CN106950408A - 一种高精度宽量程车载直流电能表 - Google Patents

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徐韬
陆春光
黄荣国
宋锡强
户杰
郑可
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Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高精度宽量程车载直流电能表。目前在电能计量领域存在的直流电能计量装置，其计量精度一般在1级或者2级，测量的动态范围也一般在5至10倍，最大电流一般只能做到200A左右，远远不能满足当前的需求。本发明包括表体、置于表体内的电流采样模块和计量模块，所述的表体内还设有源滤波电路、解调电路、同步电路和放大及校正电路；所述的电流采样模块经有源滤波电路滤波和解调电路解调，再通过放大及校正电路后进入计量模块，由同步电路提供调制解调同步时钟。本发明首次在直流电能表电流采样上采用直流磁调制技术，与现有直流电能计量装置比具有精度高，动态范围宽的优点，同时适用于车载运行环境和安装环境。

Description

一种高精度宽量程车载直流电能表
技术领域
本发明涉及车载直流电能计量装置领域，具体地说是一种高精度宽量程车载直流电能表。
背景说明
随着我国低碳经济时代的到来，电动汽车必将成为今后我国汽车工业和新能源产业发展的重点。国家电网目前主推换电池模式，即电池由电力公司购买，公交公司或个人消费者购买裸车，然后公交公司或个人消费者可以通过电池租赁的方式进行使用，电力公司参考电费和其他投入费用收取服务费。那么在此使用模式下，如何对用户使用的电能进行结算就成为需要面临的一个问题。
首先，电池在更换时未必全部使用完，不能按照整个电池充入的电量进行结算，必须对电动汽车正常使用的电量进行精确计量来进行结算；其次，由于电动汽车负载特性存在负载变化大、动态范围宽的特性，轻载待机或起步等工况下负载电流只有几安培至十几安培，满载踩满油门电流会达到300至400安培，这样就对电能计量装置量程的动态范围提出了很高的要求，甚至达到100倍的动态范围。而目前在电能计量领域存在的直流电能计量装置，其计量精度一般在1级或者2级，测量的动态范围也一般在5至10倍，最大电流一般只能做到200A左右，远远不能满足当前的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于计量电动汽车电池充放电量且同时适用于车载运行环境和安装环境的高精度宽量程车载直流电能表。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种高精度宽量程车载直流电能表，包括表体、置于表体内的电流采样模块和计量模块，所述的表体内还设有源滤波电路、解调电路、同步电路和放大及校正电路；
所述的电流采样模块经有源滤波电路滤波和解调电路解调，再通过放大及校正电路后进入计量模块，由同步电路提供调制解调同步时钟。
本发明的电流采样模块采用直流磁调制技术，可以使直流电流测量精度达到0.01％，测量范围扩展至几安培至500安培，很大程度上扩展了车载直流电能表的测量范围和提高了测量精度。
进一步地，所述电流采样模块的采样线圈包括信号线圈、激励线圈和检测线圈，所述的解调电路包括倍频器、乘法器和低通滤波器；
直流电源通过逆变器输出正弦波用于激励电流采样模块的激励线圈，使铁芯达到磁饱和，再将激励信号通过有源滤波电路输出含量最大的2次谐波信号，再将2次谐波信号与同步电路输出的同步方波信号倍频后通过乘法器和低通滤波器实现解调，解调输出的波形信号与激励线圈的2次谐波信号幅值和相位相关，该波形信号经过放大及校正电路的滤波及比例放大后形成负反馈。
进一步地，当信号线圈无信号电流时，由于激励信号为正弦波，其输出的2次谐波为零；而当信号线圈有信号电流时，检测线圈则会产生2次谐波的偶次波信号，其幅值、相位与信号电流相关，方向相反，相关性与检测线圈的匝数关系如下公式所示：
Is×Ws＝ID×WD
其中：Is为信号电流，Ws为信号线圈匝数，ID为检测电流，WD为检测线圈匝数。
进一步地，所述的有源滤波电路为二阶带通有源滤波器。
进一步地，所述的放大及校正电路为PI比例积分器。
进一步地，所述的表体外置穿心式电流传感器。
进一步地，所述的表体与穿心式电流传感器采用四芯可插拔接插组件连接，为穿心式电流传感器提供激励信号和检测信号输出。
进一步地，所述的表体内还设有处理模块、显示模块、通讯模块、安全模块、存储模块、光电输出模块、温度补偿模块和时钟模块；所述计量模块的输出值进入处理模块，经处理模块得到的数值通过显示模块显示，所述的处理模块分别与通讯模块、安全模块及存储模块双向通信，分别与光电输出模块、温度补偿模块及时钟模块单向通信。
本发明具有的有益效果如下：本发明解决了现有直流电能计量装置电流动态范围窄，精度低的问题；本发明首次在直流电能表电流采样上采用直流磁调制技术，与现有直流电能计量装置比具有精度高，动态范围宽的优点，同时适用于车载运行环境和安装环境。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明电流采样部分的工作原理图；
图3为本发明的结构分解图。
图中，1-表体，2-穿心式电流传感器，3-四芯可插拔接插组件，4-上翻键，5-下翻键，6-LCD显示屏，7-固定螺丝孔，8-可插拔接插件，9-电流采样模块，10-有源滤波电路，11-解调电路，12-同步电路，13-放大及校正电路，14-电源模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图3所示的车载直流电能表，表体1外置穿心式电流传感器2，表体1与穿心式电流传感器2采用四芯可插拔接插组件3连接，为穿心式电流传感器提供激励信号和检测信号输出。表体1上设有两个按键，分别为上翻键4和下翻键5。计量结果通过LCD显示屏6进行显示，表体1通过4个固定螺丝孔7进行可靠安装固定，电源接口为可插拔接插件8，为整个电能表提供电源和电压采样。
如图1所示，所述的表体内设有电源模块14、电流采样模块9、有源滤波电路10、解调电路11、同步电路12、放大及校正电路13、电压采样模块、滤波电路、计量模块、处理模块、显示模块、存储模块、安全模块、通讯模块、光电输出模块、温度补偿模块和时钟模块。所述计量模块的输出值进入处理模块，经处理模块得到的数值通过显示模块显示，所述的处理模块分别与通讯模块、安全模块及存储模块双向通信，分别与光电输出模块、温度补偿模块及时钟模块单向通信。所述电流采样模块的采样线圈由信号线圈、激励线圈和检测线圈组成，所述的解调电路由倍频器、乘法器和低通滤波器组成。所述的放大及校正电路为PI比例积分器。
电压采样模块采用电阻分压网络，经滤波电路进行信号调理后进入计量模块。
电流采样模块9采用直流磁调制技术，采样线圈包括信号线圈、调制线圈和检测线圈三组线圈，有源滤波电路10为二阶带通有源滤波器，由同步电路12提供调制解调同步时钟，经过解调电路11，通过放大及校正电路13后进入计量模块，工作原理框图如图2所示：
电源模块将直流电源输入，通过逆变器输出正弦波用来激励电流采样模块9的激励线圈，使铁芯达到磁饱和，再将激励信号通过有源滤波电路10输出含量最大的2次的偶次谐波，再将2次谐波与同步电路12输出的方波信号倍频后通过乘法器和低通滤波实现解调，解调输出的波形与激励线圈的2次谐波信号幅值、相位相关，该信号经过滤波后比例放大后形成负反馈。当信号线圈无信号电流时，由于激励信号为正弦波，其输出的偶次谐波为零，而当信号线圈有信号电流时，检测线圈则会产生2次谐波的偶次波信号，其幅值、相位与信号电流相关，方向相反，相关性与检测线圈的匝数关系如下面的公式所示：
Is×Ws＝ID×WD
其中：Is为信号电流，Ws为信号线圈匝数，一般为1匝，ID为检测电流，WD为检测线圈匝数。
其它功能模块的功能如下：
处理模块负责电能表的功能实现和数据处理；显示模块为段码式LCD显示屏，显示位数为8位；光电输出模块用来输出光和电信号脉冲，用来进行计量误差的校准；温度补偿模块为计量误差提供温度曲线，用以补偿高温和低温下采样信号的温度漂移；时钟模块用来提供电能表的实时时钟；安全模块采用国网ESAM硬加密芯片对电能量等数据进行加密，以保证数据传输的安全性；存储模块用来存储电量及参数等数据信息；电源模块为整机提供工作电源。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

