CN109633255A - 基于分流器的电流测量装置及电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分流器的电流测量装置及电流测量方法，电流测量装置包括信号转换模块和与信号转换模块相连的控制器单元；信号转换模块包括分流器电压采集电路和温度传感器；分流器电压采集电路与分流器相连，分流器电压采集电路适于采集通过分流器的采样电流信号，并将采集到的采样电流信号转换为采样电压信号，输出至控制器单元；所述温度传感器适于设置在分流器上，并将温度传感器采集的采样信号输出至控制器单元；控制器单元适于根据反馈的采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值。本发明不仅具有数字化采集的优势，能够提高其抗干扰能力，而且能针对温度变化而及时地对输出数据进行校正，从而减小了测量误差，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于分流器的电流测量装置及电流测量方法。
背景技术
目前，随着新能源汽车的使用越来越广泛，电池储能系统作为其主要动力源，如何更精确地监测电池工作过程中各项指标的变化已经成为新能源技术发展的主要方向；然而电池储能系统中荷电状态参数SOC、最大输出功率SOP和电池寿命SOH等多项关键指标都是以电流测量作为其运算输入量，因此，提高电池储能系统工作电流的测量精度有着十分重要的意义。
电池储能系统中通常采用霍尔元件作为电流测量的前端传感器，虽然它具有良好的电气隔离特性以及测量范围宽广的特点，但是，霍尔传感器存在体积大而不利于系统结构轻量化的缺点，并且霍尔传感器有磁饱和特点而导致大电流测量的非线性误差增大。
由于霍尔传感器存在一些无法克服的缺点，现在许多电流测量方案中开始考虑采用性价比高、测量精度高的分流器电阻作为电流传感器；基于欧姆定律，分流器电阻将通过它的电流信号转换成电压信号，由于分流器电阻作为一种线性元件，其输出电压信号线性度良好，并且信号带宽很大。
现有的基于分流器的电流测量装置，通常是采用线性隔离光耦器件去收集分流器两端的电压信号的应用方案，该方案中采集电路与分流器之间存在冗长的信号线束用于传输，同时，采集电路中隔离线性光耦器件存在输入范围窄、分辨率低的特点，导致现有装置的测量精度很低；并且由于分流器电阻通过电流时会自发产生热量，当环境温度升高或者器件本身散热不充分时，将导致分流器电阻温度急剧升高，从而使得分流器电阻的阻值发生变化，加之现有的基于分流器的电流测量装置没有考虑温度补偿的应用，从而导致测量误差增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于分流器的电流测量装置，它不仅具有数字化采集的优势，能够提高其抗干扰能力，解决传统方法中采样信号线路冗长而引入电磁干扰，导致测量精度很低的缺点，而且能针对温度变化而及时地对输出数据进行校正，从而减小了测量误差，提高了测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于分流器的电流测量装置，它包括：
信号转换模块和与信号转换模块相连的控制器单元；其中，
所述信号转换模块包括分流器电压采集电路和温度传感器；
所述分流器电压采集电路与分流器相连，所述分流器电压采集电路适于采集通过分流器的采样电流信号，并将采集到的采样电流信号转换为采样电压信号，输出至控制器单元；
所述温度传感器适于设置在分流器上，并将温度传感器采集的采样信号输出至控制器单元；
所述控制器单元适于根据反馈的采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值。
进一步为了使其具有高压隔离优势，解决传统方法中无法使用低压设备监控高压回路状态的缺点，同时也提高了低压设备的绝缘耐压能力，基于分流器的电流测量装置还包括：
与控制器单元相连的信号隔离电路，所述信号隔离电路适于将控制器单元生成的电流值信号进行隔离转换后输出。
所述分流器电压采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运算放大器；其中，
所述第一电阻的一端与所述分流器的输出端相连，所述第一电阻的另一端与运算放大器的反相端相连；
所述第二电阻的一端与所述运算放大器的反相端相连，所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端相连；
所述第三电阻的一端与所述分流器的输入端相连，所述第三电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述第四电阻的一端作为输入参考电压的参考电压输入端，所述第四电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述运算放大器的输出端与所述控制器单元相连。
进一步，基于分流器的电流测量装置还包括适于外接外部电源的隔离电源，所述隔离电源与信号转换模块相连，所述隔离电源适于为信号转换模块提供参考电压。
进一步，基于分流器的电流测量装置还包括适于外接外部电源的隔离电源，所述隔离电源分别与信号转换模块和控制器单元相连，所述隔离电源适于为信号转换模块和控制器单元提供工作电源。
进一步，所述信号隔离电路适于通过串行通信接口与控制器单元相连。
进一步，所述温度传感器贴装于分流器电阻表面。
本发明还提供了一种基于分流器的电流测量方法，方法的步骤中包括：
采集分流器工作时通过分流器的采样电流信号和分流器温度对应的采样信号；
根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值。
进一步，方法基于上述基于分流器的电流测量装置实施得到；
并且根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值信号基于一温度补偿算法实施，温度补偿算法包括：
根据温度传感器输出的采样信号的采样值RNTC通过公式(a)计算当前分流器的温度值T；
