一种高精度电流传感器检测电路及其检测方法
【专利摘要】本发明提供一种高精度电流传感器检测电路，包括组合磁电转换单元、正向阈值比较器、负向阈值比较器、或门电路、输出缓冲器、模拟开关和ADC转换器；所述组合磁电转换单元由具有较大量程的第一电流传感器和具有较小量程的第二电流传感器组成，所述第一电流传感器的输出端通过模拟开关的常开触点连接ADC转换器的输入端，所述第二电流传感器的输出端通过模拟开关的常闭触点连接ADC转换器的输入端；所述ADC转换器的输出端连接后级电路的输入端。本发明还提供一种高精度电流传感器检测电路的检测方法。本发明具有测量范围广、响应速度快、测量精度高、线性度和动态性能好、工作频带宽、可靠性高、过载能力强等优点。
【专利说明】一种高精度电流传感器检测电路及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动汽车动力电池系统充放电电流检测【技术领域】，具体是一种高精度电流传感器检测电路及其检测方法。
【背景技术】
[0002]目前，电动汽车动力电池系统充放电电流的隔离检测常采用霍尔采样法。霍尔采样法是通过霍尔电流传感器进行电流采样，霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，即闭环原理，原边电流产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，经过特殊电路的处理，霍尔电流传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的变化电压信号。输出电压与霍尔元件感受到的磁感应强度成正比，而磁感应强度与一次电流及磁芯磁导率有关，磁芯磁导率一般是变化的，也就是说，是非线性的。
[0003]因此，霍尔电流传感器的输出线性度主要受磁芯磁导率非线性的影响，其电流在磁芯非饱和阶段线性度较高，当磁芯处于饱和阶段后，一般线性度较差，当磁场强度增加时，其输出电压不再增加，影响了测量精度。反之，当磁场变化不明显时，其输出电压变化也相对较小，这种情况在电流变化较小时，其输出电压变化不明显，也易造成测量误差。
[0004]在电动汽车的应用过程中，当流过导线的电流变化在几百安培时，使用一个磁感应强度相关的磁芯及霍尔元件，其输出电压呈线性变化，即可反映出当前真实电流变化；当电动汽车处于静态工作时，主驱动器无输出，其工作电流变化在± 10?35A左右，此时，若使用前述的磁感应强度相关的磁芯及霍尔元件，由于其电流变化小，磁场变化不明显，当前的输出电压分辨率低，不能真实反映电流变化，在进行SOC统计时存在明显偏差，造成较大的电流累积误差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高精度电流传感器检测电路及其检测方法，实时检测动力电池系统的充放电电流，在不同的电流阶段，采用与之相匹配的高精度电流传感器进行检测，并通过状态检测及信号采样，得到较为精准的电流值，提高采样精度，降低电流累积误差。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]一种高精度电流传感器检测电路，包括组合磁电转换单元、正向阈值比较器、负向阈值比较器、或门电路、输出缓冲器、模拟开关和ADC转换器；所述组合磁电转换单元由具有较大量程的第一电流传感器和具有较小量程的第二电流传感器组成，所述第一电流传感器的输出端通过模拟开关的常开触点连接ADC转换器的输入端，所述第二电流传感器的输出端通过模拟开关的常闭触点连接ADC转换器的输入端；所述ADC转换器的输出端连接后级电路的输入端；
