一種高精度電流傳感器檢測電路及其檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種高精度電流傳感器檢測電路，包括組合磁電轉換單元、正向閾值比較器、負向閾值比較器、或門電路、輸出緩沖器、模擬開關和ADC轉換器；所述組合磁電轉換單元由具有較大量程的第一電流傳感器和具有較小量程的第二電流傳感器組成，所述第一電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常開觸點連接ADC轉換器的輸入端，所述第二電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常閉觸點連接ADC轉換器的輸入端；所述ADC轉換器的輸出端連接后級電路的輸入端。本發明還提供一種高精度電流傳感器檢測電路的檢測方法。本發明具有測量范圍廣、響應速度快、測量精度高、線性度和動態性能好、工作頻帶寬、可靠性高、過載能力強等優點。
【專利說明】一種高精度電流傳感器檢測電路及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電動汽車動力電池系統充放電電流檢測【技術領域】，具體是一種高精度電流傳感器檢測電路及其檢測方法。
【背景技術】
[0002]目前，電動汽車動力電池系統充放電電流的隔離檢測常采用霍爾采樣法。霍爾采樣法是通過霍爾電流傳感器進行電流采樣，霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環原理，原邊電流產生的磁通通過高品質磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，經過特殊電路的處理，霍爾電流傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的變化電壓信號。輸出電壓與霍爾元件感受到的磁感應強度成正比，而磁感應強度與一次電流及磁芯磁導率有關，磁芯磁導率一般是變化的，也就是說，是非線性的。
[0003]因此，霍爾電流傳感器的輸出線性度主要受磁芯磁導率非線性的影響，其電流在磁芯非飽和階段線性度較高，當磁芯處于飽和階段后，一般線性度較差，當磁場強度增加時，其輸出電壓不再增加，影響了測量精度。反之，當磁場變化不明顯時，其輸出電壓變化也相對較小，這種情況在電流變化較小時，其輸出電壓變化不明顯，也易造成測量誤差。
[0004]在電動汽車的應用過程中，當流過導線的電流變化在幾百安培時，使用一個磁感應強度相關的磁芯及霍爾元件，其輸出電壓呈線性變化，即可反映出當前真實電流變化；當電動汽車處于靜態工作時，主驅動器無輸出，其工作電流變化在± 10?35A左右，此時，若使用前述的磁感應強度相關的磁芯及霍爾元件，由于其電流變化小，磁場變化不明顯，當前的輸出電壓分辨率低，不能真實反映電流變化，在進行SOC統計時存在明顯偏差，造成較大的電流累積誤差。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種高精度電流傳感器檢測電路及其檢測方法，實時檢測動力電池系統的充放電電流，在不同的電流階段，采用與之相匹配的高精度電流傳感器進行檢測，并通過狀態檢測及信號采樣，得到較為精準的電流值，提高采樣精度，降低電流累積誤差。
[0006]本發明的技術方案為:
[0007]一種高精度電流傳感器檢測電路，包括組合磁電轉換單元、正向閾值比較器、負向閾值比較器、或門電路、輸出緩沖器、模擬開關和ADC轉換器；所述組合磁電轉換單元由具有較大量程的第一電流傳感器和具有較小量程的第二電流傳感器組成，所述第一電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常開觸點連接ADC轉換器的輸入端，所述第二電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常閉觸點連接ADC轉換器的輸入端；所述ADC轉換器的輸出端連接后級電路的輸入端；
