CN113815439A - 一种电动汽车iccpd中的板载分流式电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充电装置，包括：用于连接电源的电力输入端口，和用于连接用电设备的电力输出端口；印刷电路板PCB，所述PCB包括覆盖在其上的金属层；安装于所述PCB上的微控制单元MCU和电流传感器，其中，来自电力输入端口的电流以并联方式被分流到所述PCB的金属层和所述电流传感器中，所述电流传感器产生的电流信号馈入所述MCU。

Description

一种电动汽车ICCPD中的板载分流式电流传感器
技术领域
本发明涉及汽车领域，并且更具体地，本发明涉及一种电动汽车缆上控制与保护装置(IC-CPD)中的板载分流式电流传感器。
背景技术
目前随着人们环境保护的意识日益增强以及石油资源的日益紧缺，公众对纯电动汽车及混合动力汽车的接受度以及需求也与日俱增。在这种背景下，许多的整车厂及汽车零部件厂商均将纯电动汽车以及混合动力汽车开发作为战略重点。目前，为了便于对纯电动汽车以及混合动力汽车动力电池进行充电，大部分纯电动汽车以及混合动力汽车上都配备有车载充电器。
该充电器可以接家用电源对动力电池进行充电。为了保证家庭用电网络的安全，充电电流大小是安全考量中很重要的一个因素。传统的安全设计是在例如缆上控制与保护装置(IC-CPD，In Cable Control and Protection Device)的主路上串联一个电阻，通过对电阻两端的电压进行采样，并通过电压传感器输出信号给放大器，来实现MCU(微控制单元)对充电电流的监控，进而实现安全的充电过程。
当需要高效充电时，充电电流一般比较大。大的充电电流会导致充电电路中，尤其是采样电阻上的高功耗和高温，从而导致一定的安全隐患。因此，在人们生活节奏加快的日常生活中，如何使得电动汽车以及混合动力汽车能够在高效充电的同时保证充电的安全性已经成为现今的需求和趋势。
发明内容
为了解决以上技术问题，本申请提出了一种充电装置，包括：用于连接电源的电力输入端口，和用于连接用电设备的电力输出端口；印刷电路板PCB，PCB包括覆盖在其上的金属层；安装于PCB上的微控制单元MCU和电流传感器，其中，来自电力输入端口的电流以并联方式被分流到PCB的金属层和电流传感器中，电流传感器产生的电流信号馈入MCU。
如上所述的充电装置，金属层的厚度、长度、宽度和/或面积被设计成以一定比例与电流传感器进行电流分流。
如上所述的充电装置，覆盖在PCB上的金属层包括铜皮。
如上所述的充电装置，电流传感器进一步用于测量分流至其的电流大小，MCU耦合至电流传感器，以监测分流至电流传感器的电流大小。
如上所述的充电装置，金属层与电流传感器并联。
如上所述的充电装置，PCB包括电动汽车的缆上控制与保护装置IC-CPD中的PCB。
如上所述的充电装置，充电装置无需使用额外的采样电阻来监测充电电流的大小。
如上所述的充电装置，电流传感器可以采取设置在PCB上的芯片的形式。
如上所述的充电装置，PCB的金属层上的分流电流大于电流传感器上的电流分流。
如上所述的充电装置，被分流到PCB的金属层和电流传感器的电流的比例为4：1。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其他优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。应当理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对本发明所要求保护范围的限制。
图1A示出了现有技术中IC-CPD中通常使用的充电电流监测的电路示意图；
图1B示出了现有技术中IC-CPD中通常使用的充电电流监测方法的流程图；
图2示出了根据本发明的实施例的IC-CPD中的充电电流分流以实现高效并且安全充电的方法的流程图；
图3示出了根据本发明的实施例的IC-CPD中的与本发明相关的一部分电路部件的示意性框图；
图4示出了根据本发明的实施例的IC-CPD中充电电流分流后的热图。
具体实施方式
下面的详细描述参照附图进行。附图以例示方式示出可实践所要求保护的主题的特定实施例。应当理解，以下具体实施例出于阐释的目的旨在对典型示例作出具体描述，但不应被理解成对本发明的限制；本领域技术人员在充分理解本发明精神主旨的前提下，可对所公开实施例作出适当的修改和调整，而不背离本发明所要求保护的主题的精神和范围。
在以下的详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对各个所描述的实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，无需这些具体细节就可实践所描述的各种实施例。在其它实例中，并未对公知方法、程序、组件、电路以及网络进行详细描述以免不必要地模糊各实施例的各方面。除非另外定义，否则在本文中所使用的技术和科学术语应具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。
