選型需考慮系統最大反向電壓，反向恢復時間等參數。

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隔離放大器的最大輸入電壓、滿足功率設計，同時增加冗余設計。

3.4 方案二軟件設計

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系統被整車CAN信號或硬件點火喚醒，系統進入初始化，初始化過程中通過切換開關先讀取AC點之間的PACK電壓，再讀取BC點的高壓，對比兩組高壓值，因此時無閉合繼電器指令，如在BC點之間電壓達到AC點之間電壓的90%（根據實際設置），則認為繼電器出現粘連，未達到則認為正常無粘連問題。

4 結語

對比兩種新的繼電器粘連檢測方案，都在成本方面實現優化，相比于傳統方案更優。方案二切換邏輯復雜，需要在切換過程中需要等待硬件響應，需要軟件讀取高壓并對比判斷;方案一較為控制較為簡單，只需要讀取狀態信息即可判斷，因此在工程應用方面方案二更有優勢。

參考文獻

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