一种用于车载控制器的输入开关量检测电路的制作方法

本发明涉及电动汽车电控技术领域，特别涉及一种用于车载控制器的输入开关量检测电路。

背景技术：

相比传统的燃油车，电动汽车电气系统控制总成比较复杂，其中电池管理系统(bms)、整车控制器(vcu)以及电机控制器(mcu)是电动汽车整车上非常重要的三个控制总成，bms担负着保卫动力锂离子电池组安全运行的职责，vcu用于车辆动力系统的协调与控制，给mcu下发转矩或转速指令，mcu将电池组直流电转化为三相交流电，负责驱动能量输出。

目前，电动汽车上的电池管理系统(bms)、整车控制器(vcu)以及电机控制器(mcu)大多采取分开设计，协同工作的方式，硬件上都单独带有数字量采集、模拟量采集、控制输出、电源和通信这五个部分。采集的数字量即输入开关量常包括铅酸电瓶常火信号、on档钥匙开关信号、acc档钥匙开关信号、充电唤醒信号、充电控制导引信号cp、手刹信号、档位开关信号、车速脉冲信号、电机转速信号、高压继电器辅助触点信号、msd维修开关辅助触点信号、hvil高压互锁信号等等。输入开关量的采集与检测是bms、vcu和mcu的基本功能，采集的准确性与检测的可靠性是bms、vcu和mcu进行核心算法估算以及逻辑保护判断的前提条件，关乎着电动汽车的驾乘体验和行驶安全。

输入开关量一般分为两种：干接点信号(drycontact)和湿接点信号(wetcontact)。干接点属于无源开关，具有闭合和断开两种状态，两个接点之间没有极性，可以互换；而湿接点属于有源开关，具有有电和无电两种状态，两个接点之间有极性，不能反接。上述所列举的输入开关量中像高压继电器辅助触点信号、msd维修开关辅助触点信号、hvil高压互锁信号等属于干接点信号，其余的都属于湿接点信号。

在电力电子领域，对于输入开关量的检测电路有很多种，常见的有三极管或场效应管检测电路、运算放大器构成的比较电路以及光电耦合器(光耦)检测电路等，其中由光耦所构成的输入开关量检测电路应用最为普遍，因为光耦在信号电平的检测过程中同时实现了电平转换、电流电压变换以及信号电气隔离的作用。

与工业应用场景不同，电动汽车上除了有主驱和辅驱等诸多电机和电机控制器，还有电源转换和变频设备，如dc/dc变换器、车载充电机、车载空调等，高压继电器的触点在开关瞬间也会产生较大的冲击波，因此电动汽车上电磁干扰和浪涌冲击现象会比较严重，就对整车上bms、vcu及mcu等控制器在信号采样和检测的可靠性方面提出了更高的要求。另外，电动汽车上电控设备一般是由车载铅酸电瓶提供工作电源，小车铅酸电瓶额定输出电压是12vdc，工作电压波动范围为10.5vdc～13.8vdc，大车铅酸电瓶额定输出电压是24vdc，工作电压波动范围为19.2vdc～27.6vdc。但是，现阶段车载控制器上的输入开关量检测电路功能较为单一、设计简单、抗干扰能力较差，且无法兼容小车和大车铅酸电瓶的全工作电压范围。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种用于车载控制器的输入开关量检测电路，旨在解决现有的车载控制器上的输入开关量检测电路功能较为单一、设计简单、抗干扰能力较差，且无法兼容小车和大车铅酸电瓶的全工作电压范围的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的用于车载控制器的输入开关量检测电路，包括自恢复保险丝f1、反流二极管d1、接入端a、接入端b、接入端c、自恢复保险丝f2、瞬态抑制二极管d2、稳压二极管d3、限流电阻r1～r3、分流电阻r4、上拉电阻r5、滤波电容c1、光电耦合器u1以及输出端d，所述光电耦合器u1内设有光电感应连接的光敏二极管vd和检测三极管vt，所述自恢复保险丝f1与车载铅酸电瓶的正极vbat+电连接，所述自恢复保险丝f1、反流二极管d1以及接入端a依次串联电连接，所述接入端b、自恢复保险丝f2、限流电阻r2、稳压二极管d3、限流电阻r3以及光电耦合器u1内的光敏二极管vd的一端依次串联电连接，所述接入端c与所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd的另一端电连接，所述瞬态抑制二极管d2、滤波电容c1以及分流电阻r4分别与所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd并联电连接，所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd和接入端c均与车载铅酸电瓶的负极电连接，所述限流电阻r1与所述限流电阻r2并联电连接，所述光电耦合器u1内的检测三极管vt的一端、输出端d以及cpu的i/o管脚一侧串联电连接，所述上拉电阻r5的一端与所述输出端d电连接，所述上拉电阻r5的另一端与控制器供电电源vcc的正极电连接，所述光电耦合器u1内的检测三极管vt与控制器供电电源vcc的负极电连接。