[0008]所述正向阈值比较器的同相输入端连接第二电流传感器的输出端，其反相输入端连接到第一参考电压，其输出端连接或门电路的输入端；所述负向阈值比较器的反相输入端连接第二电流传感器的输出端，其同相输入端连接到第二参考电压，其输出端连接或门电路的输入端；所述第一参考电压为第二电流传感器的正向最大限制电流对应的电压，所述第二参考电压为第二电流传感器的负向最大限制电流对应的电压；所述或门电路的输出端分别连接输出缓冲器的输入端和模拟开关的控制端，所述输出缓冲器的输出端连接后级电路的输入端。
[0009]所述的高精度电流传感器检测电路，所述第一电流传感器和第二电流传感器固定在同一个封装内，所述第一电流传感器的量程为-600A?+600A，所述第二电流传感器的量程为-60A?+60A。
[0010]所述的高精度电流传感器检测电路，所述第一电流传感器和第二电流传感器均选用霍尔电流传感器。
[0011]所述的高精度电流传感器检测电路，所述模拟开关选用ADG849型单刀双掷模拟开关。
[0012]所述的一种高精度电流传感器检测电路的检测方法，包括以下步骤:
[0013](I)当流过导线的电流介于第二电流传感器的正向最大限制电流与负向最大限制电流之间时，正向阈值比较器和反向阈值比较器均无输出，或门电路无输出，输出缓冲器的输出为低电平，第二电流传感器的输出电压信号经模拟开关的常闭触点输入到ADC转换器，后级电路对经由ADC转换器处理后的电压信号进行采样，并根据输出缓冲器为低电平的状态，将采样电压换算成介于第二电流传感器的正向最大限制电流与负向最大限制电流之间的电流值；
[0014](2)当流过导线的电流大于第二电流传感器的正向最大限制电流或小于负向最大限制电流时，正向阈值比较器或负向阈值比较器输出高电平，或门电路输出高电平，输出缓冲器的输出为高电平，模拟开关的常闭触点断开、常开触点闭合，第一电流传感器的输出电压信号经模拟开关的常开触点输入到ADC转换器，后级电路对经由ADC转换器处理后的电压信号进行采样，并根据输出缓冲器为高电平的状态，将采样电压换算成介于第一电流传感器的量程内的电流值。
[0015]由上述技术方案可知，本发明将两个量程不同的电流传感器组合在一个固定的腔体内，封装成一个整体，每个电流传感器的测量范围有所侧重，第一电流传感器对大电流变化响应度较高，第二电流传感器对小电流响应度较高，当电流在小范围内变化时，第一电流传感器的磁场变换不明显，表现为电流几乎不变化，其输出电压变化也很小，而第二电流传感器能较好地响应这种磁场变化，其输出电压能较好地反映当前电流变化，而当电流超过第二电流传感器的量程时，由于磁芯接近饱和，电流已无变化，其输出电压也随之不变，而此时，第一电流传感器正处于最佳线性变化区域，能较好地反映电流变化，并转化为一个线性变化的电压信号。通过合理地选择电流变化值，将两个电流传感器组合到一起，并通过恰当的电路设计，对输出电压通道进行选择，对选取的通道电压进行采样，最终换算成当前的电流值，能较好地在大范围量程内实现精确电流测量。
[0016]本发明具有测量范围广、响应速度快、测量精度高、线性度和动态性能好、工作频带宽、可靠性高、过载能力强等优点，可测量任意波形的电流、瞬态峰值电流以及具有较宽频率变化范围的信号，可广泛应用于各种需要检测电流变化的应用环境及测控领域中。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的结构示意框图；
[0018]图2是本发明的电路结构示意图；
[0019]图3是霍尔电流传感器(大量程)电流-电压变化示意图；
[0020]图4是霍尔电流传感器(小量程)电流-电压变化示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
[0022]如图1、图2所示，一种高精度电流传感器检测电路，用于检测电动汽车动力电池系统的充放电电流，包括组合磁电转换单兀1、正向阈值比较器2、负向阈值比较器3、或门电路4、输出缓冲器5、单刀双掷模拟开关6和ADC转换器7。组合磁电转换单兀I由具有较大量程的第一霍尔电流传感器11和具有较小量程的第二霍尔电流传感器12组成。单刀双掷模拟开关6选用ADG849型模拟开关。
