CN103869226B - 用于电动汽车的故障电弧检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电动汽车的故障电弧检测装置，包括电流互感器、信号转换电路、放大滤波电路、模数转换器U306、数字信号处理器U307、CAN通讯收发器U308和，串口收发器U309，这种用于电动汽车的故障电弧检测装置弥补了电动汽车行业中对于高压直流总线上故障电弧检测的空白，能精准、快速地检测到故障电弧的发生，并及时将检测结果告知用户，以便用户或远程控制器能及时采取措施，避免灾难性事故的发生，提高了电动汽车的安全性能。

Description

用于电动汽车的故障电弧检测装置
技术领域
本发明涉及电动汽车制造技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车的故障电弧检测装置。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，电气化程度越来越高，电路保护也越来越重要。许多严重的电气事故却是由低电流的故障电弧引起的。
电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。根据电弧产生的机理，电弧可以分为2类：好弧（插拔电器时产生的弧等）和坏弧（故障电弧）。故障电弧主要是由于电线等电气绝缘老化、破损，空气潮湿引起的空气击穿，或者电气连接松动等原因造成的。电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧放电时，会产生大量的热，能引燃周围的易燃易爆品，造成火灾甚至爆炸。
目前市场上越来越受欢迎的混合动力和电动汽车利用400-500V电池组并在整个汽车内遍布高电压直流电流。在这些汽车中的主电池盒逆变器功率级之间的高电压直流总线是导致灾难性汽车火灾的众所周知的潜在原因。在电动汽车的高电压直流总线中加入电弧检测功能可以减轻与高电压相关的风险，从而使电动汽车更加安全，并使市场上的混合动力和电动汽车更受到认可。
但是，传统的断路器是根据电流的过载情况而设计的，而许多严重的电气事故却是由低电流的故障电弧引起的，传统的断路器并不能检知或防止这种故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决目前针对于电动汽车高电压直流总线上的故障电弧缺乏可靠准确的检测装置，导致电动汽车的使用存在安全隐患，本发明提供了一种用于电动汽车的故障电弧检测装置，通过基于FFT的数字滤波器对高压直流总线上的电流进行频谱分析，从而及时准确地检测到故障电弧的发生来解决电动汽车存在的这一安全隐患。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于电动汽车的故障电弧检测装置，包括
电流互感器，一次绕组接在高压直流总线上，用于采集高压直流总线上的电流信号；
信号转换电路，输入端与所述电流互感器的二次绕组相连，将所述采集的电流信号滤除直流分量后转换成模拟电压信号；
放大滤波电路，输入端与所述信号转换电路的输出端连接，对所述模拟电压信号放大和滤波；
模数转换器U306，输出端与所述放大滤波电路的输出端连接，将所述放大和滤波后的模拟电压信号转换成数字信号；
数字信号处理器U307，与所述模数转换器U306的输出端连接，对数字信号进行快速傅里叶变换得到所述高压直流总线上的电流的频谱，包括多个数字滤波器，所述数字滤波器对所述频谱进行分析，检测高压直流总线上的高频噪声的振幅，并将检测结果与内置的故障电弧的阈值进行比对，从而判断故障电弧是否发生；
CAN通讯收发器U308，与所述数字信号处理的CAN通讯接口连接，获取故 障电弧的判断结果，并将所述故障电弧的判断结果发送给远程控制器；
串口收发器U309，所述数字信号处理器U307通过所述串口收发器U309与电脑相连，用于设置所述故障电弧的阈值。
针对故障电弧会在特定频段改变高压直流总线上的标称功率这一特性，所述放大滤波电路滤除所述模拟电压信号中频率大于100KHz和小于40KHz部分，这样也是为了隔离高压直流总线上固有的频谱噪声，从而提高故障电弧检测的准确性，另外，将频段设置在40KHz与100KHz之间也是为了符合模数转换器U306的输入范围，提高模数转换器U306的转换效率，进一步提升检测装置的性能。
具体的，所述放大滤波电路包括
运算放大器U302A，同相输入端接所述信号转换电路的输出端，用于对所述模拟电压信号进行幅值放大；
巴特沃兹高通滤波器，包括运算放大器U303A和U304A，所述运算放大器U303A的同相输入端接所述运算放大器U302A的输出端，所述运算放大器U303A的输出端与所述运算放大器U304A的同相输入端连接；