进一步地，当外部输入开关量为干接点信号时，外部输入开关量分别与所述接入端a和接入端b电连接。

进一步地，当外部输入开关量为湿接点信号时，外部输入开关量分别与所述接入端b和接入端c电连接。

进一步地，所述光电耦合器u1采用tlp185光耦芯片，且所述光电耦合器u1的最小可触发正向电流为1ma，最大可承受正向电流为50ma。

进一步地，所述反流二极管d1采用1n4148反流二极管，且所述反流二极管d1的正向管压降为0.67vdc。

进一步地，所述稳压二极管d3采用mmsz5231b稳压二极管，且所述稳压二极管d3的稳压值为5vdc。

进一步地，所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd的正向压降为1.25vdc。

进一步地，所述车载铅酸电瓶的额定电压为12vdc或24vdc。

进一步地，所述控制器供电电源vcc的电压为5vdc或3.3vdc。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明的技术方案，采用光电耦合器(光耦)构成输入开关量检测电路，充分利用了光耦抗干扰能力强、工作稳定、无开关触点、使用寿命长以及传输效率高的优点，同时结合使用自恢复保险丝、反流二极管、瞬态抑制二极管、稳压二极管来达到检测电路抗浪涌冲击和大电流保护的目的，并通过适当选取元器件参数，使得输入开关量检测电路在小车和大车铅酸电瓶的全工作电压范围内均能正常工作，且具有抗电磁干扰能力强和可靠性高的优点，且能够同时检测外部干接点信号和湿接点信号，适用范围广，具有较高的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种用于车载控制器的输入开关量检测电路的原理图；

图2为本发明一实施例中标注了元器件规格型号及具体参数的输入开关量检测电路原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种用于车载控制器的输入开关量检测电路。

如图1和图2所示，在本发明一实施例中，该用于车载控制器的输入开关量检测电路，包括自恢复保险丝f1、反流二极管d1、接入端a、接入端b、接入端c、自恢复保险丝f2、瞬态抑制二极管d2、稳压二极管d3、限流电阻r1～r3、分流电阻r4、上拉电阻r5、滤波电容c1、光电耦合器u1以及输出端d，所述光电耦合器u1内设有光电感应连接的光敏二极管vd和检测三极管vt，所述自恢复保险丝f1与车载铅酸电瓶的正极vbat+电连接，所述自恢复保险丝f1、反流二极管d1以及接入端a依次串联电连接，所述接入端b、自恢复保险丝f2、限流电阻r2、稳压二极管d3、限流电阻r3以及光电耦合器u1内的光敏二极管vd的一端依次串联电连接，所述接入端c与所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd的另一端电连接，所述瞬态抑制二极管d2、滤波电容c1以及分流电阻r4分别与所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd并联电连接，所述光电耦合器u1内的光敏二极管vd和接入端c均与车载铅酸电瓶的负极电连接，所述限流电阻r1与所述限流电阻r2并联电连接，所述光电耦合器u1内的检测三极管vt的一端、输出端d以及cpu的i/o管脚一侧串联电连接，所述上拉电阻r5的一端与所述输出端d电连接，所述上拉电阻r5的另一端与控制器供电电源vcc的正极电连接，所述光电耦合器u1内的检测三极管vt与控制器供电电源vcc的负极电连接。

具体地，如图1所示，本发明提出的输入开关量检测电路由触发电路和输出电路组成，以光电耦合器u1为分界线，光电耦合器u1的左半部分属于触发电路，光电耦合器u1的右半部分属于输出电路。光电耦合器u1是电流型器件，它是以光为媒介来传输电信号的器件，光电耦合器u1内部的左边是光敏二极管vd，右边是检测三极管vt，当触发电路形成回路工作时，光敏二极管vd因有电流通过会发光，检测三极管vt接收到光信号后会导通，输出电路信号电平将发生变化，并传导至cpu的i/o管脚进行采集和检测。在图1所示输入开关量检测电路中，触发电路由车载铅酸电瓶提供工作电源，输出电路由相关控制器(bms、vcu及mcu)进行供电，两部分电源根据具体情况可电气隔离，亦可单点接地连接，以提高电路抗干扰能力。接入端a、接入端b和接入端c是检测电路对外的输入接点，当外部输入开关量为干接点信号时，外部输入开关量分别连接到接入端a和接入端b；当外部输入开关量为湿接点信号时，外部输入开关量分别连接到接入端b和接入端c。