[0023]第一霍尔电流传感器11的输出端连接单刀双掷模拟开关6的常开触点，第二霍尔电流传感器12的输出端连接单刀双掷模拟开关6的常闭触点，第二霍尔电流传感器12的输出端还分别连接正向阈值比较器2的同相输入端、负向阈值比较器3的反相输入端。正向阈值比较器2的反相输入端连接到第一参考电压，负向阈值比较器3的同相输入端连接至IJ第二参考电压，正向阈值比较器2的输出端和负向阈值比较器3的输出端连接到或门电路4的输入端，或门电路4的输出端分别连接到输出缓冲器5的输入端和单刀双掷模拟开关6的控制端，输出缓冲器5的使能端接地，单刀双掷模拟开关6的输出端连接ADC转换器7的输入端，输出缓冲器5的输出端和ADC转换器7的输出端通过SPI接口连接到微处理器。
[0024]如图3所示，第一霍尔电流传感器11的测量范围为-600A?+600A，当流过导线的电流在-600A?+600A之间变化时，其输出电压在DC0.25V?DC4.75V之间线性变化:当电流为O时，第一霍尔电流传感器11周边的磁场强度为0，其输出电压对应为供电电源电压5V的1/2，即DC2.5V ;电流变化范围为O?+600A时，对应电压变化为2.5V?4.75V,电流大于+600A时，电压不再增加；电流变化范围为-600A?O时，对应电压变化为0.25V?
2.5V，电流小于-600A时，电压不再减小。
[0025]如图4所示，第二霍尔电流传感器12的测量范围为-60A?+60A，当流过导线的电流在-60A?+60A之间变化时，其输出电压在DC0.25V?DC4.75V之间线性变化:当电流为O时，第一霍尔电流传感器11周边的磁场强度为0，其输出电压对应为供电电源电压5V的1/2，即DC2.5V ;电流变化范围为O?+60A时，对应电压变化为2.5V?4.75V，电流大于+60A时，电压不再增加；电流变化范围为-60A?O时，对应电压变化为0.25V?2.5V，电流小于-60A时，电压不再减小。
[0026]正向阈值比较器2和负向阈值比较器3均为电压比较器电路，其中，连接到正向阈值比较器2的反相输入端的第一参考电压为正向最大电流限制电压，假定将正向最大电流限制为55A，其对应的电压为4.5625V，为了便于电压调节，将该电压值设为4.5V，对应的限制电流为53.33A，当正向电流大于此值时，正向阈值比较器2输出一个高电平信号；连接到负向阈值比较器3的同相输入端的第二参考电压为负向最大电流限制电压，假定将负向最大电流限制为-55A，其对应的电压为0.4375V，为了便于电压调节，将该电压值设为0.5V,对应的限制电流为-53.33A，当负向电流小于此值时，负向阈值比较器3输出一个高电平信号。
[0027]当流过导线的电流介于-53.33A?+53.33A时，第二霍尔电流传感器12的输出电压在0.5V?4.5V之间线性变化，该电压加载到正向阈值比较器2的同相输入端和负向阈值比较器3的反相输入端时，根据比较器的性质，正向阈值比较器2和负向阈值比较器3均无输出，或门电路4无输出，从而输出缓冲器5输出为低电平，此时，第二霍尔电流传感器12的输出电压信号经单刀双掷模拟开关6的常闭触点进入单刀双掷模拟开关6，并经过单刀双掷模拟开关6进入到ADC转换器7，ADC转换器7将经其转换的第二霍尔电流传感器12的输出电压信号通过SPI接口送入微处理器进行处理，微处理器根据输出缓冲器5为低电平的状态，将接收到的电压信号换算成-53.33A?+53.33A之间的电流值。
