技术领域
[0001] 本发明涉及新能源汽车电池管理技术领域，具体涉及一种汽车继电器高低边双边驱动及诊断电路。
相关背景技术
[0002] 当前，部分新能源汽车继电器为单边驱动，且无保护和诊断功能，同时目前市场上的汽车继电器驱动电路多采用进口集成芯片实现，成本高，并且电路复杂可靠性低。
[0003] 为了解决上述问题，需要设计一种双边驱动电路，以满足新能源汽车的实际应用需求。
具体实施方式
[0025] 下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。
[0026] 参考图1‑7，给出了一种汽车继电器高低边双边驱动及诊断电路，包括负载模块，以及分别连接于负载模块两端的高边模块和低边模块。
[0027] 高边模块的高边驱动输出和低边模块的低边驱动输出分别与负载模块的两端连接。
[0028] 负载模块包括继电器驱动线圈，负载内阻为50Ω。一端接高边驱动输出，另一端接低边驱动输出，当高边驱动输出高电压，低边驱动输出对地导通的时候继电器便可以正常吸合。
[0029] 其中，高边模块包括串联连接的高边驱动模块和高边诊断模块，以及与高边驱动模块和高边诊断模块相连的高边短路保护模块。
[0030] 高边驱动模块包括开关元件M1和三极管Q1，M1的1脚与Q1的3脚相连，M1的2脚连接高边诊断模块，M1的3脚连接乘用车供电端口；Q1的2脚连接GND接地，Q1的1脚连接高边驱动使能口。
[0031] 在M1的1脚和3脚之间连接有电阻R2，在M1的1脚和Q1的3脚之间连接有电阻R3，在Q1的1脚与高边驱动使能口之间连接有电阻R5，在Q1的1脚与2脚之间连接有电阻R6。
[0032] 其中M1的型号为DMP 4015SPSQ‑13，Q1的型号为MMBT3904LT1G，R2的阻值为1MΩ，R3的阻值为1MΩ，R5的阻值为10KΩ，R6的阻值为10KΩ。
[0033] 其中乘用车供电端口的供电范围为9‑16V。高边驱动使能口为MCU的IO口，输出高时为5V，低时为0V。
[0034] 当输出5V时，由于R5和R6的分压作用(1/2分压)，F点的电压为2.5V，F点的电压等于R6两端的电压，同时也等于三极管Q1的Vbe，因为三极管Q1的Vb有钳位作用，所以此时F点的电压为0.7V，Q1导通，即Q1的C极和E极导通。
[0035] Q1导通后，由于R2和R3的分压作用(1/2分压)，所以R2两端的电压等于M1的Vgs，为4.5‑8V，此时M1的DS导通，M1对外输出电压。
[0036] 高边诊断模块包括二极管D1，二极管D1的正极连接外部5V供电，负极分别连接高边驱动模块、高边驱动输出和高边驱动输出回采口。二极管D1的正极与外部5V供电之间连接有电阻R1，负极与高边驱动输出回采口之间连接有电阻R4，在电阻R4与高边驱动输出回采口之间通过电阻R7连接GND接地。
[0037] 其中D1的型号为BAS21HT1G，R1的阻值为10KΩ，R4的阻值为100KΩ，R7的阻值为20KΩ。
[0038] 外部5V供电是诊断时的一个激励源，5V通过限流电阻R1和防反二极管D1输出激励源。
[0039] C点为高边驱动输出回采口，是MCU的一个ADC采样口，A点为高边驱动输出口，A点的电压通过R4和R7分压后给到MCU的ADC口进行采样。
[0040] 高边短路保护模块的一端连接于高边驱动模块的电阻R5和R6之间的一点，另一端连接于高边诊断模块的电阻R4和R7之间的一点。
[0041] 具体的，高边短路保护模块包括开关元件Q2和比较器U1，Q2的3脚连接于高边驱动模块的电阻R5和R6之间的一点，2脚连接GND接地，1脚与比较器U1的1脚相连；U1的2脚连接GND接地，3脚的一端通过电阻R8连接外部5V供电，另一端通过电阻R9连接GND接地，4脚连接于高边诊断模块的电阻R4和R7之间的一点，5脚连接外部5V供电。
[0042] 其中，开关元件Q2的型号为2N7002BK，215；比较器U1的型号为OPA365QDBVRQ1，R8的阻值为90KΩ，R9的阻值为10KΩ。
[0043] E点的电压为5V，通过R8和R9的分压作用(1/10分压)后为0.5V，由于U1是比较器，当C点电压小于0.5V时，U1输出5V电压，使Q2导通，Q2导通后F点被拉地，此时三极管Q1不导通，从而使高边断开输出，起到保护的作用。
