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BMS上使用低压地作为参考平面的高压采样方案分析

07/19 13:45
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忽然发现过几天就要到奥运会了,这届的美国男篮阵容很强大,期待能有时间看到几场比赛。

这次讨论下高压采样电路使用低压地作为参考点的方案。

在之前有篇文章介绍MODEL 3的高压采样电路,具体链接为MODEL 3 BMS上的高压检测与绝缘检测电路里面提到过此高压采样方案使用低压地作为参考平面,高压信号通过大电阻分压后直接连到了低压电路网络,当时对这个方案一笔带过了,最近在做一些竞品电路对比分析,就重新看下。

具体地,MODEL 3 BMS控制板上有6路高压采样点,如下图,是比较常见的继电器连接形式。

一般的高压检测方案是以高压地作为参考平面,将剩余5路采样点通过分压电阻连接到高压地,然后采样电阻上信号连接到位于高压地上的BJB芯片,如下图。

但是在MODEL 3 BMS控制板上,是将高压采样的这6个采样点通过分压电阻后,连接到了低压地,方案类似下图:使用低压电路部分的ADC去采集这6个点电压,方案不复杂,功能实现也应该是没问题的。

其采样电路大概如下图,只画出了两个采样点的采样电路:输入信号经过分压电阻后上拉到参考电源VREF,经过运放跟随电路后输出到MCU的ADC去采集,采样电路上并没有布置开关

优点:

这种方案最明显的优点就是成本低,它节省掉了高低压之间的隔离电源与隔离通信电路,当然采样电路上面的开关是否保留可以再探讨,这已经节省了很多成本下来。

还有一个优点是它避免掉了虚电压问题,如下图:电池高压连接器端口的虚电压来源于电池、绝缘电阻和采样电路的回路,但是这种方案下,就不存在这个回路,也就没有虚电压了。

缺点:

这种方案的一个缺点是分压电阻是并联在系统绝缘电阻两端的,它一定会降低系统的绝缘性能,所以这个采样电路的分压电阻取值一般会比较大,特斯拉取值单臂大概为10MΩ;另外,做绝缘检测时也要把这个电阻区分开。

另外一个问题是安全防护的问题,对目前的我来讲,也是一个灰色地带。

展开来说,高压与低压之间是需要做安全防护的,一般在PCB上我们防护方案是做电气隔离,并制定一定大小的安规间距,电气隔离的方式一般为光隔、容隔、磁隔,常见的隔离器件为变压器、光MOS和电容等,例如下图。

而使用低压地来采集高压的这种方案,实际高低压之间只隔了一定阻值的电阻,当然阻值可以选择到一定大小来做限流,但是这样是否符合安规要求呢?在标准GB 4943.1-2022中确实有提到使用电阻作为安全防护器件使用的方法,不过需要等待我们去详细解读了。

其实,绝缘检测电路也是通过一组电阻连接到了低压地,某种角度来讲,我们实际已经在使用这种方案了;除了特斯拉上,国内也有一些BMS是使用这种方案实现的,等后面把标准研究透彻,再回头看下这个使用电阻做安全防护的可行性。

总结:

没啥说的,最近有点忙;以上所有,仅供参考。

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公众号“新能源BMS”主笔,从事新能源汽车电池系统设计工作,具体为BMS硬件设计工作将近10年,在几个大的主机厂都工作过;希望通过文字,把一些设计经验和总结分享给大家,共同成长。