[0008]所述正向閾值比較器的同相輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，其反相輸入端連接到第一參考電壓，其輸出端連接或門電路的輸入端；所述負向閾值比較器的反相輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，其同相輸入端連接到第二參考電壓，其輸出端連接或門電路的輸入端；所述第一參考電壓為第二電流傳感器的正向最大限制電流對應的電壓，所述第二參考電壓為第二電流傳感器的負向最大限制電流對應的電壓；所述或門電路的輸出端分別連接輸出緩沖器的輸入端和模擬開關的控制端，所述輸出緩沖器的輸出端連接后級電路的輸入端。
[0009]所述的高精度電流傳感器檢測電路，所述第一電流傳感器和第二電流傳感器固定在同一個封裝內，所述第一電流傳感器的量程為-600A?+600A，所述第二電流傳感器的量程為-60A?+60A。
[0010]所述的高精度電流傳感器檢測電路，所述第一電流傳感器和第二電流傳感器均選用霍爾電流傳感器。
[0011]所述的高精度電流傳感器檢測電路，所述模擬開關選用ADG849型單刀雙擲模擬開關。
[0012]所述的一種高精度電流傳感器檢測電路的檢測方法，包括以下步驟:
[0013](I)當流過導線的電流介于第二電流傳感器的正向最大限制電流與負向最大限制電流之間時，正向閾值比較器和反向閾值比較器均無輸出，或門電路無輸出，輸出緩沖器的輸出為低電平，第二電流傳感器的輸出電壓信號經模擬開關的常閉觸點輸入到ADC轉換器，后級電路對經由ADC轉換器處理后的電壓信號進行采樣，并根據輸出緩沖器為低電平的狀態，將采樣電壓換算成介于第二電流傳感器的正向最大限制電流與負向最大限制電流之間的電流值；
[0014](2)當流過導線的電流大于第二電流傳感器的正向最大限制電流或小于負向最大限制電流時，正向閾值比較器或負向閾值比較器輸出高電平，或門電路輸出高電平，輸出緩沖器的輸出為高電平，模擬開關的常閉觸點斷開、常開觸點閉合，第一電流傳感器的輸出電壓信號經模擬開關的常開觸點輸入到ADC轉換器，后級電路對經由ADC轉換器處理后的電壓信號進行采樣，并根據輸出緩沖器為高電平的狀態，將采樣電壓換算成介于第一電流傳感器的量程內的電流值。
[0015]由上述技術方案可知，本發明將兩個量程不同的電流傳感器組合在一個固定的腔體內，封裝成一個整體，每個電流傳感器的測量范圍有所側重，第一電流傳感器對大電流變化響應度較高，第二電流傳感器對小電流響應度較高，當電流在小范圍內變化時，第一電流傳感器的磁場變換不明顯，表現為電流幾乎不變化，其輸出電壓變化也很小，而第二電流傳感器能較好地響應這種磁場變化，其輸出電壓能較好地反映當前電流變化，而當電流超過第二電流傳感器的量程時，由于磁芯接近飽和，電流已無變化，其輸出電壓也隨之不變，而此時，第一電流傳感器正處于最佳線性變化區域，能較好地反映電流變化，并轉化為一個線性變化的電壓信號。通過合理地選擇電流變化值，將兩個電流傳感器組合到一起，并通過恰當的電路設計，對輸出電壓通道進行選擇，對選取的通道電壓進行采樣，最終換算成當前的電流值，能較好地在大范圍量程內實現精確電流測量。
[0016]本發明具有測量范圍廣、響應速度快、測量精度高、線性度和動態性能好、工作頻帶寬、可靠性高、過載能力強等優點，可測量任意波形的電流、瞬態峰值電流以及具有較寬頻率變化范圍的信號，可廣泛應用于各種需要檢測電流變化的應用環境及測控領域中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構示意框圖；
[0018]圖2是本發明的電路結構示意圖；
[0019]圖3是霍爾電流傳感器(大量程)電流-電壓變化示意圖；
[0020]圖4是霍爾電流傳感器(小量程)電流-電壓變化示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。