vbat+是从铅酸电瓶正极引出来的，为触发电路提供12vdc或24vdc工作电源；f1和f2为自恢复保险丝，在发生接入点a短接到地或者接入点b输入过大电压等故障情况下可以快速呈现高组态(截止状态)，断开触发回路，防止电子元器件因过流而损坏，在故障消失后又能马上恢复为低阻态(导通状态)的正常工作状态；d1为反流二极管，防止外部电流倒灌进检测电路；d2为瞬态抑制二极管，并联于触发电路输入端，在电路正常工作时，它处于高阻态，不影响线路正常工作，但在输入端出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态转变为低阻态，给瞬间大电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，达到保护电子元器件的目的，在异常过压消失后，又能迅速恢复至高阻态的正常工作状态；r1、r2、r3为限流电阻，其作用是确保进入光电耦合器u1光敏二极管vd中的电流既能触发检测三极管vt导通，又不至于超过光敏二极管vd所能承受的最大电流；c1为滤波电容，与r1、r2组成低通滤波器，可以滤除线路中的高频噪声；d3为稳压二极管，用来提高检测电路电压检测门槛，同时可以阻断干扰电压及噪声，提高检测电路的抗干扰能力；r4为光电耦合器u1光敏二极管vd的分流电阻，可以降低线路中电流噪声的影响；光电耦合器u1作用是将原边的检测电流信号转换为副边的电压信号并输出至cpu的i/o管脚进行采集和检测；vcc为控制器(bms、vcu及mcu)上的供电电源，一般为5vdc或3.3vdc电压平台；r5为cpu上i/o管脚的上拉电阻，当触发电路导通时，光电耦合器u1中光敏二极管vd有电流通过会发光，检测三极管vt接收到光信号后会导通并连接到电源地，输出电路的输出端d输出低电平到cpu的i/o管脚上；当触发电路断开时，光电耦合器u1中光敏二极管vd没有电流通过不会发光，检测三极管vt因没有接收到光信号而处于断开状态，输出电路的输出端d输出高电平到cpu的i/o管脚上。

本发明提出的输入开关量检测电路为了兼容小车和大车铅酸电瓶的全工作电压范围：9vdc～36vdc，各个电子元器件规格型号和具体参数标注如图2所示，反流二极管d1选择1n4148，其正向管压降为0.67vdc；稳压二极管d3选择mmsz5231b，其稳压值为5vdc；光电耦合器u1选择tlp185光耦芯片，内部光敏二极管vd正向压降为1.25vdc，最小可触发正向电流为1ma，最大可承受正向电流为50ma；因此，当触发电路回路导通时应满足kvl和kcl定律：

vbat+＝vf(d1)+(r1//r2)*(ir4+if(u1))+vz(d3)+ir4*r4；

ir4*r4＝if(u1)*r3+uf(u1)；

代入参数值后可得：

vbat+＝0.67vdc+(400ω//400ω)*(ir4+if(u1))+5vdc+ir4*300ω；

ir4*300ω＝if(u1)*360ω+1.25vdc；

当车载铅酸电瓶电压vbat+取最小值9vdc时，依据上述方程可计算得出光耦芯片u1内部光敏二极管vd正向电流ifmin＝1.56ma，大于光耦芯片最小可触发正向电流1ma，满足最小极限要求；当车载铅酸电瓶电压vbat+取最大值36vdc时，依据上述方程可计算得出光耦芯片u1内部光敏二极管vd正向电流ifmax＝35.3ma，小于光耦芯片最大可承受正向电流50ma，满足最大极限要求。

本发明采用光电耦合器(光耦)构成输入开关量检测电路，充分利用了光耦抗干扰能力强、工作稳定、无开关触点、使用寿命长以及传输效率高的优点，同时结合使用自恢复保险丝、反流二极管、瞬态抑制二极管、稳压二极管来达到检测电路抗浪涌冲击和大电流保护的目的，并通过适当选取元器件参数，使得输入开关量检测电路在小车和大车铅酸电瓶的全工作电压范围内均能正常工作，且具有抗电磁干扰能力强和可靠性高的优点，且能够同时检测外部干接点信号和湿接点信号，适用范围广，具有较高的推广应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。