CN116593764A - 高精度自标定电流传感器模块及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种高精度自标定电流传感器模块及其标定方法，属于传感器自标定技术领域，包括：分流器，串联于待测试回路中，用于获取待测试回路上的电流；温度检测电路，用于检测分流器的温度并输出测试电压；开关采样电路，用于获取流经所分流器的采样信号；主控电路，预设有补偿公式，基于采样信号和测试电压分析并计算电流器补偿后的电流数据；补偿公式包括：温度换算公式，基于测试电压计算检测温度；补偿因子计算公式，基于检测温度计算所述分流器压降的补偿因子；电阻值计算公式，基于检测温度计算分流器的补偿电阻。本申请具有实现电流传感器的高精度自标定，减少电池管理系统的标定时间，缩小整车电流标定周期的效果。
Description
技术领域
本申请涉及传感器标定技术领域，尤其是涉及一种高精度自标定电流传感器模块及其标定方法。
背景技术
随着新能源在国内的蓬勃发展，电动化作为新能源中的领跑者，已延伸到生活的角角落落，无论是路上行驶的新能源汽车还是基于电池的储能系统，都需要电池管理系统(BMS)来动态监测动力电池组的工作状态，实时对电池组充放电等使用过程中的各种参数进行在线监测并对出现的各种异常采取紧急措施，保证电池使用安全，再提高使用寿命、提高效率。
电流传感器作为电池管理系统(BMS)中核心部件，电流传感器的精度直接影响了电池管理系统(BMS)的测量效果，在实际的使用过程中，由于负载的应用环境的不同，导致电流传感器的标准值与实际值有较大的区别，从而引起电流采样精度下降。
目前的电池管理系统(BMS)通过对分流器的采样及环境温度的采集，通过温度变化对分流器标准值的影响进行补偿，从而提高电流采样的精度，由于整个标定周期时间较久，导致整车电流标定的周期变长。
发明内容
为了解决整车电流标定周期过长的问题，本申请提供一种高精度自标定电流传感器模块及其标定方法。
第一方面，本申请提供一种高精度自标定电流传感器模块，采用如下的技术方案：
一种高精度自标定电流传感器模块，包括：
分流器，串联于待测试回路中，用于获取待测试回路上的电流；
温度检测电路，用于检测所述分流器的温度并输出测试电压；
开关采样电路，用于获取流经所述分流器的采样信号；
主控电路，预设有补偿公式，基于所述采样信号和所述测试电压分析并计算所述电流器补偿后的电流数据；
所示补偿公式包括：
温度换算公式，基于所述测试电压计算检测温度；
补偿因子计算公式，基于所述检测温度计算所述分流器压降的补偿因子；
电阻值计算公式，基于所述检测温度计算所述分流器的补偿电阻。
通过采用上述技术方案，通过分流器采集待测试回路中电压信号，并对电压信号进行调整计算获取分流器的压降，通过温度检测电路对分流器的温度变化进行采集，主控电路拟合分流器的压降和温度从而计算出分流器实际的电阻值和压降，从而减小温度对检测值的影响，提高检测精度，同时本申请将主控电路脱离电池管理系统与电流传感器模块整合，实现电流传感器模块的自标定，减少电池管理系统的标定时间，从而达到缩小整车电流标定周期的效果。
优选地，所述温度检测电路包括用于检测所述分流器温度变化的热敏电阻和分压电阻，所述主控电路一输入引脚电性连接于所述热敏电阻和分压电阻之间用于获取测试电压；所述温度换算公式包括：
RT＝(VC*R)/U-R；
T＝B/(ln(RT/R25)-A-C/T2-D/T3)；
其中，U为测试电压；VC为温度检测电路的供电电压；RT为热敏电阻的电阻值；R为分压电阻的电阻值；R25为该热敏电阻在室温25摄氏度时的电阻值；A、B、C、D为常数，T为检测温度，T2和T3均为定值。
优选地，所述开关采样电路包括：
增益放大器，用于放大采样信号；
