一種高壓直流母線電壓的采樣電路(一)

電動汽車具有高效節(jié)能、零排放等突出特點，多國積極出臺相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和法規(guī)，完善電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈，加速推廣電動汽車，促進(jìn)低碳環(huán)保出行。據(jù)IEA預(yù)測，2030年全球電動車銷量將達(dá)到2300萬輛，在降低能耗、應(yīng)對氣候變化等多重因素驅(qū)動下，許多國家將推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型視為拉動經(jīng)濟(jì)持續(xù)復(fù)蘇的新增長點。

電動汽車不同于傳統(tǒng)的燃油汽車，它是由動力電池組提供能量和驅(qū)動力，其工作電壓平臺一般在200Vdc～750Vdc之間，與動力電池組相關(guān)的電氣總成包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、車載充電機(jī)(OBC)、整車控制器(VCU)、直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)、電機(jī)控制器(MCU)、絕緣監(jiān)測儀(IMD)等，這些車載電氣總成的直流部分共同構(gòu)成了電動汽車的高壓直流母線，而在電動汽車的運行過程中，高壓直流母線的電壓需要實時監(jiān)測，車上的多種控制器會根據(jù)檢測到的電壓值進(jìn)行運算處理和邏輯保護(hù)判斷。比如：BMS會根據(jù)高壓直流母線電壓進(jìn)行預(yù)充電動作及總壓過壓保護(hù)判斷，IMD會根據(jù)高壓直流母線電壓進(jìn)行正、負(fù)直流母線絕緣電阻計算，OBC會根據(jù)高壓直流母線電壓調(diào)整充電電流輸出，VCU、DC/DC及MCU會根據(jù)高壓直流母線電壓進(jìn)行輸入電壓越限告警判斷等等。

因此可以說，高壓直流母線電壓的檢測是車載控制器的一個重要工作環(huán)節(jié)，事關(guān)電動汽車的運行安全，不可忽視。

目前，在新能源電動汽車領(lǐng)域、電力系統(tǒng)領(lǐng)域以及高壓儲能領(lǐng)域，通常采用電阻分壓法來檢測高壓直流母線電壓，其典型電路如圖1所示，通過在高壓正、負(fù)直流母線Vbus+和Vbus-之間串接多個分壓電阻R1～R5，并將其中某個分壓電阻R3設(shè)定為采樣電阻，且采樣電阻一端需要和檢測電路低壓部分共地，正負(fù)直流母線之間的高電壓經(jīng)過分壓電阻后轉(zhuǎn)換為采樣電阻R3上的低電壓信號，該低電壓信號經(jīng)過后端信號調(diào)理電路后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器或CPU的A/D管腳進(jìn)行進(jìn)一步的運算處理。根據(jù)圖1所示電路，經(jīng)過電阻分壓后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號電壓=R3/(R1+R2+R3+R4+R5)*[(Vbus+)-(Vbus-)]。

圖1 采用電阻分壓法檢測高壓直流母線電壓的通用電路

使用這種通用性的檢測電路需要注意以下幾點：(1)R1～R5是作為分壓電阻采樣使用的，要根據(jù)正負(fù)直流母線之間具體的高電壓值來選取合適的電阻值，以保證經(jīng)過射隨器后達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值在A/D轉(zhuǎn)換參考電壓范圍之內(nèi);(2)分壓采樣電阻R1～R5還兼有高壓隔離的作用，即增加爬電距離，如果電壓很高，就需要串聯(lián)更多的分壓電阻，不一定只使用5個電阻，在電路PCB布板時也要格外注意電阻走向;(3)運放U1用在這里是起到輸入輸出隔離的作用，利用理想運放輸入電阻無窮大、輸出電阻無窮小的特點，以避免高壓輸入部分對后端低壓信號調(diào)理部分的干擾和影響;(4)運放盡量選擇高精度、低失調(diào)、低噪聲的運算放大器以提高電壓采樣精度;(5)R3兩端的最大采樣電壓不能超過運放U1的最大共模輸入電壓，運放連接方式是射極跟隨器，根據(jù)運放虛短的概念有Vin+ = Vin-，因此運放輸入共模電壓Vic=[(Vin+) + (Vin-)]/2=Vin+=Vin-=電阻R3兩端電壓，如果最大采樣電壓(電阻R3兩端電壓)超過了運放的最大共模輸入電壓，就會出現(xiàn)削頂失真，如圖2所示為出現(xiàn)削頂失真時輸入波形和經(jīng)過運放后輸出波形對比圖。

圖2 運放出現(xiàn)削頂失真時的輸入和輸出波形對比

在設(shè)計采樣電路時，為了提高運放的共模輸入電壓范圍，我們可以提高運放的供電電源電壓，這樣其共模輸入電壓范圍便水漲船高，如圖3所示為某款運放規(guī)格書中共模輸入電壓范圍參數(shù)指標(biāo)，可以看到：當(dāng)運放供電電源電壓選擇12V時，在全溫度范圍內(nèi)，其共模輸入電壓能達(dá)到12V-2V=10V，因此從理論上說，該射隨器可以處理10V以下的電壓信號。

圖3 某款運放規(guī)格書中共模輸入電壓范圍參數(shù)指標(biāo)

另外，有時為了使采樣輸出電壓更加匹配后端的A/D轉(zhuǎn)換器參考電平，需要對經(jīng)過射極跟隨器的電壓進(jìn)行比例放大或縮小，這時我們可以通過增加差分放大電路，并且在差分放大電路輸出端再增加一級射極跟隨器來實現(xiàn)，以提高采樣信號的帶載能力(抗干擾能力)，如圖4所示。后面我會專門寫文章來講解一下這種電路設(shè)計，這里不做拓展。

圖4 采用電阻分壓法但增加了差分放大電路的高壓直流母線采樣電路

采用電阻分壓法來檢測高壓直流母線電壓，雖然具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢，然而，這種檢測方法在實際應(yīng)用中卻也存在一定的缺陷：其一，動力電池組的高壓部分與車載控制器的低壓部分無法做到電氣絕緣隔離，壓部分和低壓部分之間因為人為的串接有分壓電阻，導(dǎo)致產(chǎn)生漏電流，且漏電流大小為max[(Vbus+)/( R1+R2+R3)，(Vbus-)/( R4+R5)]，該漏電流可能會影響整車絕緣性能，甚至導(dǎo)致IMD絕緣檢測失敗;其二，整車高壓部分EMI可能會沿著采樣電阻傳導(dǎo)至低壓電路部分，從而引起EMC問題;其三，采樣電阻存在溫度漂移特性，而電動汽車工作環(huán)境較為惡劣，溫差變化幅度較大，會直接影響直流母線電壓采樣精度。

鑒于文章篇幅，我將在下一篇文章中講解另外一種高壓直流母線電壓的采樣電路，做到強(qiáng)電和弱電完全隔離、絕緣，減小高壓部分對低壓部分的電磁干擾，提高直流母線電壓采樣精度，敬請留意!