[0022]如圖1、圖2所示，一種高精度電流傳感器檢測電路，用于檢測電動汽車動力電池系統的充放電電流，包括組合磁電轉換單兀1、正向閾值比較器2、負向閾值比較器3、或門電路4、輸出緩沖器5、單刀雙擲模擬開關6和ADC轉換器7。組合磁電轉換單兀I由具有較大量程的第一霍爾電流傳感器11和具有較小量程的第二霍爾電流傳感器12組成。單刀雙擲模擬開關6選用ADG849型模擬開關。
[0023]第一霍爾電流傳感器11的輸出端連接單刀雙擲模擬開關6的常開觸點，第二霍爾電流傳感器12的輸出端連接單刀雙擲模擬開關6的常閉觸點，第二霍爾電流傳感器12的輸出端還分別連接正向閾值比較器2的同相輸入端、負向閾值比較器3的反相輸入端。正向閾值比較器2的反相輸入端連接到第一參考電壓，負向閾值比較器3的同相輸入端連接至IJ第二參考電壓，正向閾值比較器2的輸出端和負向閾值比較器3的輸出端連接到或門電路4的輸入端，或門電路4的輸出端分別連接到輸出緩沖器5的輸入端和單刀雙擲模擬開關6的控制端，輸出緩沖器5的使能端接地，單刀雙擲模擬開關6的輸出端連接ADC轉換器7的輸入端，輸出緩沖器5的輸出端和ADC轉換器7的輸出端通過SPI接口連接到微處理器。
[0024]如圖3所示，第一霍爾電流傳感器11的測量范圍為-600A?+600A，當流過導線的電流在-600A?+600A之間變化時，其輸出電壓在DC0.25V?DC4.75V之間線性變化:當電流為O時，第一霍爾電流傳感器11周邊的磁場強度為0，其輸出電壓對應為供電電源電壓5V的1/2，即DC2.5V ;電流變化范圍為O?+600A時，對應電壓變化為2.5V?4.75V,電流大于+600A時，電壓不再增加；電流變化范圍為-600A?O時，對應電壓變化為0.25V?
2.5V，電流小于-600A時，電壓不再減小。
[0025]如圖4所示，第二霍爾電流傳感器12的測量范圍為-60A?+60A，當流過導線的電流在-60A?+60A之間變化時，其輸出電壓在DC0.25V?DC4.75V之間線性變化:當電流為O時，第一霍爾電流傳感器11周邊的磁場強度為0，其輸出電壓對應為供電電源電壓5V的1/2，即DC2.5V ;電流變化范圍為O?+60A時，對應電壓變化為2.5V?4.75V，電流大于+60A時，電壓不再增加；電流變化范圍為-60A?O時，對應電壓變化為0.25V?2.5V，電流小于-60A時，電壓不再減小。
[0026]正向閾值比較器2和負向閾值比較器3均為電壓比較器電路，其中，連接到正向閾值比較器2的反相輸入端的第一參考電壓為正向最大電流限制電壓，假定將正向最大電流限制為55A，其對應的電壓為4.5625V，為了便于電壓調節，將該電壓值設為4.5V，對應的限制電流為53.33A，當正向電流大于此值時，正向閾值比較器2輸出一個高電平信號；連接到負向閾值比較器3的同相輸入端的第二參考電壓為負向最大電流限制電壓，假定將負向最大電流限制為-55A，其對應的電壓為0.4375V，為了便于電壓調節，將該電壓值設為0.5V,對應的限制電流為-53.33A，當負向電流小于此值時，負向閾值比較器3輸出一個高電平信號。
[0027]當流過導線的電流介于-53.33A?+53.33A時，第二霍爾電流傳感器12的輸出電壓在0.5V?4.5V之間線性變化，該電壓加載到正向閾值比較器2的同相輸入端和負向閾值比較器3的反相輸入端時，根據比較器的性質，正向閾值比較器2和負向閾值比較器3均無輸出，或門電路4無輸出，從而輸出緩沖器5輸出為低電平，此時，第二霍爾電流傳感器12的輸出電壓信號經單刀雙擲模擬開關6的常閉觸點進入單刀雙擲模擬開關6，并經過單刀雙擲模擬開關6進入到ADC轉換器7，ADC轉換器7將經其轉換的第二霍爾電流傳感器12的輸出電壓信號通過SPI接口送入微處理器進行處理，微處理器根據輸出緩沖器5為低電平的狀態，將接收到的電壓信號換算成-53.33A?+53.33A之間的電流值。