Σ-Δ模拟数字转换器，用于将放大后的采样信号转化为目标信号，所述目标信号为数字信号；
所述主控电路包括预设置所述补偿公式的微控制单元，所述微控制单元用于对接收到的目标信号进行分析计算。
通过采用上述技术方案，采样信号为微伏级的电压信号，在对信号进行处理之前需要先对信号进行放大处理，通过增益放大器放大采样信号；通过Σ-Δ模拟数字转换器将模拟信号转换为数字信号，降低系统成本。
优选地，所述Σ-Δ模拟数字转换器包括调制器和数字解调滤波器，所述Σ-Δ模拟数字转换器预设有调制公式：y(z)＝z-Lx(z)+(1+z-1)Le(z)；
信噪比计算公式：SNR＝3/2T(2N-1)2(2L+1)(OSR/T)2L+1；
其中，x(z)为输入信号变量的数字信号，e(z)为量化噪声，y(z)为在输入信号变量数字信号下计算的输出数字信号量，OSR为过采样率，N为量化器位数，T为检测温度，L为调制器的阶数。
通过采用上述技术方案，
优选地，所述调制器采用过采样和噪声整形技术。
通过采用上述技术方案，通过过采样技术以提高采样分辨率，更好的重建原始信号，通过噪声整形技术去除原信号中的干扰杂波信号。
优选地，所述电流传感器模块还包括：
隔离输出电路，用于所述主控电路的隔离，保护所述主控电路的电路安全；
信号输出电路，用于将所述主控电路分析计算出的电流数据传输给电流管理系统。
通过采用上述技术方案，通过设置隔离输出电路对主控电路进行电路保护，以保证电路安全，通过信号输出电路以实现主控电路将数据传输给电流管理系统。
优选地，所述主控电路采用双备份机制，所述微控制单元设置有APP分区A和APP分区B。
通过采用上述技术方案，通过对微控制单元进行区域划分，设置两个APP分区，以实现数据备份，从而降低系统损坏的风险，延长了传感器模块使用的寿命，保证了传感器模块运行的安全性。
优选地，所述主控电路采用双备份机制，所述微控制单元设置有APP分区A，所述APP分区A通过IIC通信连接有外接的存储芯片。
通过采用上述技术方案，通过IIC通信将微控制单元与外部的存储芯片进行连接，从而增强传感器模块运行的稳定性，同时延长其使用寿命。
第二方面，本申请还提供了一种应用第一方面所述的高精度自标定电流传感器模块的标定方法，包括以下步骤：
获取测试电压，基于测试电压计算检测温度，检测温度用于表征当前检测的分流器温度；
获取流经分流器的采样信号，采样信号用于表征当前检测的分流器两端的电压信号；
基于采样信号计算分流器两端的初始压降；
基于检测温度获取温度系数，计算补偿后分流器电阻值；基于检测温度获取补偿因子并基于初始压降计算补偿后分流器的压降；
基于欧姆定律和补偿后的分流器电阻值和压降计算待测试回路电流，并输出电流数据。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.将用于计算待测试回路电流的主控电路集成到电流传感器模块中，实现电流传感器模块的自标定，从而减少电池管理系统的计算时间，缩小整车电流标定的周期；
2.通过设置温度检测电路对分流器的温度变化进行采集计算，对分流器的压降和电阻值进行补偿，从而降低温度对检测值的影响，提高检测的精度；
3.电流传感器模块采用双备份机制，通过设置双重APP区域划分及备份，从而解决由于FLASH的读写次数是有限和确定的，必然存在数据块坏掉的问题，起到增强产品稳健性和延长产品使用寿命的作用。
附图说明
图1是本申请实施例中电流传感器模块的结构框图；
图2是本申请实施例中电流传感器模块的温度检测电路的结构示意图；
图3是本申请实施例中电流传感器模块的开关采样电路的结构示意图；
图4是本申请实施例中电流传感器模块的一微控制单元内部分区划分的结构示意图；
图5是本申请实施例中电流传感器模块的另一微控制单元内部分区划分的结构示意图；
