CN114228498B - 一种电动汽车高压配电母线电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车高压配电母线电压测量装置。所述装置包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的模数转换模块和电压显示模块，与模数转换模块相连的电压调理模块，电压调理模块用于对高压配电母线的电压进行隔离、降压后送到模数转换模块，中央处理单元用于根据模数转换模块输出的数字电压计算高压配电母线上的电压并在电压显示模块上进行显示。本发明通过设置用于降压的电压调理模块，提高了电压测量的稳定性和精度；本发明的电压调理模块还具有高压隔离功能，能够保证设备和测试人员的安全。

Description

一种电动汽车高压配电母线电压测量装置

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车高压配电母线电压测量装置。

背景技术

随着全球石油资源的逐渐枯竭，电动汽车的发展成为了必然趋势。新能源汽车高压母线电压一般都在700V DC以上，电流400A左右，如此高功率的电力条件下，对高压配电系统提出了更高的要求。在发生碰撞、综合控制单元故障等异常情况下，快速地控制高压母线电压至安全范围内是保证电动汽车稳定安全的基础。因此，准确、实时地监测电动汽车高压配电母线电压，对电动汽车的安全运行有着重要的指导意义。

目前，汽车高压配电母线电压的测量一般采用霍尔电压传感器对母线高压进行采样，这种测量方法存在的问题是：高压隔离性能不够理想，成本高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种电动汽车高压配电母线电压测量装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种电动汽车高压配电母线电压测量装置，包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的模数转换模块和电压显示模块，与模数转换模块相连的电压调理模块，电压调理模块用于对高压配电母线的电压进行隔离、降压后送到模数转换模块，中央处理单元用于根据模数转换模块输出的数字电压计算高压配电母线上的电压并在电压显示模块上进行显示。

进一步地，所述电压调理模块由级联的第一光耦分压电路、第二光耦分压电路、电压跟随电路、电阻分压电路和电压滤波电路组成。

更进一步地，所述第一光耦分压电路包括：第一光耦，一端与第一光耦正输入端相连、另一端与电阻R1相连的电阻R2，电阻R1的另一端与压敏电阻RV1的一端相连后与高压配电母线的正极相连，一端与第一光耦负输入端相连、另一端与电阻R5相连的电阻R7，电阻R5的另一端与压敏电阻RV1的另一端相连后与高压配电母线的负极相连，正、负极分别与第一光耦负、正输入端相连的二极管D1，一端与第一光耦输出端E极相连、一端接地的电阻R11，第一光耦输出端C极与12V电源正极相连，第一光耦输出端E为第一光耦分压电路的输出端；

所述第二光耦分压电路包括：第二光耦，正输入端与第一光耦分压电路输出端相连、输出端与第二光耦正输入端相连的第一运放，第一运放的负输入端和输出端之间连接一个电容C1，第一运放的负输入端和第二光耦的输出端E极之间连接一个电阻R3，第二光耦的输出端E极与地之间连接一个电阻R16，第二光耦的负输入端与地之间连接一个电阻R12，电阻R12的非接地端是第二光耦分压电路的输出端；

所述电压跟随电路包括：第二运放，连接在第二运放负输入端和输出端之间的电阻R6，一端与第二运放正输入端相连、另一端为电压跟随电路输入端的电阻R4，第二运放的输出端为电压跟随电路的输出端；

所述电阻分压电路包括：串联在电阻分压电路输入端和地之间的电阻R8、R9、R10，R10的非接地端为电阻分压电路的输出端；

所述电压滤波电路包括：输入端为电压滤波电路输入端的双扼流圈L1，与L1输出端分别相连的电阻R14、R13，R14、R13的另一端分别为电压滤波电路的正输出端和负输出端，在电压滤波电路的正输出端和负输出端之间并联一个电容C3和两个串联的电容C2、C4，C2、C4的连接点接地。

