一种高电压信号采集及保护电路的制作方法

本发明涉及电压信号采集及保护领域，特别是涉及一种高电压信号采集及保护电路。

背景技术：

在绿色能源的倡导下，动力电池模组作为新能源电动汽车的主要动力来源，在整车系统中起着不可替代的作用，其日渐受到大众的欢迎，在动力电池模组中，要实时采集其每个单体电池的电压信号，以检测动力电池模组的电压信息状态，如若出现故障信息，可以第一时间了解并分析电池故障，及时排除故障，保证动力电池模组的安全，同时为电动汽车提供最安全的保障系统。

电压信号作为电动汽车电池管理系统中关键的电参数，故需实时采集监测电池系统的电压变化范围，电压信号包括动力电池电芯的单体电压信号、电池组的外总电压压信号、电池组的内总电压信号，其中单体电芯电压数值较小，一般为3.2V至4.2V不等，采集芯片可以直接读取其物理量并作相应的处理，而电池组的总压则由多个单体电芯电压串联叠加而成，其电压数值较高，且在整车启停或加速减速瞬间其数值变化较大，现有电池管理系统的高压采集电路一般都做成采集模块单独放于高压箱内对系统的内总压外总压进行采集监控，此模式虽将高压采集模块单独安装，但电压信号及采集芯片易受到启停干扰，且模块数量随之增加，不利于系统的集成化小型化。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种高电压信号采集及保护电路，设有第一二极管D1和第二二极管D2，有效的保护采集电压异常及采集线反接对后极转换芯片的损坏，提高电路的安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

所述分压滤波单元的输入端分别连接电池组的总正端和总负端，其滤波输出端与保护单元的输入端连接，所述保护单元的输出端与AD转换隔离单元的输入端连接，所述AD转换隔离单元的输出端与所述采集处理单元信号连接。

作为进一步的优选方案，所述保护单元包括第一二极管D1和第二二极管D2，所述第一二极管D1的阴极与第一供电电源VCC1连接，阳极分别与所述分压滤波单元的滤波输出端及所述第二二极管D2的阴极连接；所述第二二极管D2的阳极与第一参考地GND1连接；

所述第一二极管D1的阳极还作为保护单元的输出端与所述AD转换隔离器的采集接口连接。

作为进一步的优选方案，所述分压滤波单元包括分压电阻、采样电阻及第一滤波电容C1，所述分压电阻的一端与电池组的总正端连接，另一端与采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端与电池组的总负端连接；所述第一滤波电容C1与所述采样电阻并联。

作为进一步的优选方案，所述分压电阻包括多个相互串联和/或并联连接的单体电阻。

作为进一步的优选方案，所述分压电阻包括串联连接的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2。

作为进一步的优选方案，所述AD转换隔离单元的输入级分别与所述第一供电电源VCC1及所述第一参考地GND1连接；所述AD转换隔离单元的输出级分别与第二供电电源VCC2及第二参考地GND2连接。

作为进一步的优选方案，所述采集处理单元包括主控单元MCU，所述主控单元MCU与所述AD转换隔离单元信号连接，所述主控单元MCU的电源输入端与所述第二供电电源VCC2连接。

作为进一步的优选方案，所述采集处理单元还包括第二滤波电容C2，所述第二滤波电容C2的一端与所述AD转换隔离单元的数据端口SDA连接，另一端接第二参考地GND2。

作为进一步的优选方案，所述采集处理单元还包括第三滤波电容C3，所述第三滤波电容C3的一端与所述AD转换隔离单元的信号端口SCL连接，另一端接第二参考地GND2。

作为进一步的优选方案，所述高压采集模块的数量为一个以上。

本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：

1、本发明公开了一种高电压信号采集及保护电路，其设有并列的第一二极管D1和第二二极管D2，有效的保护采集电压异常及采集线反接对后极转换芯片的损坏，为前端采集电路提供两种极端情况保护机制，多重保护模式提高电路运行的可靠性及电路的安全性。

2、本发明将主控单元MCU集成高压信号采集处理单元，使电池管理系统集中化，便于管理，且电压信号受外界干扰的几率和干扰的强度均减小。

3、本发明还设有AD转换隔离单元使得高低压之间、模拟数字信号之间有效区分隔离，切断噪声回路的路径，提高电路的抗干扰能力；采用前后级电路隔离的方式，将电池组采集端高压侧与主控单元MCU端有效的进行电气隔离，同时也将高压侧的模拟信号与主控单元MCU低压侧的数字信号进行有效的隔离。

4、本发明设有第一滤波电容C1，其并联在取样电阻R3的两端，用来滤除分压线路中的高频噪声，减小高频噪声对高压侧模拟信号的干扰。

5、本发明还设有多个高压采集模块，高压采集模块又包括分压滤波单元和保护单元，可对多路高电压信号同时、快速、实时、有效的采集，且只需占用两个主控单元MCU的IO端口资源。

附图说明

图1为本发明一种高电压信号采集及保护电路的原理框图；

图2为本发明一种高电压信号采集及保护电路的电路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一种高电压信号采集及保护电100包括高压采集模块10、AD转换隔离单元3及采集处理单元4，高压采集模块10包括分压滤波单元1、保护单元2。

