CN1442696A - 用于电动车辆的电池电流测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动车辆的电池电流测量系统，其包括：电流传感器，其用于测量在充电或放电期间的电池电流，并且产生相应的电压信号；电压－PWM(脉宽调制)转换器，其用于将电流传感器产生的电压信号转换为脉宽调制信号；以及电源单元，其用于为电流传感器供电。

Description

用于电动车辆的电池电流测量系统
技术领域
本发明涉及一种电流测量系统，且尤其涉及一种用于电动车辆电池系统的电流测量系统。
背景技术
通常，电动车辆利用电池作为储能装置。普通的电动车量具有多个12V电池组件，这些电池组件是串接的，用以构成一个较高的电压。电池组件的数目由所需电压来确定，而所需电压通常介于250V和350V之间。为了用12V电池来构成如此高的电压，要串接大约20～30个电池组件。
在电动车辆中，在电池放电期间，在上述电压范围内为了提供能量以驱动车辆需要200～500A电流，而在充电期间，所用电流为10～100A。
以下是在普通电动车辆中测量电池电流的已知方法。
1.利用旁路电阻的电流测量方法。
2.利用开环霍尔传感器的电流测量方法。
3.利用闭环霍尔传感器的电流测量方法。
第一种方法利用的传感器简单而便宜，但是其具有测量误差且稳定性差，并且它对电气干扰或机械干扰非常敏感。因此，这种方法难以应用于电动车辆。
第二和第三种方法利用的传感器与第一种方法所用的传感器不同。但是，从整体电路及方法上看，第二和第三种方法与第一种方法相似。
在第二和第三种方法中使用的传感器比在第一种方法中使用的要贵，但是它们更加精确，且它们与第一种方法相比具有更多优点。
第三种方法通常用于电动车辆，因为从干扰的角度考虑，这种方法使用的传感器比第二种方法使用的传感器具有更多优点。虽然具有这种优点，但第三种方法中使用的传感器是非常昂贵的。
而且，在第三种方法中，电流测量系统包括电池管理系统的电子控制单元(以下称为BMS ECU)110，其中具有电源电路和测量系统。用于测量电流的传感器安装在BMS ECU110的外面。因此，当设计BMSECU110时需要考虑电流传感器100的特性，并且当更换电流传感器时也必须更换BMS ECU110。
如图1所示，根据原有技术的电动车辆电流测量系统包括电流传感器100和BMS ECU110。
考虑到电气干扰效应，电流传感器100通过闭环霍尔效应电流传感器来实现。
闭环传感器产生的电流强度正比于被测电流强度，且其需要一个正电源和一个负电源。
如图1所示，BMS ECU110包括电压输出器112、参考调整器114、以及模数转换器(以下称为AD转换器)116。
电压输出器112起缓冲器的作用，用以消除因所测电路阻抗变化而引起的测量误差。
因为根据电流方向，闭环传感器的测量值可以是正电压或是负电压，所以在将模拟信号转换为数字信号时，参考调整器114将电压放大为参考电压。
AD转换器116对被测电流进行模数转换。
但是，上述电流测量系统存在下述问题。
1.必须依据电流传感器100类型的变化而更改BMS ECU110的电路。
2.电流传感器100的电源由BMS ECU110供给，从而使BMSECU110电路变得复杂。
3.当更改BMS ECU110时，需要另外设计适于传感器100的电路，因此难于更改BMS ECU110。
4.BMS ECU110结构复杂，因为其包括检测电流的缓冲器、电压分配器、以及AD转换器116。
5.因为该系统对电气干扰敏感，所以电流传感器100必须以昂贵的闭环霍尔传感器来实现。
6.该电流测量传感系统不适用于电动车辆的其它控制单元。
发明内容
在本发明的优选实施例中，用于电动车辆的电池电流的测量系统包括：电流传感器、电压-PWM(脉宽调制)转换器、和电源单元。电流传感器测量在充电或放电期间的电流并输出相应的电压信号。而电压-PWM(脉宽调制)转换器将电流传感器产生的电压信号转换为脉宽调制信号。电源单元给电流传感器供电。
电流传感器优选为开环霍尔效应电流传感器。