进一步地，所述模数转换模块为型号为CS5464的AD芯片。

进一步地，所述中央处理单元通过CAN总线与车载综合处理单元进行数据通信。

进一步地，所述电压显示模块为数码管显示电路，主要由三路8段数码管和MAX7219型驱动芯片组成。

进一步地，所述装置还包括与中央处理单元相连的无线通信模块。

更进一步地，所述无线通信模块主要由433MHz的射频芯片NRF401组成。

进一步地，所述中央处理单元主要由型号为MC9S12X128的处理器和外围电路组成。

进一步地，所述中央处理单元还用于按以下方法检测并消除脉冲干扰信号：

实时计算模数转换模块当前采样周期输出信号V(n)与前一采样周期输出信号V(n-1)的差ΔV(n)＝V(n)-V(n-1)；

如果ΔV(n)的绝对值超过设定的阈值，则将V(n)更新为：2V(n-1)-V(n-2)，V(n-2)为当前采样周期前两个采样周期模数转换模块的输出信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置中央处理单元、模数转换模块、电压调理模块和电压显示模块，能够实现高压配电母线的自动测量与显示。本发明通过设置用于降压的电压调理模块，提高了电压测量的稳定性和精度；由于本发明的电压调理模块还具有高压隔离功能，能够保证设备和测试人员的安全。

附图说明

图1为本发明实施例一种电动汽车高压配电母线电压测量装置的组成框图，图中1-中央处理单元，2-模数转换模块，3-电压调理模块，4-电压显示模块，5-无线通信模块。

图2为电压调理模块的第一级电路即第一光耦分压电路的原理图。

图3为电压调理模块的第二级电路即第二光耦分压电路的原理图。

图4为电压调理模块的第三级电路即电压跟随电路的原理图。

图5为电压调理模块的第四级电路即电阻分压电路的原理图。

图6为电压调理模块的第五级电路即电压滤波电路的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种电动汽车高压配电母线电压测量装置的组成框图，包括：中央处理单元1，与中央处理单元1相连的模数转换模块2和电压显示模块4，与模数转换模块2相连的电压调理模块3，电压调理模块3用于对高压配电母线的电压进行隔离、降压后送到模数转换模块2，中央处理单元1用于根据模数转换模块2输出的数字电压计算高压配电母线上的电压并在电压显示模块4上进行显示。

本实施例中，所述装置主要由中央处理单元1、模数转换模块2、电压显示模块4和电压调理模块3组成，各个模块的连接方法如图1所示。下面分别介绍每个模块的功能和原理。

中央处理单元1，是所述装置的控制与数据处理中心，通过输出各种控制信号协调其它模块的工作，并完成一定的数据处理任务。具体地，实时接收模数转换模块2输出的数字信号，经运算处理后得到高压配电母线上的电压值，然后送到电压显示模块4进行显示。由于模数转换模块2输出的是高压配电母线上的电压经电压调理模块3降压后的数字电压，因此，将所述数字电压乘以降压倍数(或除以降压系数)就可得到实际的母线电压。中央处理单元1一般由微处理器或单片机与外围电路组成，可选的微处理器或单片机芯片很多，本实施例对此不作限定。后面的实施例将给出一种具体型号的芯片。

电压调理模块3，主要用于对高压配电母线上的电压进行隔离和降压。由于母线电压很高(不小于700V)，不便于直接进行测量，因此需要对其进行降压，将其幅度降至模数转换模块2的工作电压范围之内。另一方面，高压对设备和人员都存在一定的威胁(如人员触电、芯片击穿)，因此，需要采取严格的隔离措施，由于电压调理模块3是前端电路(最接近母线)，因此高压隔离的任务应由电压调理模块3完成。现有技术一般多采用霍尔电压传感器进行降压，市场上也有集成的电压调理模块3，但都存在成本高、高压隔离性能不理想等问题。为此，本实施例采用分离元件自行设计电压调理模块3，基于多级光耦电路隔离电路实现高压隔离，明显提高了高压隔离性能并降低了成本。后面的实施例将给出一种具体的分离元件构成的电压调理模块3。

模数转换模块2，用于将电压调理模块3输出的模拟电压信号转换成计算机能够处理的数字信号。模数转换模块2主要由AD芯片组成，市场上AD芯片的种类很多，可根据实际的应用场景(如电压的幅值范围、极性等)选择合适的AD芯片。后面的实施例将给出一种具体的AD芯片。