本申请的实施例是示例性的实现或示例。说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”或“其他实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、构造或特性包括在本技术的至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“实施例”、“一个实施例”、或“一些实施例”的各种出现并不一定都指代相同的实施例。来自一个实施例的元素或方面可与另一实施例的元素或方面组合。
图1A示出了现有技术中IC-CPD中通常使用的充电电流监测的电路示意图。图1B示出了现有技术中IC-CPD中通常使用的充电电流监测方法的流程图。为了便于理解，图1A中只示出了与电流监测有关的主要部件，而省略了其他部件。但是本领域技术人员能够理解其他部件的存在以及必要性。如图1中所示，电动汽车或者混合动力汽车的IC-CPD的主电路上通常设置有采样电阻101。可以将该采样电阻101例如串联在主电路上。电压采样传感器可以被设置成与采样电阻101并联。在电动汽车或者混合动力汽车的充电过程中，通过电压采样传感器102对采样电阻101两端的电压进行采样来实现对充电电流的监测。如结合图1B所示的，在电压采样传感器102测量到电压后，可以将包括电压的信息发送给例如放大器电路。进而，该电压信息可被发送至例如MCU，以进行进一步的处理和分析(例如，模数转换等)，从而可以根据该测量到的电压信号来监测充电电路中电流值是否超过最大限制电流而造成安全隐患。
这种充电方式可以实现在充电过程中对充电电流进行监测。然而，这种充电方式对于高效充电而言存在一定限制。如上文所提及的，当需要高效充电时，充电电流一般比较大。大的充电电流会导致充电电路中的高功耗和高温，从而导致一定的风险。
因此，本发明提出了一种能够实现高效的大电流充电同时保证充电的安全性的一种充电方法及装置。
IC-CPD为实现其各种功能通常具有集成电路，例如基于印刷电路板(PCB)实现的集成电路。图2示出了根据本发明的实施例的IC-CPD中的与本发明相关的一部分电路部件的示意性框图。如图2中所示，本发明中的PCB可以是PCB 201。出于示例的目的而非限制，本申请中主要将PCB201描述为IC-CPD中的PCB。然而，可以理解的是，PCB 201可以是任何充电装置中的PCB。充电装置可以包括用于连接电源的电力输入端口，和用于连接用电设备的电力输出端口。
印刷电路板的基板通常覆盖(例如，通过沉积工艺等)有一层金属层(在图2中未示出)。在一个非限制性示例中，这层金属层通常可以采用铜，即，在印刷电路板的基板上沉积有铜皮。本申请的发明人构思了印刷电路板的基板上的这种金属层(例如，铜皮)和电路中的电流传感器可一起用于实现充电电流的分流，并且可以在充电的过程中监测电流，以实现安全充电。在一个实施例中，来自电力输入端口的电流以并联方式被分流到PCB 201的金属层和电流传感器202中，电流传感器202产生的电流信号可以馈入MCU 203以实现充电的过程中电流的监测。
具体而言，可以在PCB上设置电流传感器202。在一个优选实施例中，传感器202可以采取芯片的形式。充电电流可以被分流到PCB 201的金属层和电流传感器202。此外，电流传感器还可以测量并监测充电电流，如以下结合附图3更详细描述的。MCU 203可以设置在PCB 201上。MCU 203可以耦合或连接到电流传感器202，以实现两者之间的通信。
可以理解的是，图2中各个部件的尺寸不是按实际比例绘制的，各个部件尺寸之间的关系仅为一种示例。同时，各个部件之间的相对位置关系也仅仅是一种示例。在实际应用中，各个部件可以有不同的位置布置。
此外，为了便于理解并避免混淆，在图2中仅示出了充电装置及其PCB中与本发明密切相关的部件，而省略了其他的一些部件。然而，本发明可以在包括根据实际需要和应用而设置的任何部件。并且，图2中以各个图框的形式将各个部件示出为相对独立的模块也是示例性的。可以将它们划分成更小的模块或单元，或者将其中的一些模块或与PCB上的其他未示出的模块集成在一起，而不背离本发明的思想。
图3示出了根据本发明的实施例的通过IC-CPD中的充电电流分流来实现高效并且安全充电的方法的流程图。如上所述，本发明利用印刷电路板的基板上的金属层和电路中的电流传感器来实现一定的充电电流分流比例。结合图2所示，由于印刷电路板PCB 201的基板上的金属层(例如，铜皮)具有较大的面积，可以允许较大的电流通过，产生的功耗也较小，具有较大的散热面积，并且电流和所产生的热量能够相对均匀地分布在这一大面积上。因此，本发明提出可以利用印刷电路板PCB 201的基板上的这一金属层(例如，铜皮)来与电流传感器202分流比较大的充电电流，以实现高效且安全的充电。