Claims (8)

1.一种高精度宽量程车载直流电能表，包括表体(1)、置于表体内的电流采样模块(9)和计量模块，其特征在于，
所述的表体内还设有源滤波电路(10)、解调电路(11)、同步电路(12)和放大及校正电路(13)；
所述的电流采样模块(9)经有源滤波电路(10)滤波和解调电路(11)解调，再通过放大及校正电路(13)后进入计量模块，由同步电路(12)提供调制解调同步时钟。
2.根据权利要求1所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述电流采样模块(9)的采样线圈包括信号线圈、激励线圈和检测线圈，所述的解调电路(11)包括倍频器、乘法器和低通滤波器；
直流电源通过逆变器输出正弦波用于激励电流采样模块的激励线圈，使铁芯达到磁饱和，再将激励信号通过有源滤波电路输出含量最大的2次谐波信号，再将2次谐波信号与同步电路输出的同步方波信号倍频后通过乘法器和低通滤波器实现解调，解调输出的波形信号与激励线圈的2次谐波信号幅值和相位相关，该波形信号经过放大及校正电路的滤波及比例放大后形成负反馈。
3.根据权利要求2所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，当信号线圈无信号电流时，由于激励信号为正弦波，其输出的2次谐波为零；而当信号线圈有信号电流时，检测线圈则会产生2次谐波的偶次波信号，其幅值、相位与信号电流相关，方向相反，相关性与检测线圈的匝数关系如下公式所示：
Is×Ws＝ID×WD
其中：Is为信号电流，Ws为信号线圈匝数，ID为检测电流，WD为检测线圈匝数。
4.根据权利要求1或2所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述的有源滤波电路(10)为二阶带通有源滤波器。
5.根据权利要求1或2所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述的放大及校正电路(13)为PI比例积分器。
6.根据权利要求1或2所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述的表体(1)外置穿心式电流传感器(2)。
7.根据权利要求6所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述的表体(1)与穿心式电流传感器(2)采用四芯可插拔接插组件(3)连接，为穿心式电流传感器提供激励信号和检测信号输出。
8.根据权利要求1或2所述的高精度宽量程车载直流电能表，其特征在于，所述的表体内还设有处理模块、显示模块、通讯模块、安全模块、存储模块、光电输出模块、温度补偿模块和时钟模块；所述计量模块的输出值进入处理模块，经处理模块得到的数值通过显示模块显示，所述的处理模块分别与通讯模块、安全模块及存储模块双向通信，分别与光电输出模块、温度补偿模块及时钟模块单向通信。
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