电压显示模块4，用于实时显示高压配电母线上的电压值。电压显示模块4与中央处理单元1相连，中央处理单元1将测得的母线高压数据发送到电压显示模块4进行实时显示。电压显示模块4可以是一小块LCD或LED显示屏，为了进一步降低硬件成本，还可采用数码管电路。本实施例对具体的电路形式不作限定，后面的实施例将给出一种具体的电压显示模块4。

作为一可选实施例，所述电压调理模块3由级联的第一光耦分压电路、第二光耦分压电路、电压跟随电路、电阻分压电路和电压滤波电路组成。

本实施例给出了电压调理模块3的一种技术方案。本实施例的电压调理模块3包括5级分离元件电路级联(串联)而成，依次是第一光耦分压电路、第二光耦分压电路、电压跟随电路、电阻分压电路和电压滤波电路。第一光耦分压电路、第二光耦分压电路是主要由光耦电路组成的分压电路，主要用来进行降压和隔离。光耦电路是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管或光敏电阻)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”的转换。光耦电路的输入端与输出端之间有很高的绝缘电阻，因此有很好的高压隔离性能。本实施例设置两级光耦分压电路，可使所述装置具有非常好的高压隔离性能，能够可靠保证人员和设备的安全。第三级是电压跟随电路，电压放大倍数近似为1，对电流具有一定的放大作用，主要用于第二级电路与第四级电路的阻抗匹配。第四级是电阻分压电路，用于进一步降压。第五级也就是最后一级是电压滤波电路，主要用于滤除干扰信号，使电压调理模块3输出一个“干净”的电压信号，以提高电压测量精度。

作为一可选实施例，所述第一光耦分压电路包括：第一光耦，一端与第一光耦正输入端相连、另一端与电阻R1相连的电阻R2，电阻R1的另一端与压敏电阻RV1的一端相连后与高压配电母线的正极相连，一端与第一光耦负输入端相连、另一端与电阻R5相连的电阻R7，电阻R5的另一端与压敏电阻RV1的另一端相连后与高压配电母线的负极相连，正、负极分别与第一光耦负、正输入端相连的二极管D1，一端与第一光耦输出端E极相连、一端接地的电阻R11，第一光耦输出端C极与12V电源正极相连，第一光耦输出端E为第一光耦分压电路的输出端；

所述第二光耦分压电路包括：第二光耦，正输入端与第一光耦分压电路输出端相连、输出端与第二光耦正输入端相连的第一运放，第一运放的负输入端和输出端之间连接一个电容C1，第一运放的负输入端和第二光耦的输出端E极之间连接一个电阻R3，第二光耦的输出端E极与地之间连接一个电阻R16，第二光耦的负输入端与地之间连接一个电阻R12，电阻R12的非接地端是第二光耦分压电路的输出端；

所述电压跟随电路包括：第二运放，连接在第二运放负输入端和输出端之间的电阻R6，一端与第二运放正输入端相连、另一端为电压跟随电路输入端的电阻R4，第二运放的输出端为电压跟随电路的输出端；

所述电阻分压电路包括：串联在电阻分压电路输入端和地之间的电阻R8、R9、R10，R10的非接地端为电阻分压电路的输出端；

所述电压滤波电路包括：输入端为电压滤波电路输入端的双扼流圈L1，与L1输出端分别相连的电阻R14、R13，R14、R13的另一端分别为电压滤波电路的正输出端和负输出端，在电压滤波电路的正输出端和负输出端之间并联一个电容C3和两个串联的电容C2、C4，C2、C4的连接点接地。

本实施例分别给出了构成电压调理模块3的5级分离电路的技术方案。各级电路的原理图分别如图2～6所示。下面给出每级电路的输出电压与电路参数的关系表达式。

第一级是第一光耦分压电路，如图2所示，输出电压U₁计算公式如下：

其中，U_i为输入电压，CTR₁为第一光耦的电流传输比。

第二级是第二光耦分压电路，如图3所示，第二光耦的输出端E极电压U₃计算公式如下：

其中，U₂为电阻R12的对地电压，即第三级电压跟随电路的输入电压，CTR₂为第二光耦的电流传输比。

根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，第一运放输入端电压U₁与U₃近似相等，且CTR₁与CTR₂也近似相等，由(1)式和(2)式得：