电压-PWM转换器以及电源单元优选构成为混合IC(集成电路)芯片，并且该芯片安装在电流传感器内部。
在本发明另一个优选实施例中，电压-PWM转换器包括：
三角波发生器，其用以生成三角波形；
电压电平检测器，其通过将电流传感器所产生的电压信号与出自三角波发生器的三角波输入相比较而生成脉宽调制信号；以及
集电极开路的晶体管电路，其用于将脉宽调制信号传送到其它控制单元。
优选地，电压-PWM转换器还包括电压输出器，用以防止电流传感器的电压信号因电流传感器的阻抗变化而扭曲失真，并且将电流传感器产生的电压信号传送到电压电平检测器。
在本发明的另一个优选实施例中，电源单元包括DC/DC转换器，用以将电源电平转换为电流传感器的使用电平，并且将转换过的电源电平供给电流传感器。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图图解描述了本发明的实施例，并且其结合文字描述来说明本发明的原理，其中：
图1是根据原有技术的电动车辆电流测量系统的方框图；以及
图2是根据本发明优选实施例的电动车辆电流测量系统的方框图。
具体实施方式
以下将结合附图详细描述本发明的优选实施例。
如图2所示，根据本发明的电流测量系统包括电流传感器200以及电压-PWM转换器和电源单元210。
在本发明的优选实施例中，电流传感器200是开环霍尔效应电流传感器。电流传感器200测量电池电流并且产生相应的电压信号。优选地，电压正比于被测电流。
虽然闭环电流传感器需要双极电源(+15和-15)，但开环电流传感器200使用单极电源(+7、+10、或+12)。而且，开环电流传感器所需功率相对较小，所以有可能充分减小电路尺寸。因此，可以通过混合IC(集成电路)来实现。
当电压高于预设电平(2.5V)时，开环霍尔效应电流传感器所测电流是双向的，而当电压不大于预设电平(2.5V)时，该电流是负电流，因此单极供电是充分足够的。
由于这些原因，转换器的设计变得更加简单，并且由于功耗小，其尺寸变得更小了。
如图2所示，电压-PWM转换器以及电源单元210包括：电压输出器212、DC/DC转换器214、三角波发生器216、电压电平检测器218、以及集电极开路的晶体管电路220。
电压输出器212将电流传感器200的电压信号传送到电压电平检测器218。
电压输出器212防止电流传感器的信号因测量电路阻抗变化而扭曲失真。即，电压输出器212用作电流传感器200和电压电平检测器218之间的缓冲器，以避免负载误差。电压输出器212的增益非常接近于1.0。
DC/DC转换器214将直流转换为直流，即，其将电池的供电强度转换到预设的强度，以便给电路元件供电。电流传感器200由DC/DC转换器214供电。
三角波发生器216产生三角波以形成PWM信号。
为了生成PWM信号，需要一种与自电流传感器200输入的电压信号相比较的信号，并且通常利用三角波来作为这样一种信号。
提供了一种三角波发生器216电路，并且可能设计这样一种电路，其具有ASIC(专用集成电路)或混合IC。
电压电平检测器218通过将三角波与自电流传感器200输入的电压信号相比较而生成PWM信号。
PWM(脉宽调制)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。PWM信号具有反复连续的接通和关断脉冲，也就是说，PWM信号是周期性方波，并且该信号周期定义为一组接通脉冲和关断脉冲的周期。
所要调制的PWM信号的负载系数正比于输入电压。PWM信号的负载系数定义为接通时间与其周期之比。
集电极开路的晶体管电路220将PWM信号传送到其它控制单元。
在此传送期间，电路220生成开路集电极输出信号，以增大兼容性。而且，该输出信号形成为通用的注销(logout)类型，以便用作其它控制单元的登录(login)信号。
开路集电极信号是一种输出值可变的的信号。也就是说，集电极开路的晶体管电路220将PWM信号转换为直接用于其它控制单元的信号。
通过开路集电极信号，可将电压电平检测器218所生成的PWM信号改变为特定电平信号。