所述分压滤波单元1的输入端分别连接电池组的总正端和总负端，其滤波输出端与保护单元2的输入端连接，所述保护单元2的输出端与AD转换隔离单元3的输入端连接，所述AD转换隔离单元3的输出端与所述采集处理单元4信号连接。在图2中，电池组的总正端为Vin1，电池组的总负端为GND1，即供电电源VCC1的第一参考地。

请参阅图2，保护单元2包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阴极与第一供电电源VCC1连接，阳极分别与所述分压滤波单元1的滤波输出端及第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第一参考地GND1连接。第一二极管D1的阳极还作为保护单元2的输出端与AD转换隔离器3的采集接口连接。

在某些特别恶劣的情况下，当采集的采样电压值超过VCC1+Vd1，其中Vd1为第一二极管D1的正向导通电压，则第一二极管D1将采样电压钳位至VCC1+Vd1，防止高电压注入后级的IC输入管脚而损坏芯片；如出现电压采集线接反的情况，采样电压超过第二二极管D2的正向导通电压，则第二二极管D2导通，可将采样电压钳位至0-Vd2，其中Vd2为第二二极管D2的正向导通电压，可有效防止负电压对后级芯片的损坏，增加采集线防反接以及过压保护功能。将第一二极管D1和第二二极管D2并列使用，有效的保护采集线反接及采集电压异常对后极转换芯片的损坏，为前端采集电路提供两种极端情况保护机制，多重保护模式提高电路运行的可靠性及电路的安全性。这里说的第一二极管D1和第二二极管D2可以是低正向压降特性的肖特基二极管，也可以是快速开关二极管。

分压滤波单元1包括分压电阻，分压电阻包括多个相互串联和/或并联连接的单体电阻，分压电阻的一端与电池组的总正端连接，另一端与采样电阻R3的一端连接，采样电阻R3的另一端与电池组的总负端连接；第一滤波电容C1与所述采样电阻R3并联。在图2中，所述分压滤波单元1还包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，其中，第一分压电阻R1的一端连接电池组的总正端，第一分压电阻R1的另一端连接第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端连接采样电阻R3，采样电阻R3的另一端连接电池组的总负极，第一滤波电容C1并联连接在R3的两端，用来滤除分压线路中的高频噪声，减小高频噪声对高压侧模拟信号的干扰。

具体的，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2可由多个电阻串联/并联组成，第一分压电阻R1与第二分压电阻R2之和必须保证足够大，以电池组总电压等于1000V、采样电阻R3两端电压等于5V为例，如要求电压采样回路中的电流要小于0.5mA，由欧姆定律可得，R1+R2+R3＝U/I＝1000V/0.5mA＝2MΩ；此电流过大，则电路自耗电随之增大，所以要保证电流足够小。根据实际环境及需求，全部分压电阻都使用高精度精密电阻。

采集处理单元4包括主控单元MCU，主控单元MCU与AD转换隔离单元3信号连接，主控单元MCU的电源输入端与第二供电电源VCC2连接。采集处理单元4还包括第二滤波电容C2，第二滤波电容C2的一端与AD转换隔离单元3的数据端口SCL连接，第二滤波电容C2的另一端接第二参考地GND2。采集处理单元4还包括第三滤波电容C3，第三滤波电容C3的一端与AD转换隔离单元3的信号端口SDA连接，第三滤波电容C3的另一端接第二参考地GND2。

第二滤波电容C2和第三滤波电容C3用来滤除外界环境的高频噪声及其他干扰，主控单元MCU使用两个IO管脚即可实时快速采集处理高压模拟信号转换后的数字信号。当电池控制单元BCU的主控单元MCU监测到取样电压高于或低于参考值，或者有其他异常时，可以快速触发故障机制。本发明将主控单元MCU集成高压信号采集处理单元4，使电池管理系统集中化，便于管理，且电压信号受外界干扰的几率和干扰的强度均减小。

AD转换隔离单元3的输入级分别与第一供电电源VCC1及第一参考地GND1连接，AD转换隔离单元3的输出级分别与第二供电电源VCC2及第二参考地GND2连接。这里的AD转换隔离单元3是由一多路AD转换隔离器组成。AD转换隔离单元3的输入级和输出级采用不同的电源供电，即VCC1为输入级的供电电源，VCC2为输出级的供电电源，且二者的参考地也是隔离的，可有效隔离系统的高压部分与低压部分，同时也将高压侧的模拟信号与低压侧的数字信号清晰的区分开来，提高高压采集电路的抗干扰强度及保障高低压系统的有效隔离。

本发明还设有AD转换隔离单元3使得高低压之间、模拟数字信号之间有效区分隔离，切断噪声回路的路径，提高电路的抗干扰能力；采用前后级电路隔离的方式，将电池组采集端高压侧与主控单元MCU端有效的进行电气隔离，同时也将高压侧的模拟信号与主控单元MCU低压侧的数字信号进行有效的隔离。

一种高电压信号采集及保护电路还包括多个高压采集模块10，所述高压采集模块的数量为一个以上，具体的，多个分压滤波单元1的一端分别与电池组的总正端连接，另一端与电池组的总负端连接，多个保护单元2分别与AD转换隔离单元3连接。增加多个分压滤波单元1和多个保护单元2即可采集多路高电压信号，通道数量由实际的AD转换隔离单元3采集通道数量所决定。

本发明设有多个高压采集模块10，高压采集模块10又包括分压滤波单元1和保护单元2，可对多路高电压信号同时、快速、实时、有效的采集，且只需占用两个主控单元MCU的IO端口资源。

以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。