图6是本申请实施例中标定方法步骤的流程框图。
附图标记说明：1、分流器；2、温度检测电路；3、开关采样电路；4、主控电路；5、隔离输出电路；6、信号输出电路。
具体实施方式
以下结合附图图1-图6对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种高精度自标定电流传感器模块，参照图1和图2，电流传感器模块包括：
分流器1，串联于待测试回路中，用于获取待测试回路上的电流；
温度检测电路2，用于检测分流器1的温度并输出测试电压；
开关采样电路3，用于获取流经分流器1的采样信号；
主控电路4，预设有补偿公式，基于采样信号和测试电压分析并计算分流器1补偿后的电流数据；
隔离输出电路5，用于主控电路4的隔离，保护主控电路4的电路安全；
信号输出电路6，用于将主控电路4分析计算出的电流数据传输给电池管理系统。
具体地，其中分流器1直接串联于待测试电路中，其根据直流电流通过电阻时电阻两端产生电压的原理制作而成，本申请实施例中，分流器1是一个单位为微欧的电阻。当有直流电通过时，分流器1产生压降V0，开关采样电路3通过获取分流器1的采样信号向主控电路4输入RSHH和RSHL差分信号，RSHH差分信号指的是电流通道的正差分输入，RSHL指的是电流通道的负差分输入，主控电路4根据RSHH和RSHL计算获取分流器1的压降V0，V0＝RSHH-RSHL。
由于分流器1在通电过程中会产生热量，温度的差异会导致开关采样电路3对分流器1的电流采样发生偏差，故，设置温度检测电路2对分流器1的温度进行检测，分流器1当前温度记为检测温度T。温度检测电路2包括热敏电阻和分压电阻，其中热敏电阻与分流器1贴合，以便于更好的检测分流器1温度变化；主控电路4的一输入引脚电性连接于温敏电阻和分压电阻之间用于获取测试电压。主控电路4包括微控制单元(MCU)和SPI外设接口，补偿公式预设于微控制单元中，SPI外设接口用于连接外围设备，以使得外围设备与微控制单元以串行的方式进行通信，以交换信息；微控制单元用于对接收到的目标信号进行分析计算。补偿公式包括温度换算公式，基于温度换算公式通过获取温敏电阻的特性参数与测试电压计算获取检测温度T。
温度换算公式包括以下公式(1)和公式(2)：
RT＝(VC*R)/U-R；(1)
T＝B/(ln(RT/R25)-A-C/T2-D/T3)；(2)
其中，U为测试电压；VC为温度检测电路2的供电电压；RT为热敏电阻的电阻值；R为分压电阻的电阻值；A、B、C、D为常数，由热敏电阻制造商提供；T、T2、T3均为开氏绝对温度，其中，T2和T3均为定值，亦由热敏电阻制造商提供；R25为该热敏电阻在室温25摄氏度时的电阻值，也由热敏电阻制造商提供。主控电路4通过获取的测试电压U与已知的供电电压VC以及分压电阻的阻值R计算与测试电压U对应的热敏电阻的阻值RT。主控电路4在计算检测温度T之前需要先录入对应的数值；主控电路4根据公式(1)计算获得的热敏电阻以及已知的R25、A、B、C、D、T2和T3，计算与测试电压U对应的检测温度。
由于微控制单元只能处理数字信号，而温度检测电路2输出的测试电压信号为模拟信号，故测试电压通过传送线路传输给微控制单元的一个带AD转换的引脚，经过微控制单元的内部AD转换功能转换后变成数字信号再进行处理。
由于开关采样电路3输出的采样信号为电压模拟信号且该信号为微伏级模拟电压信号，故主控电路4在分析计算之前需要先对模拟信号进行放大转换处理。开关采样电路3包括增益放大器31(PGA)和Σ-Δ模拟数字转换器32(ADC)，其中，增益放大器31用于放大获取得到的采样信号，即将微伏级模拟电压信号放大成伏特级模拟电压信号；Σ-Δ模拟数字转换器32用于将放大后的采样信号转化为目标信号，并输出至微控制单元，目标信号为数字信号。本申请实施例中，Σ-Δ模拟数字转换器32采用16位Σ-Δ模拟数字转换器32，以实现主控电路4可以处理更为复杂的混合信号，在保证信号处理精度的同时缩短处理时间。