通过公式(b)计算当前分流器的电阻值Rs；
通过公式(c)计算实际所测分流器的电流值Ii；
其中，
Rs＝R0+Cdrift(T-273.15)×R0 (b)
Cdrift为温漂系数，Vref为第四电阻的一端输入的参考电压，V1为采样电流信号的采样值，参数C1、C2、和C3是Steinhart-Hart公式的常量参数，T为开式温标，lnRNTC为采样值RNTC的自然对数，R0为分流器在外部温度25℃时所对应的标准电阻值，R1为第一电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值，并且
采用了上述技术方案后，本发明适用于电动汽车动力电池系统内部电流测量应用，相对于现有的电流测量装置，本发明具有以下优点：
1.本发明采用高压隔离的架构，解决了传统方法中无法使用低压设备监控高压回路状态的缺点，同时也提高了低压设备的绝缘耐压能力。
2.本发明实现了电流测量的数字化改进，提高了测量装置的抗干扰能力，解决了传统方法中采样信号线路冗长而引入电磁干扰，导致测量精度很低的缺点。
3.本发明实现了温度补偿功能，解决了传统方法中测量装置因温度变化而引起测量误差增大的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例的基于分流器的电流测量装置的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的基于分流器的电流测量装置的原理框图。
参见图1所示，一种基于分流器的电流测量装置，它包括：
信号转换模块1和与信号转换模块1相连的控制器单元2；其中，
所述信号转换模块1包括分流器电压采集电路11和温度传感器12；
所述分流器电压采集电路11与分流器10相连，所述分流器电压采集电路11适于采集通过分流器10的采样电流信号，并将采集到的采样电流信号转换为采样电压信号，输出至控制器单元2；
所述温度传感器12适于设置在分流器10上，并将温度传感器采集的采样信号输出至控制器单元2；
所述控制器单元2适于根据反馈的采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值。
另外为了使电流测量装置具有高压隔离优势，解决传统方法中无法使用低压设备监控高压回路状态的缺点，同时也提高了低压设备的绝缘耐压能力，进一步地，基于分流器的电流测量装置还包括：
与控制器单元2相连的信号隔离电路31，所述信号隔离电路31适于将控制器单元2生成的电流值信号进行隔离转换后输出；具体地，信号隔离电路31的输出端适于连接外部测量系统6，所述信号隔离电路31适于将控制器单元2生成的电流值信号进行隔离转换后输出至外部测量系统6，外部测量系统6为本领域技术人员的惯常手段，本实施例不做赘述。
具体地，参见图1所示，所述分流器电压采集电路11包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运算放大器；其中，在图1中，R1为第一电阻；R2为第二电阻，R3第三电阻，R4为第四电阻，U1为运算放大器，Vin1为分流器10的输出端，Vin2为分流器的输入端；
所述第一电阻的一端与所述分流器10的输出端相连，所述第一电阻的另一端与运算放大器的反相端相连；
所述第二电阻的一端与所述运算放大器的反相端相连，所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端相连；
所述第三电阻的一端与所述分流器10的输入端相连，所述第三电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述第四电阻的一端作为输入参考电压的参考电压输入端，所述第四电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述运算放大器的输出端与所述控制器单元2相连。
具体地，控制器单元2具有两个控制器输入端，分别为输入端ADIN1和输入端ADIN2，输入端ADIN1适于连接运算放大器的输出端，输入端ADIN2适于连接温度传感器12。
具体地，参见图1所示，基于分流器的电流测量装置还包括适于外接外部电源5的隔离电源41，所述隔离电源41与信号转换模块1相连，所述隔离电源41适于为信号转换模块1提供参考电压。
具体地，所述隔离电源41还分别与信号转换模块1和控制器单元2相连，所述隔离电源41还适于为信号转换模块1和控制器单元2提供工作电源。
具体地，所述信号隔离电路31适于通过串行通信接口与控制器单元2相连。
优先地，所述温度传感器12贴装于分流器10电阻表面。
本实施例还提供了一种基于分流器的电流测量方法，方法的步骤中包括：
采集分流器10工作时通过分流器10的采样电流信号和分流器10温度对应的采样信号；
根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器10的电流值；
其中，根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值信号基于一温度补偿算法实施，温度补偿算法包括：
根据温度传感器输出的采样信号的采样值RNTC通过公式(a)计算当前分流器10的温度值T；在本实施例中，采样值RNTC即为温度传感器的电阻值，温度传感器可以采用NTC温度传感器；
通过公式(b)计算当前分流器10的电阻值Rs；
通过公式(c)计算实际所测分流器10的电流值Ii；
其中，
Rs＝R0+Cdrift(T-273.15)×R0 (b)
Cdrift为温漂系数，Vref为第四电阻的一端输入的参考电压，V1为采样电流信号的采样值，参数C1、C2、和C3是Steinhart-Hart公式的常量参数，T为开式温标，lnRNTC为采样值RNTC的自然对数，R0为分流器在外部温度25℃时所对应的标准电阻值，R1为第一电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值，并且