[0028]当流过导线的电流大于+53.33A或小于-53.33A时，第二霍尔电流传感器12的输出电压大于4.5V或小于0.5V,此时,第二霍尔电流传感器12的磁场强度接近于饱和,米样电流偏差较大。当正向电流大于+53.33A时，正向阈值比较器2输出一个高电平，当负向电流小于-53.33A时，负向阈值比较器3输出一个高电平，该电平信号送入或门电路4,或门电路4输出一个高电平信号，作为单刀双掷模拟开关6的切换控制信号，使得单刀双掷模拟开关6实现通道切换，与第一霍尔电流传感器11连接的常开触点闭合，与第二霍尔电流传感器12连接的常闭触点断开，同时输出缓冲器5的输出为高电平，此时，第一霍尔电流传感器11的输出电压信号经单刀双掷模拟开关6的常开触点进入单刀双掷模拟开关6，并经过单刀双掷模拟开关6进入到ADC转换器7，ADC转换器7将经其转换的第一霍尔电流传感器12的输出电压信号通过SPI接口送入微处理器进行处理，微处理器根据输出缓冲器5为高电平的状态，将接收到的电压信号换算成-600A?+600A之间的电流值。
[0029]以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高精度电流传感器检测电路，其特征在于:包括组合磁电转换单元、正向阈值比较器、负向阈值比较器、或门电路、输出缓冲器、模拟开关和ADC转换器；所述组合磁电转换单元由具有较大量程的第一电流传感器和具有较小量程的第二电流传感器组成，所述第一电流传感器的输出端通过模拟开关的常开触点连接ADC转换器的输入端，所述第二电流传感器的输出端通过模拟开关的常闭触点连接ADC转换器的输入端；所述ADC转换器的输出端连接后级电路的输入端； 所述正向阈值比较器的同相输入端连接第二电流传感器的输出端，其反相输入端连接到第一参考电压，其输出端连接或门电路的输入端；所述负向阈值比较器的反相输入端连接第二电流传感器的输出端，其同相输入端连接到第二参考电压，其输出端连接或门电路的输入端；所述第一参考电压为第二电流传感器的正向最大限制电流对应的电压，所述第二参考电压为第二电流传感器的负向最大限制电流对应的电压；所述或门电路的输出端分别连接输出缓冲器的输入端和模拟开关的控制端，所述输出缓冲器的输出端连接后级电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的高精度电流传感器检测电路，其特征在于:所述第一电流传感器和第二电流传感器固定在同一个封装内，所述第一电流传感器的量程为-600A?+600A，所述第二电流传感器的量程为-60A?+60A。
3.根据权利要求1所述的高精度电流传感器检测电路，其特征在于:所述第一电流传感器和第二电流传感器均选用霍尔电流传感器。
4.根据权利要求1所述的高精度电流传感器检测电路，其特征在于:所述模拟开关选用ADG849型单刀双掷模拟开关。
5.根据权利要求1?4任一项所述的一种高精度电流传感器检测电路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)当流过导线的电流介于第二电流传感器的正向最大限制电流与负向最大限制电流之间时，正向阈值比较器和反向阈值比较器均无输出，或门电路无输出，输出缓冲器的输出为低电平，第二电流传感器的输出电压信号经模拟开关的常闭触点输入到ADC转换器，后级电路对经由ADC转换器处理后的电压信号进行采样，并根据输出缓冲器为低电平的状态，将采样电压换算成介于第二电流传感器的正向最大限制电流与负向最大限制电流之间的电流值； (2)当流过导线的电流大于第二电流传感器的正向最大限制电流或小于负向最大限制电流时，正向阈值比较器或负向阈值比较器输出高电平，或门电路输出高电平，输出缓冲器的输出为高电平，模拟开关的常闭触点断开、常开触点闭合，第一电流传感器的输出电压信号经模拟开关的常开触点输入到ADC转换器，后级电路对经由ADC转换器处理后的电压信号进行采样，并根据输出缓冲器为高电平的状态，将采样电压换算成介于第一电流传感器的量程内的电流值。
【文档编号】G01R19/25GK104237623SQ201410521569
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】徐青, 吴嘉熙 申请人:武汉弈飞科技有限公司