[0044] 低边模块包括串联连接的低边驱动模块和低边诊断模块，以及与低边驱动模块相连的低边短路保护模块。
[0045] 低边驱动模块包括开关元件M2，M2的1脚连接低边驱动使能口，2脚连接低边诊断模块，3脚连接低边短路保护模块；在M2的1脚与低边驱动使能口之间连接有电阻R12，在电阻R12与M2的1脚之间通过电阻R13连接GND接地。
[0046] 其中，M2的型号为JMSH0406AGQ，R12的阻值为10KΩ，R13的阻值为40KΩ。
[0047] 低边驱动使能口为MCU的IO口，输出高时为5V，低时为0V。当低边驱动使能口为MCU的IO口输出5V时，因为R12和R13分压(4/5分压)所以G点的电压为4V，因为M2的开启电压Vgs为2V，Vgs等于G点电压减去S点电压，所以当S点电压低于2V时，M2的Vgs便大于2V，M2便可以开启导通。M2导通后低边驱动输出口便可以通过R15后导通到地。
[0048] 低边诊断模块包括二极管D2，二极管D2的正极连接外部5V供电，负极分别连接低边驱动模块、低边驱动输出和低边驱动输出回采口。二极管D2的正极与外部5V供电之间连接有电阻R10，在二极管D2的负极与低边驱动输出回采口之间连接有电阻R11，在电阻R11与低边驱动输出回采口之间通过电阻R14连接GND接地。
[0049] 其中，二极管D2的型号为BAS21HT1G，R10的阻值为10KΩ，R11的阻值为100KΩ，R14的阻值为20KΩ。
[0050] 5V供电是诊断时的一个激励源，5V通过限流电阻R10和防反二极管D2输出激励源。D点为低边驱动输出回采口，是MCU的一个ADC采样口，B点为高边驱动输出口，B点的电压通过R11和R14分压后给到MCU的ADC口进行采样。
[0051] 低边短路保护模块包括电阻R15，电阻R15连接M2的3脚后连接GND接地，R15的阻值为0.5Ω。
[0052] S点的电压即R15两端的电压，R15为一个阻值为0.5Ω的采样电阻，当R15两端的电压大于2V时，即电流大于4A时，M2的Vgs便小于2V，此时M2断开，从而使低边输出驱动断开输出，起到保护的作用。
[0053] 此外，该实施例中，高边保护计算的过程为：
[0054] 比较器U1同相端E点的电压为5V通过R8、R9分压(1/10分压)＝0.5V。
[0055] 比较器U1反相端C点的电压为A点电压通过R4、R7分压(1/6分压)所得。
[0056] 所以当C点电压低于0.5V时，比较器U1输出5V电压，使Q2导通，Q2导通后F点被拉地，此时三极管Q1不导通，从而使高边断开输出。当C点电压高于0.5V时，比较器U1输出0V电压，使Q2不导通，故不影响F点电压。
[0057] 当M1有输出时，A点的电压等于乘用车供电，即为9‑16V，此时高边驱动输出回采口等于C点，因为R4和R7分压(1/6分压)，所以此时C点的电压＝Uc＝1.5‑2.67V。此电压高于0.5V，故不影响F点电压。
[0058] 当M1无输出时，因为5V供电通过R1、D1、R4、R7形成回路，D1的二极管正向导通压降为0.7V，所以此时C点的电压＝Uc＝4.3*(2/13)＝0.66V。此电压高于0.5V，故不影响F点电压。
[0059] 综上，当A点电压低于3V时，C点电压低于0.5V时高边会被关断。当A点电压低于3V时，默认高边驱动输出对地短路，所以启动保护。
[0060] 低边保护的计算过程为：
[0061] 因为负载的内阻为50Ω，当高低边驱动都开启时，负载电流＝乘用车供电/负载内阻。乘用车供电＝9‑16V，故正常工作时，S点电流＝负载电流＝0.18‑0.32A。
[0062] S点的电压即R15两端的电压，M2的Vgs等于G点电压减去S点电压，当低边驱动使能口输出5V时，G点的电压为4V，R15为一个阻值为0.5Ω的采样电阻，当R15两端的电压大于2V时，即电流大于4A时，M2的Vgs便小于2V，此时M2断开，从而使低边输出驱动断开输出，起到保护的作用。
[0063] 因为负载电流最大为0.32A，故当高低边驱动都开启时负载电流不会触发低边保护。
[0064] 5V激励源经过R10限流电阻后回路电流不会超过0.5mA，故此电流也远远小于4A的保护电流，低边不会因为此激励源触发保护。
