一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置及方法与流程

本发明属于电动汽车被动安全测试技术领域，尤其是涉及一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置及方法。

背景技术：

当电动汽车完成碰撞试验后，需要对其高压母线进行电安全测试。其中，整车负载端残余电能的测量为一个重要的考核指标。为了测量该值，可以通过以下方法来实现：

在已知整车标称电压和负载端等效电容的情况下，利用公式(1)来计算得出整车的残余电能。

式中：u1为整车标称电压，u2为安全电压，c为整车负载端等效电容。

公式中u1和u2为已知量，需要确定负载端等效电容c。由于该电容在整车电路中为一个等效电容值，在实际操作过程中难以确定。因此，该计算方法在实施上难以实现。

目前，国内还未有关于电动汽车碰撞后直流高压母线残余电能测试设备的相关文献。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置，以实现对电动汽车直流高压母线负载端残余电能的精确计算。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置，包括外壳，所述外壳设有控制面板，还包括设置在外壳内的电路板，所述电路板上集成有电子负载模块、电气隔离模块、主控模块、显示模块；

所述电子负载模块连接主控模块，用于根据输入电压调节负载电阻，并将电阻值反馈给主控模块；

所述电气隔离模块连接主控模块，用于将输入的高压电转换为低压信号，所述电气隔离模块还连接高压母线；

所述主控模块连接显示模块，用于将结果输出显示；

所述主控模块还连接控制面板。

进一步的，所述外壳上还设有

第一线缆：接电动汽车reess高压母线正极端；

第二线缆：接电动汽车reess高压母线负极端；

第三线缆：接电动汽车电底盘；

数据采集接口：与数据采集设备连接，用于记录碰撞后vb,v1,v2三个值；

5伏充电接口：用于给设备充电，供内部电路和显示屏使用；

断电指示灯：用于判断试验后高压电系统是否断电；

触发接口：残余电能测试触发开关，即碰撞0时刻信号。

进一步的，所述主控模块采用单片机主控模块，所述单片机主控模块采用16位单片机，内含ad模数转换模块，输入、输出控制模块，数据通讯模块和运算处理模块。

进一步的，所述电子负载模块采用mosfet器件，该器件用作控制短路测试电流的大小，根据短路电压的大小，自动调节短路电阻的大小。

进一步的，所述隔离模块采用光隔离放大器器件或电磁隔离放大器器件，实现对电子负载本身与控制电子负载的单片机之间的物理隔离。

相对于现有技术，本发明所述的一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置具有以下优势：

(1)本发明提供了一种针对具有试验后自动断电的电动汽车的安全测试设备，以实现对电动汽车直流高压母线负载端残余电能的精确测量；

(2)本发明使用的放电电阻采用了安全隔离控制的动态可变电阻，残余电能的测量结果更符合实际情况，测量结果更加准确。

本发明的另一目的在于提出一种利用上述电动汽车直流高压母线残余电能装置测量的方法，通过测量残余电能测量装置内电子负载模块中的放电电阻两端的电压计算得到残余电能。

进一步的，计算公式如下

式中：u为放电电阻两端电压，t1为放电电阻接入时刻，t2为放电结束时刻，r为放电电阻。

进一步的，所述放电电阻为动态可变电阻。

本发明所述的利用上述电动汽车直流高压母线残余电能装置测量的方法与上述一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置的设备线路连接图；

图2为本发明实施例所述的控制面板的示意图；

图3为本发明实施例所述的单片机主控模块的电路结构图；

图4为本发明实施例所述的电子负载模块的电路结构图；

图5为本发明实施例所述的电子负载模块的核心部分电路结构图

图6为本发明实施例所述的电磁式的隔离器件的电路结构图；

图7为本发明实施例所述的光电方式隔离器件的电路结构图；

图8为本发明实施例所述的显示模块的电路结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明为解决对带有自动断电功能的电动汽车在完成碰撞试验后，可对其负载端残余电能进行自动测量，并根据gb/t31498-2015中给出的电能要求，自动判定测试车辆是否满足法规要求。

本发明提供一种电动汽车直流高压母线残余电能测量装置，该测量装置主要利用了动态电子负载放电积分电路，其特点在于单片机mcu对高压母线电压和短路电流进行实时检测，然后通过算法实时调整mosfet器件导通电阻的大小，以保证积分电路计算的精确性。另外，该装置可对测量得到的残余电能通过液晶显示屏实时显示。除此之外，还可根据使用的需求实现对积分放电测量起始时间点和结束时间点的控制。

装置主要由5部分组成，包括控制面板和接口部分、主控模块、电子负载模块、电气隔离模块和显示模块，面板和接口提供了驳接高压母线的安全接口，驳接数据采集系统的可靠接口，以及控制开关，指示灯和显示屏等用于人机交互的界面。使用者在面板上接线，操作和查看结果。电子负载模块负责电能测试中的短路操作和电流积分计算操作。电气隔离模块用于隔离测试车辆的高压系统和设备，保证操作者、仪器本身以及数据采集系统的安全。显示模块用于人机交互和测试结果的显示。主控模块是整个设备的核心，负责绝缘电阻测量和电流积分算法的实现，另外，通过接收各控制开关的信号来实现相应的控制策略。设备连接图如图1所示。