第三级是电压跟随电路，如图4所示，其输出电压U₄等于输入电压U₂，即U₄＝U₂。

第四级是电压分压电路，如图5所示，其输出电压U₅为：

第五级是电压滤波电路，如图6所示，由电感器和两个RC低通滤波电路组成，提高输入AD采样电路电压的稳定性，电压幅值不发生变化，即输出电压U_O＝U₅。所以，高压配电母线输入电压U_i与输入模数转换模块2输入电压的比值为：

U_i/U_O≈(R₁+R₂+R₅+R₇)(R₈+R₉+R₁₀)R₁₆/(R₁₀×R₁₁×R₁₂) (5)

将(5)式中各电阻值代入后得到U_i/U_O≈4906。

作为一可选实施例，所述模数转换模块2为型号为CS5464的AD芯片。

本实施例给出了模数转换模块2的一种技术方案。CS5464是一个包含两个Δ∑的模数转换器ADC芯片，具有电压测量、功率测量、电流故障和电压下跌检测等多种功能。CS5464设有SPI接口，通过SPI总线将数字电压信号传送至中央处理单元1。

作为一可选实施例，所述中央处理单元1通过CAN总线与车载综合处理单元进行数据通信。

本实施例给出了所述装置与电动汽车上的车载综合处理单元进行数据通信的一种技术方案。CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO 11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。本实施例的中央处理单元1将测得的母线电压信号通过CAN总线上传至车载综合处理单元。

作为一可选实施例，所述电压显示模块4为数码管显示电路，主要由三路8段数码管和MAX7219型驱动芯片组成。

本实施例给出了电压显示模块4的一种技术方案。由于本实施例需要显示的数据信息较少，只需显示母线电压数值，因此，本实施例的电压显示模块4也比较简单，采用三路8段数码管显示母线电压数值，采用MAX7219作为数码管的驱动芯片。

作为一可选实施例，所述装置还包括与中央处理单元1相连的无线通信模块5。

本实施例给出了采用无线通信上传母线电压数据的一种技术方案。通过设置与中央处理单元1相连的无线通信模块5，可将母线高压数据上传到手持终端，可使用户随时查看母线电压。

作为一可选实施例，所述无线通信模块5主要由433MHz的射频芯片NRF401组成。

本实施例给出了无线通信模块5的一种技术方案。本实施例中，无线通信模块5采用433MHz的射频芯片NRF401。NRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20kH_Z。发射功率可以调整，最大发射功率可达+10dBm。

作为一可选实施例，所述中央处理单元1主要由型号为MC9S12X128的处理器和外围电路组成。

本实施例给出了中央处理单元1的一种技术方案。MC9S12XS128是一种汽车和工业微控制器。MC9S12XS128具有以下主要特征：采用DataFlash进行数据存储或程序存储器扩展；减少典型车身应用的外围设置；支持控制局域网(CAN)，局域互联网络(LIN)和串行外设接口(SPI)协议；带16位计数器的8通道定时器；具有优异的EMC/运行和停止电流性能。