由于外界环境很复杂，开关采样电路3测得的采样信号中含有很多不规则的波形和其他干扰杂波，Σ-Δ模拟数字转换器32包括调制器和数字解调滤波器，其中，调制器采用过采样和噪声整形技术，将带内量化噪声调制到高频处，后接数字解调滤波器进行低通滤波的同时，将输出降到奈奎斯特频率(Nyquist)，再通过解调输出目标信号。经增益放大器31放大后的采样信号需要经过整形去掉一些干扰杂波信号，再进行AD转换将模拟信号转换为数字信号，再经过滤波和数据sigma-delta等数字误差校正后输出至微控制单元进行计算分析。
微控制单元对目标信号的计算分析指的是微控制单元对目标信号进行数据运算，把各个脚位得到的信号进行数学计算，因此在目标信号输入到微控制单元之前需要先对目标信号进行数据处理。Σ-Δ模拟数字转换器32预设有调制公式和信噪比计算公式，分别对输入信号进行预处理以及调整公式参数降来降低信号带宽内的噪声，提高信噪比，从而提高Σ-Δ模拟数字转换器32的精度。由z域分析可知，输入信号x(z)是经过处理的RSHH和RSHL信号和一些其他杂波信号的合集信号，经过L阶调制器调制后输出信号如调制公式所示，调制公式为公式(3)：
y(z)＝z-Lx(z)+(1+z-1)Le(z)；(3)
其中，x(z)为输入信号变量的数字信号，e(z)为量化噪声，y(z)为在输入信号变量数字信号下计算的输出数字信号量。
由上式可知，输入信号x(z)延时了L个时间单位，而噪声被L阶整形，Σ-Δ模拟数字转换器32的转换精度由通带内信噪比(SNR)决定，L阶Σ-Δ模拟数字转换器32的通带内信噪比计算公式可表示为公式(4)：
SNR＝3/2T(2N-1)2(2L+1)(OSR/T)2L+1；(4)
其中，OSR为过采样率(信号的采样频率和奈奎斯特采样频率的比值)，N为量化器位数，T为检测温度，L为调制器的阶数。由此可知，通过调整调制器阶数、过采样率或量化器位数都可以有效的提高通带内信噪比(SNR)，本申请实施例中信噪比计算公式的各参数(OSR、N和L)均为可输入参数，可以通过调整参数来调整通带内信噪比。
微控制单元对于放大滤波整理后的目标信号与测试电压信号进行分析计算，并将分析计算后的数据进行整合，本申请实施例中即将采样信号与采集到的温度进行整合，通过温度对分流器1和相关元器件进行补偿。补偿公式还包括补偿因子计算公式和电阻值计算公式，通过补偿公式计算温度补偿后的分流器1的压降和电阻值，再通过欧姆定律重新计算电流值的方式，以弥补温度对电流测试量带来的误差，从而提高电流值的计算精度。
补偿因子计算公式如公式(5)所示：
Fcomp＝(-4e-7*T2+2e-5*T+0.9997)；(5)
其中，Fcomp为25°下温度归一化为1的VREF漂移的补偿因子，T为温度检测电路2测得的检测温度。
电阻值计算公式如公式(6)所示：
Rf＝R0+K*(T-T0)*R0；(6)
其中，Rf为补偿后的分流器1电阻值，R0为分流器1在初始温度T0下的电阻值，T0为初始温度，K为温度系数。微控制单元设置有与温度一一对应的温度系数表，微控制单元根据当前计算所得的检测温度通过查找温度系数表获取与当前测试温度对应的温度系数。
欧姆定律如公式(7)所示：
I＝V/Rf＝(V0*Fcomp)/(R0+K*(T-T0)*R0)；(7)
其中，I为微控制器处理后输出的电流数据；V为补偿后的分流器1压降，V的计算公式为V＝V0*Fcomp，V0＝RSHH-RSHL为初始压降，即测试时分流器1两端的电压。
