一種用于電動汽車上高壓繼電器的線圈驅動電路

第第頁一種用于電動汽車上高壓繼電器的線圈驅動電路眾所周知，電動汽車靠電力驅動，其動力源為（高壓）（鋰電池）組，高壓鋰電池組的能量經由高壓配電盒(PDU)分配到整車上各個動力總成，為保證車輛安全和（電氣）系統安全，高壓鋰電池組到各個動力總成之間就需要配置高壓繼電器，當車輛關閉或發(fā)生故障時，就能及時地將高壓動力源從各個總成系統中分離開來，起到分斷電路的作用。因此，高壓繼電器是電動汽車的重要安全器件，如果沒有它，電動汽車將不能啟動、行駛及停車。

根據不同的車型及動力系統的規(guī)格配置，電動汽車上使用的高壓繼電器數量不盡相同，比如：總正繼電器、總負繼電器、預充繼電器、充電繼電器(快充和慢充)、（DC/DC）繼電器、PTC繼電器、電暖風繼電器、電空調繼電器、水箱繼電器等，這些繼電器通常由電池管理系統(BMS)、整車控制器(VCU)和（電機控制）器(（MCU）)來進行控制和驅動，高壓繼電器的（工作原理）是由小電壓?。娏鳎┤タ刂拼箅妷捍箅娏鳎瑑炔糠譃榫€圈控制端和負荷端，當給線圈控制端施加一個驅動電壓時，負荷端就能發(fā)生閉合或者斷開的動作，常開型高壓繼電器在沒有施加驅動電壓時保持負荷端開路，而一旦施加驅動電壓，負荷端就會立刻閉合，接通主回路;常閉型高壓繼電器在沒有施加驅動電壓時保持負荷端閉合，而一旦施加驅動電壓，負荷端就會立刻開路，斷開主回路。

因此，高壓繼電器能否安全可靠工作，并在預設的指令下完成規(guī)定的動作，就完全取決于相關控制器中繼電器線圈的（驅動電路）。

目前，電動汽車上高壓繼電器的線圈是由專用IC來驅動，這種IC分為高邊開關和低邊開關兩種類型，比如（英飛凌）(Infineon)生產的BTS723GW和TLE6228GP，高邊開關位于（電源）和負載之間，屬于控“正”，低邊開關位于負載和地之間，屬于控“負”，當對驅動IC的控制管腳施加“高”、“低”電平時，就能驅動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和低邊開關的（電氣控制）原理圖。

圖1高邊開關的電氣控制原理圖

圖2低邊開關的電氣控制原理圖

電動汽車上控制器如BMS、VCU及MCU對高壓繼電器線圈的驅動電源來自于車載鉛酸電瓶，小車鉛酸電瓶額定輸出電壓是12V（dc），工作電壓波動范圍為10.5Vdc～13.8Vdc，大車鉛酸電瓶額定輸出電壓是24Vdc，工作電壓波動范圍為19.2Vdc～27.6Vdc。當對驅動IC的輸入管腳施加相應控制電平時，鉛酸電瓶的電源電壓VBAT+就會通過高邊或低邊開關MOS管施加到線圈兩端，從而驅動高壓繼電器的負荷端觸點動作。但是，因為MOS管漏源極間存在RDS(on)導通電阻，比如Infineon生產的高邊開關BTS723GW漏源極間導通電阻RDS(on)=105mΩ，低邊開關TLE6228GP漏源極間導通電阻RDS(on)=205mΩ，這個導通電阻RDS(on)在驅動電路工作時就會發(fā)熱并產生導通壓降，使驅動（芯片）溫升過高而產生安全隱患，特別是在鉛酸電瓶電源電壓較低時，開關MOS管的導通壓降會進一步降低最終施加到線圈兩端的驅動電壓，致使線圈驅動的穩(wěn)定性和可靠性降低。

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

與現有技術相比，本文采用（光電耦合器）(（光耦）)和功率繼電器構成高壓繼電器的線圈驅動電路，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載能力強的優(yōu)點，并且能夠組合成高邊開關和低邊開關的驅動電路形式，無縫替代專用的高邊開關和低邊開關集成芯片，詳細（電路原理）如圖3所示。

圖3本文提出的一種用于電動汽車上高壓繼電器的線圈驅動電路

本文提出的高壓繼電器線圈驅動電路由輸入（控制電路）部分和輸出驅動電路部分組成，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動電路部分。光耦是電流型器件，它是以光為媒介來傳輸電（信號）的器件，器件內部左邊是光敏（二極管），右邊是（檢測）三極管，當觸發(fā)電路形成回路工作時，光敏二極管因有電流通過會發(fā)光，檢測三極管接收到光信號后會導通，功率繼電器線圈通電從而驅動負載觸點動作。在圖3所示線圈驅動電路中，輸入控制電路部分由控制器(BMS、VCU及MCU)提供工作電源，輸出驅動電路部分由車載鉛酸電瓶進行供電，兩部分電源根據具體情況可電氣隔離，亦可單點接地連接，以提高電路抗干擾能力。輸入端A連接到控制器內（CPU）上的I/O控制管腳，由CPU直接驅動控制，輸出端B、輸出端C、輸出端D和輸出端E是線圈驅動電路對外的輸出接點，可根據客戶要求進行搭配，當作為高邊開關驅動輸出時，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;當作為低邊開關驅動輸出時，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，為輸出驅動部分提供12Vdc或24Vdc工作電源，同時功率繼電器規(guī)格型號在選擇時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5Vdc或3.3Vdc電壓平臺;

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，反向并聯在繼電器KM1的線圈KL兩端，作用是為線圈開路時產生的感應電動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和負載端KQ，兩部分通過磁耦隔離，負載端KQ的觸點用來構成高邊開關和低邊開關的控制輸出。

當對輸入端A施加高電平時，三極管Q3導通，從而驅動光耦U1中光敏二極管VD回路導通，光敏二極管VD通過電流會發(fā)光，檢測三極管VT接收到光信號后會導通，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通電后產生磁力吸引負載觸點KQ銜鐵動作，從而接通高邊開關或低邊開關驅動輸出;當對輸入端A施加低電平時，三極管Q3關斷，從而使光耦U1中光敏二極管VD回路斷開，光敏二極管VD中因為沒有電流通過不會發(fā)光，導致檢測三極管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，因此負載觸點KQ銜鐵會釋放斷開，繼而使高邊開關或低邊開關的驅動輸出也會釋放斷開。

本文針對目前電動汽車控制器上采用高邊開關和低邊開關作為高壓繼電器的線圈驅動電路所存在的缺陷，提出了一種采用（光電）（耦合）器(光耦)和功率繼電器構成高壓繼電器的線圈驅動電路，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載能力強的優(yōu)點，并且