[0065] 综上，当S点电流，大于4A时，M2的Vgs小于2V时低边会被关断。当S点电流高于4A时，默认低边驱动输出对电源短路，所以启动保护。
[0066] 诊断计算过程为：
[0067] M1有输出时＝高边开启、M1无输出时＝高边关闭、M2有输出时＝低边开启、M2无输出时＝低边关闭。
[0068] 1：当高边驱动输出＝A点开路时。当M1有输出时，A点的电压＝乘用车供电＝9‑16V,此时高边驱动输出回采口＝C点因为R4和R7分压(1/6分压)，所以此时C点的电压＝Uc＝1.5‑2.67V。
[0069] 2：当高边驱动输出＝A点开路时。当M1无输出时，因为5V供电通过R1、D1、R4、R7形成回路，D1的二极管正向导通压降为0.7V,所以此时C点的电压＝Uc＝4.3*(2/13)＝0.66V。
[0070] 3：当高边驱动输出＝A点短路到电源时(乘用车供电)。当M1有输出时，A点的电压＝乘用车供电＝9‑16V,此时高边驱动输出回采口＝C点因为R4和R7分压(1/6分压)，所以此时C点的电压＝Uc＝1.5‑2.67V。
[0071] 4：当高边驱动输出＝A点短路到电源时(乘用车供电)。当M1无输出时，A点的电压＝乘用车供电＝9‑16V,此时高边驱动输出回采口＝C点因为R4和R7分压(1/6分压)，所以此时C点的电压＝Uc＝1.5‑2.67V。
[0072] 5：当高边驱动输出＝A点短路到地时。当M1有输出时，因为A点被短路到地了，所以A的电压0V，所以此时C点的电压＝Uc＝0V。
[0073] 6：当高边驱动输出＝A点短路到地时。当M1无输出时，因为A点被短路到地了，所以A的电压0V，所以此时C点的电压＝Uc＝0V。
[0074] 7：当低边驱动输出＝B点开路时。当M2有输出时，B点的电压被M2拉到地，所以B的电压0V，所以此时D点的电压＝Ud＝0V。
[0075] 8：当低边驱动输出＝B点开路时。当M2无输出时，因为5V供电通过R10、D2、R11、R14形成回路，D2的二极管正向导通压降为0.7V,所以此时D点的电压＝Ud＝4.3*(2/13)＝0.66V。
[0076] 9：低高边驱动输出＝B点短路到电源时(乘用车供电)。当M2有输出时，因为B点被短路到乘用车供电了，所以B点的电压＝乘用车供电＝9‑16V,此时低边驱动输出回采口＝D点因为R11和R14分压(1/6分压)，所以此时D点的电压＝Ud＝1.5‑2.67V。
[0077] 10：低高边驱动输出＝B点短路到电源时(乘用车供电)。当M2无输出时，因为B点被短路到乘用车供电了，所以B点的电压＝乘用车供电＝9‑16V,此时低边驱动输出回采口＝D点因为R11和R14分压(1/6分压)，所以此时D点的电压＝Ud＝1.5‑2.67V。
[0078] 11：当低边驱动输出＝B点短路到地时。当M2有输出时，因为B点被短路到地了，所以B的电压0V，所以此时D点的电压＝Ud＝0V。
[0079] 12：当低边驱动输出＝B点短路到地时。当M2无输出时，因为B点被短路到地了，所以B的电压0V，所以此时D点的电压＝Ud＝0V。
[0080] 继电器双边驱动开启和关闭流程/步骤：
[0081] 步骤一：高边关闭、低边关闭(初始状态)→步骤二：高边开启、低边关闭→步骤三：高边开启、低边开启(继电器吸合)→步骤四：高边开启、低边关闭(继电器停止吸合)→步骤五：高边关闭、低边关闭(回到初始状态)。
[0082] 表1给出了高低边驱动所有可能出现的故障类型，分别用故障A、故障B、故障C、故障D、故障E、故障F来表示。
[0083] 表1故障类型
[0084]
[0085] 通过分析，可得出下表2‑6，分别给出了步骤一至步骤五的所有情形。
[0086] 表2步骤一
[0087]
[0088] 表3步骤二
[0089]
[0090]
[0091] 表4步骤三
[0092]
[0093] 表5步骤四
[0094]
[0095]
[0096] 表6步骤五
[0097]
[0098] 综上，结合诊断回采的结果，反馈得到故障类型，如表7所示。
[0099] 表7反馈故障类型
[0100]
[0101] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制发明，凡在本发明的设计构思之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