低通滤波器，包括运算放大器U302B、U303B和U304B，所述运算放大器U304A的输出端与运算放大器U302B的同相输入端连接，所述运算放大器U304B的输出端与所述模数转换器U306的输入端连接。
由于在正常的使用中，高压直流总线上固有的噪声非常类似于故障电弧，
如果分辨率和速度不够，检测装置很有可能无法区分故障电弧和非电弧事件，
因此所述模数转换器U306，型号为ADC161S626，IN+端与所述运算放大器U304B的输出端连接，ADC161S626具有250KSPS的采样速率和16的采样精度，能提供必须的分辨率和速度，为精确可靠地检测故障电弧的发生提供保障。
所述数字信号处理器U307，型号为TMS320F28035RSHS，其使用32位架构， 可以最快、最有效地处理数据，SPISOMIA端、SPICLKA端和SPISTEA端分别与所述模数转换器U306的DOUT端、SCLK端和CSB端连接。
具体的，所述数字信号处理器U307还连接有下载接口J303，用以向所述数字信号处理器U307中载入程序。
作为优选，所述CAN通讯收发器U308，型号为PCA82C250，TXD端和RXD端分别与所述数字信号处理器U307的CANTXA端和CANRXA端相连。
具体的，所述CAN通讯收发器U308的CANH端和CANL端还连接有CAN总线接口J5。
作为优选，所述串口收发器U309，型号为MAX232，T1in端和R1out端分别与所述数字信号处理器U307的SCITXDA端和SCIRXDA端相连接。
所述串口收发器U309的T1out端和R1in端还连接有用于与电脑连接的串口接口J4，由此用户通过控制电脑来设置故障电弧的阈值，使这种用于电动汽车的故障电弧检测装置具有高度的灵活性和稳定性。
本发明的有益效果是，这种用于电动汽车的故障电弧检测装置将通过电流互感器采集到的模拟信号经过处理转换成数字信号，再通过快速傅里叶变换生成频谱进行分析，利用数字滤波器检测高压直流总线上高频噪声的振幅变化，从而判断故障电弧的发生，这种用于电动汽车的故障电弧检测装置弥补了电动汽车行业中对于高压直流总线上故障电弧检测的空白，能精准、快速地检测到故障电弧的发生，并及时将检测结果告知用户，以便用户或远程控制器能及时采取措施，避免灾难性事故的发生，提高了电动汽车的安全性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明用于电动汽车的故障电弧检测装置的框架示意图。
图2是本发明用于电动汽车的故障电弧检测装置的放大滤波电路的分布图。
图3是本发明用于电动汽车的故障电弧检测装置的模数转换器部分的电路分布图。
图4是本发明用于电动汽车的故障电弧检测装置的数字信号处理器部分的电路分布图。
图5是本发明用于电动汽车的故障电弧检测装置的CAN通讯收发器和串口收发器部分的电路分布图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明提供了一种用于电动汽车的故障电弧检测装置，包括
电流互感器，一次绕组接在高压直流总线上，用于采集高压直流总线上的电流信号；
信号转换电路，输入端与电流互感器的二次绕组相连，将采集的电流信号滤除直流分量后转换成模拟电压信号；
放大滤波电路，输入端与信号转换电路的输出端连接，对模拟电压信号放大和滤波，滤除模拟电压信号中频率大于100KHz和小于40KHz部分；
模数转换器U306，输出端与放大滤波电路的输出端连接，将放大和滤波后的模拟电压信号转换成数字信号；
数字信号处理器U307，与模数转换器U306的输出端连接，对数字信号进行 快速傅里叶变换得到高压直流总线上的电流的频谱，包括多个数字滤波器，数字滤波器对频谱进行分析，检测高压直流总线上的高频噪声的振幅，并将检测结果与内置的故障电弧的阈值进行比对，从而判断故障电弧是否发生；
CAN通讯收发器U308，与数字信号处理的CAN通讯接口连接，获取故障电弧的判断结果，并将故障电弧的判断结果发送给远程控制器；
串口收发器U309，数字信号处理器U307通过串口收发器U309与电脑相连，用于设置故障电弧的阈值。
如图2所示，放大滤波电路包括
运算放大器U302A，同相输入端接信号转换电路的输出端，用于对模拟电压信号进行幅值放大；
巴特沃兹高通滤波器，包括运算放大器U303A和U304A，运算放大器U303A的同相输入端接运算放大器U302A的输出端，运算放大器U303A的输出端与运算放大器U304A的同相输入端连接；
低通滤波器，包括运算放大器U302B、U303B和U304B，运算放大器U304A的输出端与运算放大器U302B的同相输入端连接，运算放大器U304B的输出端与模数转换器U306的输入端连接。
如图3所示，模数转换器U306，型号为ADC161S626，IN+端与运算放大器U304B的输出端连接。
