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一种输出为PWM信号的电流测量电路的制作方法

文档序号:12779429
一种输出为PWM信号的电流测量电路的制作方法与工艺

本实用新型属于新能源汽车领域,更具体地,涉及一种输出为PWM信号的电流测量电路。



背景技术:

目前,随着政策扶持力度加大、配套设施建设加快,以及各地全面推广应用的环境背景下,新能源汽车保持快速增长,行业前景向好。其中为了保障车辆的行车安全,动力电池系统的极端单体电压,动力电池总压,动力电池电流大小等关键数据是必须实时监测的。例如动力电池的总电流对于监测电池系统的运行状态与SOC预测至关重要。

目前电动汽车上广泛使用的霍尔式电流传感器,分为两大类,包括开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。其中开环式霍尔电流传感器,其工作依赖于高导磁磁芯的线性区间,由于这种传感器直接测量高导磁磁芯气隙处的磁通,则更容易受到磁芯饱和、磁滞、非线性的影响,所以这种开环式的霍尔电流传感器的精度一般比较低,且易受到磁滞效应的影响,不能测量过快频率的电流,测量带宽较窄;闭环式霍尔电流传感器在开环式电流传感器的基础上增加了副边补偿绕组,其测量精度较开环式霍尔传感器有所提升,但由于增加了副边补偿绕组及其对应的控制回路,使得成本增高,体积增大,同时由于副边补偿绕组输出功率有限,在特殊情况下也会出现磁芯饱和的情况,引起测量错误。无论开环式霍尔电流传感器还是闭环式霍尔电流传感器,在实际应用中,小电流测量都不够精准。

目前电动汽车行业中广泛使用霍尔式电流传感器作为电流监测装置,而其在使用过程中存在测量受温度影响较大、体积大安装不便、不符合现今小体积轻量化发展的需求、发生磁饱和后使得其不能正常的测量、电动汽车电磁环境复杂容易干扰霍尔传感器的模拟输出量,从而影响电流测量的精度。基于霍尔传感器现存的一系列问题,现许多工程师考虑使用性价比高、测量精度高的电流检测装置对动力电池电流进行实时监测,即智能型电流传感器,其原理基于欧姆定律,且电路中不存在非线性器件,根据集总电路特性,该方案电流的测量带宽可以做的非常宽,可以测量快速交变电流;同时线性器件不存在回差与滞回,所以第一次校准完成之后就不需要再次校准;没有磁环,所以整个电流传感器可以做的非常小,节省主控箱空间;采用非模拟量输出,有效避免电动汽车复杂的电磁环境对电流传感器的干扰。

新能源汽车近年来发展迅速,对于BMS系统的要求也越来越苛刻,电流检测作为BMS系统中必不可少的一个部分,其对BMS的重要性不言而喻。一方面电流传感器需要将车辆的实时电流反馈给驾驶员或者技术人员,便于掌握电动车辆的运行状态;另一方面,电流传感器的精度直接关系到电动汽车SOC的估算精度,电流传感器出现异常或者精度不够,将会导致SOC估算偏差较大,或者电流测量不准触发车辆App保护策略导致切断高压。



技术实现要素:

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本实用新型提供了一种输出为PWM信号的电流测量电路,其目的在于使用双通道可调的电压传感器,使采集到的电流模拟信号量转换为PWM信号,电路集成度高、能够实现高低压侧电气隔离且精度高,由此解决现有技术中电流传感器出现异常或者精度不够,导致SOC估算偏差较大或者电流测量不准触发车辆App保护策略导致切断高压的技术问题。

本实用新型提供了一种输出为PWM信号的电流测量电路,包括:依次连接的信号编码模块、信号隔离模块和PWM调制模块;所述信号编码模块接收电流模拟信号,并将其转换为第一频率信号;所述信号隔离模块将所述第一频率信号进行隔离后输出第二频率信号;所述PWM调制模块将所述第二频率信号进行调制后输出PWM信号。

更进一步地,所述信号编码模块包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U5、电感L3、电感L4和电容C1;所述运算放大器U5的正向输入端通过电阻R3连接至输入信号正端SHUNT+,运算放大器U5的正向输入端还通过电阻R7连接至参考电压VREF;电阻R8和电阻R4依次串联连接在所述参考电压VREF与输入信号正端SHUNT+之间;运算放大器U5的反向输入端通过电阻R1连接至输入信号负端SHUNT-,电阻R2与电阻R1并联连接;运算放大器U5的反向输入端还通过电阻R6连接至运算放大器U5的输出端;电阻R5与电阻R6并联连接;电容C1连接在输入信号正端SHUNT+与输入信号负端SHUNT-之间;运算放大器U5的电源正端通过电感L3连接至电源VCC,运算放大器U5的电源负端通过电感L4连接至电源VEE。