测量装置的控制面板如图2所示，各接口功能如下：

第一线缆：接电动汽车reess高压母线正极端。

第二线缆：接电动汽车reess高压母线负极端。

第三线缆：接电动汽车电底盘(车架)。

数采接口：与数采设备连接，用于记录碰撞后vb,v1,v2三个值。

5伏充电接口：用于给设备充电，供内部电路和显示屏使用。

断电指示灯：用于判断试验后高压电系统是否断电。

触发接口：残余电能测试触发开关，即碰撞0时刻信号。

操作和显示面板设计以安全，方便为设计宗旨。面板上可以对电动汽车高压母线的vb,v1和v2的值进行实时显示，便于操作人员的观察和记录。线缆的接口设计方面，也以安全和方便为设计宗旨。对于高压线缆的接口部分，采用了航空连接器，并具有防误触电和接口反接的设计。

图3为主控模块：单片机主控模块采用16位单片机，内含ad模数转换模块，输入、输出控制模块，数据通讯模块和运算处理模块。该模块利用单片机mcu实现对高压母线电压和短路电流进行实时检测，并通过算法实时调整mosfet器件导通电阻的大小。另外，实现对采样电流和采样电压的ad转换，以及对残余电能的积分运算。

图4为电子负载模块：该模块是一种可用于高电压大动态范围安全隔离控制的动态电子负载。电子负载由vds高达1000v的高压mosfet实现。通过单片机以隔离电压控制的方式实现动态控制其栅源vgs极间电压，从而实现对导通电阻大小的调整。电子负载模块采用mosfet器件，该器件用作控制短路测试电流的大小。根据短路电压的大小，自动调节短路电阻的大小。防止出现短路电流过大或过小的情况，从而提高测试结果的准确性。mosfet器件采用irf高压mos管irfpg42,该器件的最大工作电压为1000v。图5为电子负载模块核心部分电路图。vref接主控模块的da数模单元。

隔离模块采用光隔离放大器器件或电磁隔离放大器器件，实现对电子负载本身与控制电子负载的单片机之间的物理隔离。隔离模块在本设备中非常重要，一方面可以保证测试人员的安全，另一方面也可以保护其它模块和设备不会被高压损坏。设备中分别运用了电磁式的隔离器件ad201和光电方式的隔离器件avagoacpl-c870，直流高压经过电阻分压电路的分压后，由隔离器件传送到设备的其它模块，并在光隔离屏障的另一端产生正比于输入电压的差分输出电压，该电压值为数据采集系统提供信号。电磁隔离方式的特点是可调节的输入电压范围广，用于电子负载的控制端隔离。光电隔离方式的特点是器件的体积小，且抗干扰性强，用于高压分压的隔离端。图6和图7分别为电磁隔离器件和光电方式隔离器件avagoacpl-c870的结构图。

图8为显示模块：该模块可实现对高压母线电压vb、v1和v2的实时显示。另外，也可以显示残余电能的测试结果。显示模块由3块3位半带符号led红色显示屏，和一块128x64点阵的oled显示屏组成。led的红色显示屏用于对vb,v1和v2的实时显示。oled显示屏用于对计算结果的显示。3位半的led显示屏采用icl7107通过io驱动。128x64点阵的oled屏采用spi的方式驱动。

在测量过程中，电动汽车的高压母线和接地线通过面板上的航空插头接入设备，同时在面板上设计相应接口，便于兆欧表的测量。当电动汽车发生碰撞时，由触发开关连接设备，为测试设备的计算提供碰撞零时刻。高压电池包的正、负极和电底盘接入设备后，会经过以下3个部分。

一，利用精密电阻的分压和光电方式的安全隔离，获得1/500的vb,v1,v2的安全电压分量(vb为高压电池的正负极电压，v1为高压电池的负极端对电底盘电压，v2为高压电池的正极端对电底盘电压，以下简称vb,v1,v2)，实现对高压电系统的实时监测，并通过显示屏对3个电压值进行实时显示；

二，通过电子开关，连接到由单片机控制的电子负载模块上，当单片机接收到碰撞后的零时刻时，控制相关电路进行残余电能的积分放电测试；

三，通过电子开关的切换，在电路中接入一个已知电阻r，由单片机记录接入电阻r后的电压值，并利用量表法计算绝缘电阻。

当面板上的拨动开关为‘测量绝缘系数’，并按下测试按钮时，设备会自动将已知电阻r分别接入高压电池正极端与电平台(黄色指示灯亮)，高压电池负极端与电平台(绿色指示灯亮)。此时v1和v2会发生变化，分别得到v1’和v2’。得到相应的电压值后，设备会自动记录，并带入公式计算，并将绝缘电阻的测试结果显示到显示屏，此时的单位为ω/v。当面板上的拨动开关为‘测量电能’时，在发生碰撞后，设备会按照设置的要求，在到达规定的时间后，由单片机控制电子负载进行积分放电测试。最终，残余电能的测试结果会显示在显示屏上，单位为焦耳。在设备的整个测试和计算过程中，vb,v1和v2均通过显示屏实时显示。碰撞结束后，若电动汽车的高压电系统带有自动断电功能，为了测量车辆负载端的绝缘电阻，可以利用兆欧表通过面板上的接口，分别测量高压母线正、负极与电平台之间的绝缘阻值。

碰撞试验完成后，将该测量装置连接电动汽车高压母线，通过测量放电电阻两端的电压和放电电流，然后利用公式(1)来计算得出整车的残余电能。

式中：u为放电电阻两端电压，i为放电电流，t1为放电电阻接入时刻，t2为放电结束时刻。

通过公式换算，公式(1)可以等效为公式(2)。

由公式(2)可知，整车的残余电能可以通过测量放电电阻两端的电压来计算得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。