主控电路4计算出电流后，将电流数据通过隔离输出电流以CAN报文信号输出，并将有关的参数也通过CAN报文发送给相应的电池管理系统(BMS)，以降低电池管理系统的复杂程度，减少电池管理系统的标定时间，缩小整车电流标定周期。
由于FLASH的读写次数是有限和确定的，存在数据损害的情况，为增强传感器模块的稳定运行及延长使用寿命，主控电路4采用了双备份机制，通过在微控制单元中进行双重APP区域划分及备份，即微控制单元中设置有APP分区A和APP分区B；同理，主控电路4还可以利用外部存储芯片(FLASH)的保护机制，即在FALSH中设置APP分区A，通过IIC通信再连接外接的存储芯片，外部存储芯片设置有APP分区B，使得由于FLASH本身使用寿命问题导致的系统损坏问题得到解决，延长了产品的使用寿命，保证了传感器模块运行的安全性。
本申请实施例还公开一种高精度自标定电流传感器的标定方法。参照图6，标定方法包括以下步骤：
S100、获取测试电压，基于测试电压计算检测温度，检测温度用于表征当前检测的分流器1温度。
具体地，通过温度检测电路2对分流器1的温度变化进行检测并向主控电路4输出测试电压信号，主控电流基于预设的温度换算公式以及对应检测的参数，将已知数值代入到温度换算公式中计算获取检测温度。
S200、获取流经分流器1的采样信号，采样信号用于表征当前检测的分流器1两端的电压信号。
具体地，分流器1串联在待测试电路中，当有直流电通电时，分流器1会产生压降，通过开关采样电路3对分流器1的压降进行信号采集。
S300、基于采样信号计算分流器1两端的初始压降。
具体地，由于开关采样电路3采集到的采样信号是微伏级模拟电压信号，需要先对采样信号进行放大处理，同时由于开关采样电路3采集的采样信号中含有不规则波形和其他干扰杂波，在微控制单元在进行信号计算分析之前，需要对采样信号线进行预处理，通过预处理去除采样信号中的干扰杂波信号并将采样信号转换为目标信号输出给微控制单元。预处理包括调制器的调制处理和数字解调滤波器的滤波降噪解调处理，调制器采用过采样和噪声整形技术，将带内量化噪声调制到高频处，后接数字解调滤波器进行低通滤波的同时，将输出降到奈奎斯特频率(Nyquist)，再通过解调输出目标信号。
微控制单元根据预处理后的采样信号获取正差分输入和负差分输入，从而计算出分流器1的初始压降。
S400、基于检测温度获取温度系数，计算补偿后分流器1电阻值；基于检测温度获取补偿因子并基于初始压降计算补偿后分流器1的压降。
具体的，微控制单元在计算获取检测温度后，根据预设的温度系数表查找获取与检测温度对应的温度系数，基于分流器1标准的电阻值和温度系数计算温度补偿后的分流器1电阻值。微控制单元还需根据检测温度计算分流器1标准电压漂移的补偿因子，根据初始压降和补偿因子计算温度补偿后的分流器1压降。
S500、基于欧姆定律和补偿后的分流器1电阻值和压降计算待测试回路电流，并输出电流数据。
具体地，微控制单元根据预设的欧姆定律将计算获得的补偿后的分流器1电阻和压降输入到欧姆定律公式中，从而计算流经分流器1的实际电流值，并将电流数据已CAN报文信号输出至电池关联系统。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：包括：
分流器（1），串联于待测试回路中，用于获取待测试回路上的电流；
温度检测电路（2），用于检测所述分流器（1）的温度并输出测试电压；
开关采样电路（3），用于获取流经所述分流器（1）的采样信号；
主控电路（4），预设有补偿公式，基于所述采样信号和所述测试电压分析并计算所述电流器补偿后的电流数据；
所示补偿公式包括：
温度换算公式，基于所述测试电压计算检测温度；
补偿因子计算公式，基于所述检测温度计算所述分流器（1）压降的补偿因子；