在本发明优选实施例中，将上述电路制作成如混合IC或ASIC的单个芯片，并且将该芯片安装在电流传感器200内部。
生成的PWM信号输入到主CPU的PWM端口，并且根据PWM信号的负载系数变化测量电流。
通常，车辆的主CPU设计为直接输入PWM信号，因此其能够获取电流信号而物需另外的模数转换器。
以下详尽说明上述系统的工作情况。
电流传感器200可通过并联电阻传感器、开环霍尔传感器、以及闭环霍尔传感器中的任意一种来实现。
并联电阻传感器不适用于车辆，因为它安装在外部暴露状态下。
因为开环霍尔传感器比闭环霍尔传感器便宜，并且在依照本发明的测量系统中能够消除电气干扰的影响，所以开环霍尔传感器是优选的。
电压-PWM转换器以及电源单元210将电流传感器200的测量值转换为PWM信号，并且提供电源给电流传感器200。
可以将电压-PWM转换器以及电源单元210设计为混合IC或ASIC，以便减小其尺寸，并且因此还可以将电压-PWM转换器以及电源单元210安装到电流传感器200内部。
因此，可以将本发明的系统制作为一个模块。
而且，通过将电流传感器200的信号转换为PWM信号且直接将该PWM信号用作CPU的登录信号，在本发明中即无需另外的模数转换器、数据总线、以及控制电路。
另外，通过直接接入PWM信号而不是发动机转速表，可将电动车辆的动力利用率直接显示在组件(cluster)中。
根据本发明的系统可采用并联电阻电流传感器、开环霍尔电流传感器、以及闭环霍尔电流传感器中的任意一种。可以制造出抗电气干扰和机械干扰的电流测量系统。
可以将该电流测量系统制为模块，并且易于将该电流测量系统应用于车辆系统而不需要另外的电路。
上述电流测量系统具有如下优点：
1.电流传感器可用于不同的电动车辆电池系统。
2.控制器不需要另外的电路。
3.该系统抗电气干扰。
4.该系统与其它控制器兼容。
5.该系统可使用便宜的传感器。
尽管在上文中已经对本发明优选的实施例进行了详尽描述，应清楚理解的是，对于本领域普通技术人员而言，对此处教导的基本发明原理所作出的多种变化和/或变型，将仍落入本发明的精神和范围之内(如在附加的权利要求书中所限定的那样)。

Claims (6)

1.一种用于电动车辆的电池电流测量系统，包括：
电流传感器，其用于测量在充电或放电期间的电池电流，并产生相应的电压信号；
电压-PWM(脉宽调制)转换器，其用于将所述电流传感器产生的电压信号转换为脉宽调制信号；以及
电源单元，其用于给所述电流传感器供电。
2.权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述电流传感器是开环霍尔效应电流传感器。
3.权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述电压-PWM转换器以及所述电源单元构成为混合IC(集成电路)芯片，并且其中该芯片安装在所述电流传感器内部。
4.权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述电压-PWM转换器包括：
三角波发生器，其用以生成三角波；
电压电平检测器，其通过将所述电流传感器所产生的电压信号与出自所述三角波发生器的三角波输入相比较而生成脉宽调制信号；以及
集电极开路的晶体管电路，其用于将所述脉宽调制信号传送到其它控制单元。
5.权利要求4所述的系统，其特征在于其中所述电压-PWM转换器进一步包括电压输出器，其用于将所述电流传感器产生的电压信号传送到所述电压电平检测器，该电压输出器防止所述电流传感器的电压信号因该电流传感器的阻抗变化而扭曲失真。
6.权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述电源单元包括DC/DC转换器，其用于将电源电平转换为所述电流传感器直接使用的电平，并且将经过所述转换的电源电平提供给所述电流传感器。
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