印刷电路板PCB 201的基板上的金属层(例如，铜皮)实现对充电过程中的充电电流中的一部分的分流。如上所述，可以设置电流传感器202，以分流另一部分电流。取决于电路中通过的总电流、通过电流传感器202的电流限制、以及实际需要等各项因素中的一项或多项，可以合理地设置印刷电路板PCB 201的基板上的金属层和电路中的电流传感器202所实现的分流比例。在本发明的一个实施例中，印刷电路板PCB 201的基板上的金属层(例如，铜皮)上通过的分流电流比电流传感器上通过的分流电流大。例如，在本发明的一个非限制性实施例中，AC充电负载例如需要20安培(A)的电流。如果电流传感器202所能通过的最大安全电流是4A，则可以将20A的电流中的剩余16A分流到印刷电路板PCB 201的基板上的金属层，从而实现印刷电路板PCB 201的基板上的金属层:电流传感器202＝4:1的电流分流比例。在一个实施例中，即便电流传感器202所能通过的最大安全电流是4A，出于安全考虑，也可以将电流传感器202分流的电流设置成小于4A。因此，可以理解的是，该电流分流比例仅仅是示例性而非是限制性的。可以根据本发明的涉及思想合理地设计出其他符合需求的任何比例。
可以通过改变或设计印刷电路板PCB 201的基板上的金属层的尺寸来实现金属层不同的电流分流能力。例如，可以改变金属层的厚度、长度、宽度、面积中的一项或多项来实现印刷电路板的基板上的金属层的电流分流能力。改变金属层的厚度、长度、宽度、面积中的一项或多项可以改变金属层的阻抗。进而，可以根据设计好的金属层的阻抗和电流传感器的阻抗来实现不同的电流分流比例。在本发明的一个实施例中，优选地通过改变金属层(例如，铜皮)的厚度来改变金属层的电阻，进而改变金属层的分流能力。
在实现电流分流之后，可以将电流传感器检测到的电流信息发送给例如放大器电路。进而，该电流信息可被发送至例如MCU 203，以进行进一步的处理分析(例如，模数转换等)，从而可以根据该测量到的电流信号来监测充电电路中电流值是否超过最大限制电流，以监测充电过程的安全。
图4示出了根据本发明的实施例的IC-CPD中的充电电流分流后的热图。在示出的图4的热图中，椭圆框401表示在芯片上的电流传感器周围的电流分布热图，椭圆框402表示在PCB的铜皮上的电流分布热图。其中，灰度越深的区域表示流过该区域的电流密度越大。从图4中可以看出，由于印刷电路板的基板上的铜皮具有比较大的面积，因此，可以允许比较大的分流电流通过，但不会产大的功耗和高温，并且电流和所产生的热量能够相对比较均匀地分布在这一大面积上。从而实现了高效并且安全的电流传输。
根据本发明的这种大电流分流与监测，无需增加现有技术中通常使用的采样电阻以及电压传感器等附加部件，因此，能够以较低的成本更加高效且安全地实现较大电流的传输。
因此，本发明提供了一种大电流传输(例如，充电)的高效方法和装置，解决了大电流充电过程中出现的高功耗、高温等技术问题。根据本发明的这种方法和装置可例如用于电动汽车缆上控制与保护装置(IC-CPD)中，以便高效且安全地对电动汽车进行充电。然而，可以理解的是，本发明的这种大电流充电的高效方法和装置并不仅限于用于电动汽车的缆上控制与保护装置(IC-CPD)的实例中。本发明的这种设计思路可以应用于需要大电流充电同时期望解决大电流充电过程中出现的高功耗、高温等问题的任何应用场景中。
因此，在不背离本发明的精神和主旨的情况下，本领域技术人员可对以上具体描述的实施例作出适当修改和调整。因此，旨在使所要求保护的主题不仅限于所公开的特定示例，这些要求保护的主题也可包括落在所附权利要求书及其等效物范围内的所有实现。

Claims (10)

1.一种充电装置，包括：
用于连接电源的电力输入端口，和用于连接用电设备的电力输出端口；
印刷电路板PCB，所述PCB包括覆盖在其上的金属层；
安装于所述PCB上的微控制单元MCU和电流传感器，
其中，来自电力输入端口的电流以并联方式被分流到所述PCB的金属层和所述电流传感器中，所述电流传感器产生的电流信号馈入所述MCU。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述金属层的厚度、长度、宽度和/或面积被设计成以一定比例与所述电流传感器进行电流分流。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，覆盖在所述PCB上的金属层包括铜皮。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述电流传感器进一步用于测量分流至其的电流大小，所述MCU耦合至所述电流传感器，以监测分流至所述电流传感器的电流大小。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述金属层与所述电流传感器并联。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述PCB包括电动汽车的缆上控制与保护装置IC-CPD中的PCB。
7.根据权利要求6所述的充电装置，其特征在于，所述充电装置无需使用额外的采样电阻来监测充电电流的大小。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述电流传感器可以采取设置在所述PCB上的芯片的形式。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述PCB的所述金属层上的分流电流大于所述电流传感器上的电流分流。
10.根据权利要求9所述的充电装置，其特征在于，被分流到所述PCB的金属层和所述电流传感器的电流的比例为4：1。
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