作为一可选实施例，所述中央处理单元1还用于按以下方法检测并消除脉冲干扰信号：

实时计算模数转换模块2当前采样周期输出信号V(n)与前一采样周期输出信号V(n-1)的差ΔV(n)＝V(n)-V(n-1)；

如果ΔV(n)的绝对值超过设定的阈值，则将V(n)更新为：2V(n-1)-V(n-2)，V(n-2)为当前采样周期前两个采样周期模数转换模块2的输出信号。

本实施例给出了消除脉冲干扰信号的一种技术方案。目前，电磁环境日益恶劣，各种无意的、有意的电磁干扰无处不在。最常见的是瞬时脉冲干扰，严重时可使母线电压测量出错。脉冲干扰的特点是电压幅度变化快、持续时间短。据此特点，本实施例提出了一种简单可行的软件抗干扰方法：在实时采样母线电压的过程中，实时计算当前采样周期输出信号V(n)与前一采样周期输出信号V(n-1)的差。由于母线电压自身变化很慢，因此没干扰的情况下所述差值很小，可通过将所述差值的绝对值与设定的阈值进行比较，判断是否存在干扰。如果所述差值的绝对值没有超过阈值，则判为没有干扰；否则，有干扰。若判为有干扰，将前两个采样周期的电压值V(n-1)、V(n-2)融合后替换当前周期的电压值V(n)，融合方法为：2V(n-1)-V(n-2)，相当于将中间一个采样值V(n-1)看作是前后两个采样值V(n)和V(n-2)的均值。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的模数转换模块和电压显示模块，与模数转换模块相连的电压调理模块，电压调理模块用于对高压配电母线的电压进行隔离、降压后送到模数转换模块，中央处理单元用于根据模数转换模块输出的数字电压计算高压配电母线上的电压并在电压显示模块上进行显示；

所述电压调理模块由级联的第一光耦分压电路、第二光耦分压电路、电压跟随电路、电阻分压电路和电压滤波电路组成；

所述第一光耦分压电路包括：第一光耦，一端与第一光耦正输入端相连、另一端与电阻R1相连的电阻R2，电阻R1的另一端与压敏电阻RV1的一端相连后与高压配电母线的正极相连，一端与第一光耦负输入端相连、另一端与电阻R5相连的电阻R7，电阻R5的另一端与压敏电阻RV1的另一端相连后与高压配电母线的负极相连，正、负极分别与第一光耦负、正输入端相连的二极管D1，一端与第一光耦输出端E极相连、一端接地的电阻R11，第一光耦输出端C极与12V电源正极相连，第一光耦输出端E为第一光耦分压电路的输出端；

所述第二光耦分压电路包括：第二光耦，正输入端与第一光耦分压电路输出端相连、输出端与第二光耦正输入端相连的第一运放，第一运放的负输入端和输出端之间连接一个电容C1，第一运放的负输入端和第二光耦的输出端E极之间连接一个电阻R3，第二光耦的输出端E极与地之间连接一个电阻R16，第二光耦的负输入端与地之间连接一个电阻R12，电阻R12的非接地端是第二光耦分压电路的输出端；

所述电压跟随电路包括：第二运放，连接在第二运放负输入端和输出端之间的电阻R6，一端与第二运放正输入端相连、另一端为电压跟随电路输入端的电阻R4，第二运放的输出端为电压跟随电路的输出端；

所述电阻分压电路包括：串联在电阻分压电路输入端和地之间的电阻R8、R9、R10，R10的非接地端为电阻分压电路的输出端；

所述电压滤波电路包括：输入端为电压滤波电路输入端的双扼流圈L1，与L1输出端分别相连的电阻R14、R13，R14、R13的另一端分别为电压滤波电路的正输出端和负输出端，在电压滤波电路的正输出端和负输出端之间并联一个电容C3和两个串联的电容C2、C4，C2、C4的连接点接地。

2.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述模数转换模块为型号为CS5464的AD芯片。

3.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述中央处理单元通过CAN总线与车载综合处理单元进行数据通信。

4.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述电压显示模块为数码管显示电路，主要由三路8段数码管和MAX7219型驱动芯片组成。

5.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述装置还包括与中央处理单元相连的无线通信模块。

6.根据权利要求5所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述无线通信模块主要由433MHz的射频芯片NRF401组成。

7.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述中央处理单元主要由型号为MC9S12X128的处理器和外围电路组成。

8.根据权利要求1所述的电动汽车高压配电母线电压测量装置，其特征在于，所述中央处理单元还用于按以下方法检测并消除脉冲干扰信号：

实时计算模数转换模块当前采样周期输出信号V(n)与前一采样周期输出信号V(n-1)的差ΔV(n)＝V(n)-V(n-1)；

如果ΔV(n)的绝对值超过设定的阈值，则将V(n)更新为：2V(n-1)-V(n-2)，V(n-2)为当前采样周期前两个采样周期模数转换模块的输出信号。