电阻值计算公式，基于所述检测温度计算所述分流器（1）的补偿电阻。
2.根据权利要求1所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述温度检测电路（2）包括用于检测所述分流器（1）温度变化的热敏电阻和分压电阻，所述主控电路（4）一输入引脚电性连接于所述热敏电阻和分压电阻之间用于获取测试电压；
所述温度换算公式包括：
RT=（VC*R）/U-R；
T=B/(ln（RT/R25）-A-C/T2-D/T3)；
其中，U为测试电压；VC为温度检测电路（2）的供电电压；RT为热敏电阻的电阻值；R为分压电阻的电阻值；R25为该热敏电阻在室温25摄氏度时的电阻值；A、B、C、D为常数，T为检测温度，T2和T3均为定值。
3.根据权利要求1所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述开关采样电路（3）包括：
增益放大器（31），用于放大采样信号；
Σ-Δ模拟数字转换器（32），用于将放大后的采样信号转化为目标信号，所述目标信号为数字信号；
所述主控电路（4）包括预设置所述补偿公式的微控制单元，所述微控制单元用于对接收到的目标信号进行分析计算。
4.根据权利要求3所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述Σ-Δ模拟数字转换器（32）包括调制器和数字解调滤波器，所述Σ-Δ模拟数字转换器（32）预设有调制公式：y(z)=z-Lx(z)+(1+z-1)Le(z)；
信噪比计算公式：SNR= 3/2T(2N-1)2(2L+1)(OSR/T)2L+1；
其中，x(z)为输入信号变量的数字信号，e(z)为量化噪声，y(z)为在输入信号变量数字信号下计算的输出数字信号量，OSR为过采样率，N为量化器位数，T为检测温度，L为调制器的阶数。
5.根据权利要求4所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述调制器采用过采样和噪声整形技术。
6.根据权利要求1所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述电流传感器模块还包括：
隔离输出电路（5），用于所述主控电路（4）的隔离，保护所述主控电路（4）的电路安全；
信号输出电路（6），用于将所述主控电路（4）分析计算出的电流数据传输给电流管理系统。
7.根据权利要求1所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述主控电路（4）采用双备份机制，所述微控制单元设置有APP分区A和APP分区B。
8.根据权利要求1所述的高精度自标定电流传感器模块，其特征在于：所述主控电路（4）采用双备份机制，所述微控制单元设置有APP分区A，所述APP分区A通过IIC通信连接有外接的存储芯片。
9.一种应用权利要求1至8任一所述的高精度自标定电流传感器模块的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取测试电压，基于测试电压计算检测温度，检测温度用于表征当前检测的分流器（1）温度；
获取流经分流器（1）的采样信号，采样信号用于表征当前检测的分流器（1）两端的电压信号；
基于采样信号计算分流器（1）两端的初始压降；
基于检测温度获取温度系数，计算补偿后分流器（1）电阻值；基于检测温度获取补偿因子并基于初始压降计算补偿后分流器（1）的压降；
基于欧姆定律和补偿后的分流器（1）电阻值和压降计算待测试回路电流，并输出电流数据。
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