電動(dòng)汽車具有高效節(jié)能、零排放等突出特點(diǎn)，多國(guó)積極出臺(tái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和法規(guī)，完善電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈，加速推廣電動(dòng)汽車，促進(jìn)低碳環(huán)保出行。據(jù)IEA預(yù)測(cè)，2030年全球電動(dòng)車銷量將達(dá)到2300萬(wàn)輛，在降低能耗、應(yīng)對(duì)氣候變化等多重因素驅(qū)動(dòng)下，許多國(guó)家將推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型視為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)復(fù)蘇的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

電動(dòng)汽車不同于傳統(tǒng)的燃油汽車，它是由動(dòng)力電池組提供能量和驅(qū)動(dòng)力，其工作電壓平臺(tái)一般在200Vdc～750Vdc之間，與動(dòng)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(cè)儀(IMD)等，這些車載電氣總成的直流部分共同構(gòu)成了電動(dòng)汽車的高壓直流母線，而在電動(dòng)汽車的運(yùn)行過(guò)程中，高壓直流母線的電壓需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，車上的多種控制器會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的電壓值進(jìn)行運(yùn)算處理和邏輯保護(hù)判斷。比如：BMS會(huì)根據(jù)高壓直流母線電壓進(jìn)行預(yù)充電動(dòng)作及總壓過(guò)壓保護(hù)判斷，IMD會(huì)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(jì)算，OBC會(huì)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(huì)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(shuō)，高壓直流母線電壓的檢測(cè)是車載控制器的一個(gè)重要工作環(huán)節(jié)，事關(guān)電動(dòng)汽車的運(yùn)行安全，不可忽視。

目前，在新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域、電力系統(tǒng)領(lǐng)域以及高壓儲(chǔ)能領(lǐng)域，通常采用電阻分壓法來(lái)檢測(cè)高壓直流母線電壓，其典型電路如圖1所示，通過(guò)在高壓正、負(fù)直流母線Vbus+和Vbus-之間串接多個(gè)分壓電阻R1～R5，并將其中某個(gè)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(cè)電路低壓部分共地，正負(fù)直流母線之間的高電壓經(jīng)過(guò)分壓電阻后轉(zhuǎn)換為采樣電阻R3上的低電壓信號(hào)，該低電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)后端信號(hào)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(yùn)算處理。根據(jù)圖1所示電路，經(jīng)過(guò)電阻分壓后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)電壓=R3/(R1+R2+R3+R4+R5)*[(Vbus+)-(Vbus-)]。

圖1 采用電阻分壓法檢測(cè)高壓直流母線電壓的通用電路

使用這種通用性的檢測(cè)電路需要注意以下幾點(diǎn)：(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(lái)選取合適的電阻值，以保證經(jīng)過(guò)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(gè)電阻，在電路PCB布板時(shí)也要格外注意電阻走向;(3)運(yùn)放U1用在這里是起到輸入輸出隔離的作用，利用理想運(yùn)放輸入電阻無(wú)窮大、輸出電阻無(wú)窮小的特點(diǎn)，以避免高壓輸入部分對(duì)后端低壓信號(hào)調(diào)理部分的干擾和影響;(4)運(yùn)放盡量選擇高精度、低失調(diào)、低噪聲的運(yùn)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(guò)運(yùn)放U1的最大共模輸入電壓，運(yùn)放連接方式是射極跟隨器，根據(jù)運(yùn)放虛短的概念有Vin+ = Vin-，因此運(yùn)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(guò)了運(yùn)放的最大共模輸入電壓，就會(huì)出現(xiàn)削頂失真，如圖2所示為出現(xiàn)削頂失真時(shí)輸入波形和經(jīng)過(guò)運(yùn)放后輸出波形對(duì)比圖。

圖2 運(yùn)放出現(xiàn)削頂失真時(shí)的輸入和輸出波形對(duì)比

在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)，為了提高運(yùn)放的共模輸入電壓范圍，我們可以提高運(yùn)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(yùn)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(yùn)放供電電源電壓選擇12V時(shí)，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(shuō)，該射隨器可以處理10V以下的電壓信號(hào)。

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

另外，有時(shí)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(duì)經(jīng)過(guò)射極跟隨器的電壓進(jìn)行比例放大或縮小，這時(shí)我們可以通過(guò)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(jí)射極跟隨器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以提高采樣信號(hào)的帶載能力(抗干擾能力)，如圖4所示。后面我會(huì)專門寫文章來(lái)講解一下這種電路設(shè)計(jì)，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(lái)檢測(cè)高壓直流母線電壓，雖然具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，然而，這種檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中卻也存在一定的缺陷：其一，動(dòng)力電池組的高壓部分與車載控制器的低壓部分無(wú)法做到電氣絕緣隔離，壓部分和低壓部分之間因?yàn)槿藶榈拇佑蟹謮弘娮?，?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(huì)影響整車絕緣性能，甚至導(dǎo)致IMD絕緣檢測(cè)失敗;其二，整車高壓部分EMI可能會(huì)沿著采樣電阻傳導(dǎo)至低壓電路部分，從而引起EMC問(wèn)題;其三，采樣電阻存在溫度漂移特性，而電動(dòng)汽車工作環(huán)境較為惡劣，溫差變化幅度較大，會(huì)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(duì)低壓部分的電磁干擾，提高直流母線電壓采樣精度，敬請(qǐng)留意!