更进一步地,所述信号隔离模块包括:电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电容C6;所述PWM调制模块包括信号转换器U4和电阻R14;所述电阻R9的一端作为输入端T1连接至所述运算放大器U5的输出端,电阻R9的另一端连接至所述信号转换器U4的输入端VIN2;所述电阻R10、所述电阻R11、所述电阻R12和所述电阻R13依次串联连接在电源VCC1与地GND1之间;所述电阻R10和所述电阻R11的串联连接端连接至所述信号转换器U4的VREG端,所述电阻R11和所述电阻R12的串联连接端连接至所述信号转换器U4的输入端VIN1,所述电容C2连接至所述信号转换器U4的VREG端与GND1之间,所述电容C5与所述电容C2并联连接;所述电容C3连接在所述信号转换器U4的VIN1端与GND1之间;所述电容C4连接在所述信号转换器U4的VIN2与GND1之间;所述电容C6连接在所述信号转换器U4的RB与GND1之间。所述信号转换器U4的VDD2端连接至电源VCC2,所述信号转换器U4的VOUT1端用于输出NTCV-PWM信号,所述信号转换器U4的VOUT2端用于输出CURT-PWM信号,所述信号转换器U4的VREF端通过所述电阻R14连接至电源VCC2;所述信号转换器U4的GND2接地。

本实用新型提供了一种基于双通道电压传感器的输出电流信号可调电路,即可输出为PWM信号,也可是数字信号。在本次设计中优选考虑PWM信号,考虑到PWM信号控制简单、灵活且动态响应好的优点,本实用新型中使用双通道可调的电压传感器,使采集到的电流模拟信号量转换为PWM信号,做到电路集成度高、高低压信号隔离、可选择的双通道输出,外围电路影响少,有助于后端处理电路更快更精准测量。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种输出为PWM信号的电流测量电路的原理框图;

图2是本实用新型提供的一种输出为PWM信号的电流测量电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以说明本实用新型,并不用于限定本实用新型。此外,下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型是一种基于双通道电压传感器的输出电流信号可调电路,即可输出为PWM信号,也可是数字信号。在本实用新型中优选考虑PWM信号,考虑到PWM信号控制简单、灵活且动态响应好的优点,与现今大多数选用的数字模拟量输出相比优势明显。本实用新型中使用双通道可调的电压传感器,使采集到的电流模拟信号量转换为PWM信号,做到电路集成度高、高低压信号隔离、可选择的双通道输出电路。

现今也使用基于分流器的智能型电流传感器,其原理基于欧姆定律,且电路中不存在非线性器件,根据集总电路特性,该方案电流的测量带宽可以做的非常宽,可以测量快速交变电流;同时线性器件不存在回差与滞回,所以第一次校准完成之后就不需要再次校准;没有磁环,所以整个电流传感器可以做的非常小,节省主控箱空间;采用数字输出,有效避免电动汽车复杂的电磁环境对电流传感器的干扰。但是其一般选用的电路输出量不是数字信号就是模拟信号,而调制、处理数字信号成本较高,模拟信号又容易受到干扰,输出信号存在一定偏差精度不是很高。

本实用新型是一种基于双通道电压传感器的输出电流信号可调电路,即可输出为PWM信号,也可是数字信号。在本实用新型中优选考虑PWM信号,考虑到PWM信号控制简单、灵活且动态响应好的优点,本实用新型中使用双通道可调的电压传感器,使采集到的电流模拟信号量转换为PWM信号,做到电路集成度高、高低压信号隔离、可选择的双通道输出,外围电路影响少,有助于后端处理电路更快更精准测量等,尤其对于对SOC等动力电池系统关键参数的估算影响至关重要。

本电路处理分流器电压信号的主要思想是将模拟量转换成与其成线性关系的PWM信号量,使用PWM信号量将信号传输出去,PWM信号量抗干扰能力强,能够避免在使用过程中受到外部电磁环境的干扰,同时能够非常方便的实现高低压侧频率量的隔离。