如图4所示，数字信号处理器U307，型号为TMS320F28035RSHS，SPISOMIA端、SPICLKA端和SPISTEA端分别与模数转换器U306的DOUT端、SCLK端和CSB端连接，数字信号处理器U307还连接有下载接口J303，用以向数字信号处理器U307中载入程序。
如图5所示，CAN通讯收发器U308，型号为PCA82C250，TXD端和RXD端分 别与数字信号处理器U307的CANTXA端和CANRXA端相连，CAN通讯收发器U308的CANH端和CANL端还连接有CAN总线接口J5，串口收发器U309，型号为MAX232，T1in端和R1out端分别与数字信号处理器U307的SCITXDA端和SCIRXDA端相连接，串口收发器U309的T1out端和R1in端还连接有用于与电脑连接的串口接口J4。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：包括
电流互感器，一次绕组接在高压直流总线上，用于采集高压直流总线上的电流信号；信号转换电路，输入端与所述电流互感器的二次绕组相连，将所述采集的电流信号滤除直流分量后转换成模拟电压信号；
放大滤波电路，输入端与所述信号转换电路的输出端连接，对所述模拟电压信号放大和滤波，所述放大滤波电路滤除所述模拟电压信号中频率大于100KHz和小于40KHz部分；
模数转换器U306，输入端与所述放大滤波电路的输出端连接，将所述放大和滤波后的模拟电压信号转换成数字信号；
数字信号处理器U307，与所述模数转换器U306的输出端连接，对数字信号进行快速傅里叶变换得到所述高压直流总线上的电流的频谱，包括多个数字滤波器，所述数字滤波器对所述频谱进行分析，检测高压直流总线上的高频噪声的振幅，并将检测结果与内置的故障电弧的阈值进行比对，从而判断故障电弧是否发生；
CAN通讯收发器U308，与所述数字信号处理的CAN通讯接口连接，获取故障电弧的判断结果，并将所述故障电弧的判断结果发送给远程控制器；
串口收发器U309，所述数字信号处理器U307通过所述串口收发器U309与电脑相连，用于设置所述故障电弧的阈值。
2.如权利要求1所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述放大滤波电路包括
运算放大器U302A，同相输入端接所述信号转换电路的输出端，用于对所述模拟电压信号进行幅值放大；
巴特沃兹高通滤波器，包括运算放大器U303A和U304A，所述运算放大器 U303A的同相输入端接所述运算放大器U302A的输出端，所述运算放大器U303A的输出端与所述运算放大器U304A的同相输入端连接；
低通滤波器，包括运算放大器U302B、U303B和U304B，所述运算放大器U304A的输出端与运算放大器U302B的同相输入端连接，所述运算放大器U304B的输出端与所述模数转换器U306的输入端连接。
3.如权利要求2所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述模数转换器U306，型号为ADC161S626，IN+端与所述运算放大器U304B的输出端连接。
4.如权利要求3所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述数字信号处理器U307，型号为TMS320F28035RSHS，SPISOMIA端、SPICLKA端和SPISTEA端分别与所述模数转换器U306的DOUT端、SCLK端和CSB端连接。
5.如权利要求4所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述数字信号处理器U307还连接有下载接口J303，用以向所述数字信号处理器U307中载入程序。
6.如权利要求4所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述CAN通讯收发器U308，型号为PCA82C250，TXD端和RXD端分别与所述数字信号处理器U307的CANTXA端和CANRXA端相连。
7.如权利要求6所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述CAN通讯收发器U308的CANH端和CANL端还连接有CAN总线接口J5。
8.如权利要求6所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所述串口收发器U309，型号为MAX232，T1in端和R1out端分别与所述数字信号处理器U307的SCITXDA端和SCIRXDA端相连接。
9.如权利要求8所述的用于电动汽车的故障电弧检测装置，其特征在于：所 述串口收发器U309的T1out端和R1in端还连接有用于与电脑连接的串口接口J4。
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