[0028]當流過導線的電流大于+53.33A或小于-53.33A時，第二霍爾電流傳感器12的輸出電壓大于4.5V或小于0.5V,此時,第二霍爾電流傳感器12的磁場強度接近于飽和,米樣電流偏差較大。當正向電流大于+53.33A時，正向閾值比較器2輸出一個高電平，當負向電流小于-53.33A時，負向閾值比較器3輸出一個高電平，該電平信號送入或門電路4,或門電路4輸出一個高電平信號，作為單刀雙擲模擬開關6的切換控制信號，使得單刀雙擲模擬開關6實現通道切換，與第一霍爾電流傳感器11連接的常開觸點閉合，與第二霍爾電流傳感器12連接的常閉觸點斷開，同時輸出緩沖器5的輸出為高電平，此時，第一霍爾電流傳感器11的輸出電壓信號經單刀雙擲模擬開關6的常開觸點進入單刀雙擲模擬開關6，并經過單刀雙擲模擬開關6進入到ADC轉換器7，ADC轉換器7將經其轉換的第一霍爾電流傳感器12的輸出電壓信號通過SPI接口送入微處理器進行處理，微處理器根據輸出緩沖器5為高電平的狀態，將接收到的電壓信號換算成-600A?+600A之間的電流值。
[0029]以上所述實施方式僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種高精度電流傳感器檢測電路，其特征在于:包括組合磁電轉換單元、正向閾值比較器、負向閾值比較器、或門電路、輸出緩沖器、模擬開關和ADC轉換器；所述組合磁電轉換單元由具有較大量程的第一電流傳感器和具有較小量程的第二電流傳感器組成，所述第一電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常開觸點連接ADC轉換器的輸入端，所述第二電流傳感器的輸出端通過模擬開關的常閉觸點連接ADC轉換器的輸入端；所述ADC轉換器的輸出端連接后級電路的輸入端； 所述正向閾值比較器的同相輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，其反相輸入端連接到第一參考電壓，其輸出端連接或門電路的輸入端；所述負向閾值比較器的反相輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，其同相輸入端連接到第二參考電壓，其輸出端連接或門電路的輸入端；所述第一參考電壓為第二電流傳感器的正向最大限制電流對應的電壓，所述第二參考電壓為第二電流傳感器的負向最大限制電流對應的電壓；所述或門電路的輸出端分別連接輸出緩沖器的輸入端和模擬開關的控制端，所述輸出緩沖器的輸出端連接后級電路的輸入端。
2.根據權利要求1所述的高精度電流傳感器檢測電路，其特征在于:所述第一電流傳感器和第二電流傳感器固定在同一個封裝內，所述第一電流傳感器的量程為-600A?+600A，所述第二電流傳感器的量程為-60A?+60A。
3.根據權利要求1所述的高精度電流傳感器檢測電路，其特征在于:所述第一電流傳感器和第二電流傳感器均選用霍爾電流傳感器。
4.根據權利要求1所述的高精度電流傳感器檢測電路，其特征在于:所述模擬開關選用ADG849型單刀雙擲模擬開關。
5.根據權利要求1?4任一項所述的一種高精度電流傳感器檢測電路的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)當流過導線的電流介于第二電流傳感器的正向最大限制電流與負向最大限制電流之間時，正向閾值比較器和反向閾值比較器均無輸出，或門電路無輸出，輸出緩沖器的輸出為低電平，第二電流傳感器的輸出電壓信號經模擬開關的常閉觸點輸入到ADC轉換器，后級電路對經由ADC轉換器處理后的電壓信號進行采樣，并根據輸出緩沖器為低電平的狀態，將采樣電壓換算成介于第二電流傳感器的正向最大限制電流與負向最大限制電流之間的電流值； (2)當流過導線的電流大于第二電流傳感器的正向最大限制電流或小于負向最大限制電流時，正向閾值比較器或負向閾值比較器輸出高電平，或門電路輸出高電平，輸出緩沖器的輸出為高電平，模擬開關的常閉觸點斷開、常開觸點閉合，第一電流傳感器的輸出電壓信號經模擬開關的常開觸點輸入到ADC轉換器，后級電路對經由ADC轉換器處理后的電壓信號進行采樣，并根據輸出緩沖器為高電平的狀態，將采樣電壓換算成介于第一電流傳感器的量程內的電流值。
【文檔編號】G01R19/25GK104237623SQ201410521569
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】徐青, 吳嘉熙 申請人:武漢弈飛科技有限公司