具体地，信号转换过程可以描述为，当电流值为Ii的电流经过分流器10时，此时分流器10的电阻值为Rs，将在分流器10两端分别产生差模电压Vin，然后分流器电压采集电路11将电压信号Vin转换为V1，并输出至控制器单元2，经过ADC采样后，其采样值为AD[0]；当分流器10表面温度为Tin时，温度传感器将其转换为信号V2，并输出至控制器单元2，经过ADC采样后，其采样值为AD[1]；当分流器温度变化时，分流器电阻值Rs由温度变化量△T和温漂系数Cdrift来决定，先对分流器10工作时通过分流器10的采样电流信号和温度传感器输出的采样信号的采样值RNTC进行采集，然后再根据温度信息换算当前分流器补偿后的电阻值，再根据分流器采样电流信号计算当前通过分流器的电流值；具体来讲，首先控制器单元2经过系统初始化设置，再通过ADC外设分别对分流器采集信号和温度传感器信号进行采样转换，并保存入数组AD[2]中，然后将采样值AD[1]通过上述公式(a)计算当前分流器温度值T，然后根据公式(b)计算当前分流器阻值Rs，最后根据公式(c)将分流器信号采样值AD[0]换算则得到当前电流值Ii，再通过串行通信接口将电流值经过信号隔离电路31后发送至外部测量系统6。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
Claims (9)
1.一种基于分流器的电流测量装置，其特征在于，它包括：
信号转换模块(1)和与信号转换模块(1)相连的控制器单元(2)；其中，
所述信号转换模块(1)包括分流器电压采集电路(11)和温度传感器(12)；
所述分流器电压采集电路(11)与分流器(10)相连，所述分流器电压采集电路(11)适于采集通过分流器(10)的采样电流信号，并将采集到的采样电流信号转换为采样电压信号，输出至控制器单元(2)；
所述温度传感器(12)适于设置在分流器(10)上，并将温度传感器采集的采样信号输出至控制器单元(2)；
所述控制器单元(2)适于根据反馈的采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值。
2.根据权利要求1所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于，它还包括：
与控制器单元(2)相连的信号隔离电路(31)，所述信号隔离电路(31)适于将控制器单元(2)生成的电流值信号进行隔离转换后输出。
3.根据权利要求1所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于：所述分流器电压采集电路(11)包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运算放大器；其中，
所述第一电阻的一端与所述分流器的输出端相连，所述第一电阻的另一端与运算放大器的反相端相连；
所述第二电阻的一端与所述运算放大器的反相端相连，所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端相连；
所述第三电阻的一端与所述分流器的输入端相连，所述第三电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述第四电阻的一端作为输入参考电压的参考电压输入端，所述第四电阻的另一端与所述运算放大器的同相端相连；
所述运算放大器的输出端与所述控制器单元(2)相连。
4.根据权利要求3所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于：它还包括适于外接外部电源(5)的隔离电源(41)，所述隔离电源(41)与信号转换模块(1)相连，所述隔离电源(41)适于为信号转换模块(1)提供参考电压。
5.根据权利要求1所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于：它还包括适于外接外部电源(5)的隔离电源(41)，所述隔离电源(41)分别与信号转换模块(1)和控制器单元(2)相连，所述隔离电源(41)适于为信号转换模块(1)和控制器单元(2)提供工作电源。
6.根据权利要求2所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于：所述信号隔离电路(31)适于通过串行通信接口与控制器单元(2)相连。
7.根据权利要求1所述的基于分流器的电流测量装置，其特征在于：所述温度传感器(12)贴装于分流器(10)电阻表面。
8.一种基于分流器的电流测量方法，其特征在于方法的步骤中包括：
采集分流器(10)工作时通过分流器(10)的采样电流信号和设置于分流器(10)上的温度传感器输出的采样信号；
根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器(10)的电流值。
9.根据权利要求8所述的电流测量方法，其特征在于，方法基于如权利要求3所述的基于分流器的电流测量装置实施得到；
并且根据采样电流信号和采样信号生成实际所测分流器的电流值信号基于一温度补偿算法实施，温度补偿算法包括：
根据温度传感器输出的采样信号的采样值RNTC通过公式(a)计算当前分流器(10)的温度值T；
通过公式(b)计算当前分流器(10)的电阻值Rs；
通过公式(c)计算实际所测分流器(10)的电流值Ii；
其中，
Rs＝R0+Cdrift(T-273.15)×R0(b)
Cdrift为温漂系数，Vref为第四电阻的一端输入的参考电压，V1为采样电流信号的采样值，参数C1、C2、和C3是Steinhart-Hart公式的常量参数，T为开式温标，lnRNTC为采样值RNTC的自然对数，R0为分流器在外部温度25℃时所对应的标准电阻值，R1为第一电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值，并且
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