一种高压直流母线电压的采样电路(一)
电动汽车具有高效节能、零排放等突出特点，多国积极出台相关产业政策和法规，完善电动汽车产业链，加速推广电动汽车，促进低碳环保出行。据iea预测，2030年全球电动车销量将达到2300万辆，在降低能耗、应对气候变化等多重因素驱动下，许多国家将推动电动汽车产业发展、实现绿色转型视为拉动经济持续复苏的新增长点。
电动汽车不同于传统的燃油汽车，它是由动力电池组提供能量和驱动力，其工作电压平台一般在200vdc～750vdc之间，与动力电池组相关的电气总成包括电池管理系统(bms)、车载充电机(obc)、整车控制器(vcu)、直流转换器(dc/dc)、电机控制器(mcu)、绝缘监测仪(imd)等，这些车载电气总成的直流部分共同构成了电动汽车的高压直流母线，而在电动汽车的运行过程中，高压直流母线的电压需要实时监测，车上的多种控制器会根据检测到的电压值进行运算处理和逻辑保护判断。比如：bms会根据高压直流母线电压进行预充电动作及总压过压保护判断，imd会根据高压直流母线电压进行正、负直流母线绝缘电阻计算，obc会根据高压直流母线电压调整充电电流输出，vcu、dc/dc及mcu会根据高压直流母线电压进行输入电压越限告警判断等等。
因此可以说，高压直流母线电压的检测是车载控制器的一个重要工作环节，事关电动汽车的运行安全，不可忽视。
目前，在新能源电动汽车领域、电力系统领域以及高压储能领域，通常采用电阻分压法来检测高压直流母线电压，其典型电路如图1所示，通过在高压正、负直流母线vbus+和vbus-之间串接多个分压电阻r1～r5，并将其中某个分压电阻r3设定为采样电阻，且采样电阻一端需要和检测电路低压部分共地，正负直流母线之间的高电压经过分压电阻后转换为采样电阻r3上的低电压信号，该低电压信号经过后端信号调理电路后进入a/d转换器或cpu的a/d管脚进行进一步的运算处理。根据图1所示电路，经过电阻分压后进入a/d转换器的信号电压=r3/(r1+r2+r3+r4+r5)*[(vbus+)-(vbus-)]。
图1 采用电阻分压法检测高压直流母线电压的通用电路
使用这种通用性的检测电路需要注意以下几点：(1)r1～r5是作为分压电阻采样使用的，要根据正负直流母线之间具体的高电压值来选取合适的电阻值，以保证经过射随器后达到a/d转换器的电压值在a/d转换参考电压范围之内;(2)分压采样电阻r1～r5还兼有高压隔离的作用，即增加爬电距离，如果电压很高，就需要串联更多的分压电阻，不一定只使用5个电阻，在电路pcb布板时也要格外注意电阻走向;(3)运放u1用在这里是起到输入输出隔离的作用，利用理想运放输入电阻无穷大、输出电阻无穷小的特点，以避免高压输入部分对后端低压信号调理部分的干扰和影响;(4)运放尽量选择高精度、低失调、低噪声的运算放大器以提高电压采样精度;(5)r3两端的最大采样电压不能超过运放u1的最大共模输入电压，运放连接方式是射极跟随器，根据运放虚短的概念有vin+ = vin-，因此运放输入共模电压vic=[(vin+) + (vin-)]/2=vin+=vin-=电阻r3两端电压，如果最大采样电压(电阻r3两端电压)超过了运放的最大共模输入电压，就会出现削顶失真，如图2所示为出现削顶失真时输入波形和经过运放后输出波形对比图。
图2 运放出现削顶失真时的输入和输出波形对比
在设计采样电路时，为了提高运放的共模输入电压范围，我们可以提高运放的供电电源电压，这样其共模输入电压范围便水涨船高，如图3所示为某款运放规格书中共模输入电压范围参数指标，可以看到：当运放供电电源电压选择12v时，在全温度范围内，其共模输入电压能达到12v-2v=10v，因此从理论上说，该射随器可以处理10v以下的电压信号。
图3 某款运放规格书中共模输入电压范围参数指标
另外，有时为了使采样输出电压更加匹配后端的a/d转换器参考电平，需要对经过射极跟随器的电压进行比例放大或缩小，这时我们可以通过增加差分放大电路，并且在差分放大电路输出端再增加一级射极跟随器来实现，以提高采样信号的带载能力(抗干扰能力)，如图4所示。后面我会专门写文章来讲解一下这种电路设计，这里不做拓展。
图4 采用电阻分压法但增加了差分放大电路的高压直流母线采样电路
采用电阻分压法来检测高压直流母线电压，虽然具有电路结构简单、成本低的优势，然而，这种检测方法在实际应用中却也存在一定的缺陷：其一，动力电池组的高压部分与车载控制器的低压部分无法做到电气绝缘隔离，压部分和低压部分之间因为人为的串接有分压电阻，导致产生漏电流，且漏电流大小为max[(vbus+)/( r1+r2+r3)，(vbus-)/( r4+r5)]，该漏电流可能会影响整车绝缘性能，甚至导致imd绝缘检测失败;其二，整车高压部分emi可能会沿着采样电阻传导至低压电路部分，从而引起emc问题;其三，采样电阻存在温度漂移特性，而电动汽车工作环境较为恶劣，温差变化幅度较大，会直接影响直流母线电压采样精度。
鉴于文章篇幅，我将在下一篇文章中讲解另外一种高压直流母线电压的采样电路，做到强电和弱电完全隔离、绝缘，减小高压部分对低压部分的电磁干扰，提高直流母线电压采样精度，敬请留意!
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因此可以说，高压直流母线电压的检测是车载控制器的一个重要工作环节，事关电动汽车的运行安全，不可忽视。
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图1 采用电阻分压法检测高压直流母线电压的通用电路
使用这种通用性的检测电路需要注意以下几点：(1)r1～r5是作为分压电阻采样使用的，要根据正负直流母线之间具体的高电压值来选取合适的电阻值，以保证经过射随器后达到a/d转换器的电压值在a/d转换参考电压范围之内;(2)分压采样电阻r1～r5还兼有高压隔离的作用，即增加爬电距离，如果电压很高，就需要串联更多的分压电阻，不一定只使用5个电阻，在电路pcb布板时也要格外注意电阻走向;(3)运放u1用在这里是起到输入输出隔离的作用，利用理想运放输入电阻无穷大、输出电阻无穷小的特点，以避免高压输入部分对后端低压信号调理部分的干扰和影响;(4)运放尽量选择高精度、低失调、低噪声的运算放大器以提高电压采样精度;(5)r3两端的最大采样电压不能超过运放u1的最大共模输入电压，运放连接方式是射极跟随器，根据运放虚短的概念有vin+ = vin-，因此运放输入共模电压vic=[(vin+) + (vin-)]/2=vin+=vin-=电阻r3两端电压，如果最大采样电压(电阻r3两端电压)超过了运放的最大共模输入电压，就会出现削顶失真，如图2所示为出现削顶失真时输入波形和经过运放后输出波形对比图。
图2 运放出现削顶失真时的输入和输出波形对比
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