图1示出了本实用新型提供的一种输出为PWM信号的电流测量电路的原理框图,为了便于说明,仅示出了与本实用新型相关的部分,现结合图1详述如下:

电流测量电路包括依次连接的信号编码模块1、信号隔离模块2和PWM调制模块3;信号编码模块接收模拟信号A,并将其转换为第一频率信号B;信号隔离模块将第一频率信号B进行隔离后输出第二频率信号C;PWM调制模块将第二频率信号C进行调制后输出PWM信号。

其中,模拟信号A来自于分流器的模拟前端,模拟前端的主要作用是将分流器过来的原始电压信号放大、偏置并滤除干扰,并输出处理后的信号。

模拟信号A经过信号编码模块1转换成相应的频率信号。在本实用新型中,考虑到应用的可操作性,信号编码模块1可以采用电压-PWM转换器,将电压信号转换成与电压相关的PWM信号,使得输出的占空比可以线性的表征输入的模拟电压值,具体地,可以采用如图中所示的PWM信号调制器。

第一频率信号B的占空比此时已能表征分流器的原始电压信号,再通过信号隔离模块2进行数字隔离后转换成相等占空比的第二频率信号C,此时PWM信号已能够实现高低压侧的电气隔离。

第二频率信号C可以连接至相关的MCU管脚,特别是连接至具有定时器输入特性的管脚上时,MCU就能够非常精准的测量出第二频率信号C的具体占空比;由于单片机时钟频率高,可以很精确的采集到信号的占空比;由于信号频率高,因而信号的分辨率也随之提高,降低了分流器电路的总体误差。

本实用新型对分流器测量电流最终的输出可选择以及电路集成度高,同时可将采集到的模拟量转换为PWM信号,其控制简单、灵活且动态响应好的优点将模拟量转换成数字量,大幅度的提高了信号的抗扰能力,同时又能实现高低压侧的电气隔离。

图2是本实用新型提供的一种输出为PWM信号的电流测量电路的具体电路,为了便于说明,仅示出了与本实用新型相关的部分,现结合图2详述如下:

信号编码模块1包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U5、电感L3、电感L4和电容C1;运算放大器U5的正向输入端通过电阻R3连接至输入信号正端SHUNT+,运算放大器U5的正向输入端还通过电阻R7连接至参考电压VREF;电阻R8和电阻R4依次串联连接在所述参考电压VREF与输入信号正端SHUNT+之间;运算放大器U5的反向输入端通过电阻R1连接至输入信号负端SHUNT-,电阻R2与电阻R1并联连接;运算放大器U5的反向输入端还通过电阻R6连接至运算放大器U5的输出端;电阻R5与电阻R6并联连接;电容C1连接在输入信号正端SHUNT+与输入信号负端SHUNT-之间;运算放大器U5的电源正端通过电感L3连接至电源VCC,运算放大器U5的电源负端通过电感L4连接至电源VEE。

在本实用新型中,信号隔离模块2包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电容C6;PWM调制模块3包括信号转换器U4及其外围电路;信号转换器U4用于将电压信号线性的转换成对应的PWM占空比信号,例如,0V输入的时候,转换成的占空比为0,3V输入的时候,对应的占空比为100%,那么1.5V输入的时候,对应的占空比为50%。

电阻R9的一端作为输入端T1连接至U5的输出端,电阻R9的另一端连接至信号转换器U4的输入端VIN2;电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13依次串联连接在电源VCC1与地GND1之间;电阻R10和电阻R11的串联连接端连接至信号转换器U4的VREG端,电阻R11和电阻R12的串联连接端连接至信号转换器U4的输入端VIN1,电容C2连接至信号转换器U4的VREG端与GND1之间,电容C5与电容C2并联连接;电容C3连接在信号转换器U4的VIN1端与GND1之间;电容C4连接在信号转换器U4的VIN2与GND1之间;电容C6连接在信号转换器U4的RB与GND1之间。

信号转换器U4的VDD2端连接至电源VCC2,信号转换器U4的VOUT1端用于输出NTCV-PWM信号,信号转换器U4的VOUT2端用于输出CURT-PWM信号,信号转换器U4的VREF端通过电阻R14连接至电源VCC2;信号转换器U4的GND2接地。

本实用新型电路集成度高,输出信号简单、灵活且动态响应好,能够实现高低压侧电气隔离;成本低廉,精度高。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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