电流互感器标定用大电流发生装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种电流互感器标定用大电流发生装置及其控制方法，可广泛应用于电动汽车锂电池及电流互感器制造领域。

背景技术：

随着经济发展和人们对生存环境不断提高的要求，节能减排成为工业界必须面对的问题。根据全球碳排放调查统计，汽车尾气排放的二氧化碳为24％，仅次于传统能源加工和再利用的排放量。而在汽车产业中，传统燃油汽车的尾气排放是最重要的污染源之一。与高污染、高能耗的燃油汽车相比，电动汽车依靠电力驱动，噪声低能效高，无污染物排出，在节能、环保和清洁等方面具有明显的优势，因此，电动汽车的发展近来备受关注，它的大规模应用被视为缓解能源紧缺和大气环境污染以及促进低碳经济实现的最有效方式之一，以其为代表的新能源汽车是未来汽车产业发展的必然趋势。

目前大功率动力电池管理系统理论研究许多工程师缺乏经验，常常片面地将消费电子产品中的“单体电池”的管理技术或将电动自行车中的“小电池组”管理技术平移到“大功率动力电池组”中。近两年来，越来越多的学者和工程师关注大功率动力电池组的一些典型问题，人们更多地将电池组作为一个整体来研究，更多地关注电池的不一致性及其产生的原因，并注意到在大功率电池组中因为热力场分布的不均匀而增加了电池管理难度。针对“大功率动力电池组”衍生了一系列的专业技术，如：电池组的热力学建模与热管理技术、高压绝缘自诊断技术及预充电电路技术等。

当前在汽车行业，发展电动汽车实现动力系统的电气化，推动传统汽车产业的创新、转型，在国际上已经形成了广泛共识。随着电动汽车(ev)的技术研究的深入，汽车变得“越来越电”，再加上商业化和军事化的应用、日益增加的满载电力系统，使得汽车上电力系统的管理势在必行，动态预测汽车内部功率流和能量存储子系统的精确优化控制，从而提出了汽车功率和能量管理的研究方向。电池管理系统通过检测电池的电压、充放电电流和电池组温度来估测电池的剩余容量(soc)，控制电池充放电均衡，并对电池组进行热控制管理和与车载监控系统、充电机进行can通讯，实现协调控制和优化充电，保障电池安全和延长电池寿命。在电池管理系统众多功能中，以剩余容量估计、均衡控制和热控制管理最为核心。剩余容量是判断电池“过充”和“过放”等一系列故障的基础，它的确定是电池管理系统的重点。同时由于剩余容量在电池使用过程中表现为高度的非线性，准确估计剩余容量与采集电流的准确性有直接关系，由于剩余容量通常采用电流积分法进行估算的，电流积分的准确性与电流检测精度密切相关，电流检测通常用电流互感器来实现检测，因此，为了准确估算剩余容量，测量电池充放电电流的电流互感器精度要高，而在充放电电池管理系统中剩余容量估算所选用的电流互感器测量电流的精度是否满足测量精度的要求，目前市场还没有能够提供可以正反方向可调，且电流大小可调的高精度可变电流源，为电流互感器测量精度标定提供标准信号源，为此本发明提出电流互感器标定用大电流发生装置及其控制方法，为选用满足电池管理剩余容量估算精度要求的电流互感器提供重要的检测手段，进而更好地解决电池剩余容量电流的精确计算问题。

目前，大电流发生器只能产生单向电流，且精度较低，无法作为电流互感器测量精度的标定试验时标准信号源，而电动汽车目前正朝着环保节能方向发展，有些电动汽车已带有能量回收装置，即在汽车制动停车过程中可以将动能转化为电能，实现制动时给电池充电，这样动力电池电流的流动方向就存在正向工作电流流向和负向制动能量回收电流流向，所以，对于动力电池剩余容量的估算双向电流测量均要准确，才能获得准确剩余容量值。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种电流互感器标定用大电流发生装置及其控制方法，为电流传感器标定提供-1200a～+1200a正、反方向直流信号，精确度高，进而很好的解决电池剩余容量电流的精确计算问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征在于，包括主交流接触器、大电流发生器、整流及滤波电路、正向交流接触器、负向交流接触器、采样电阻、集中控制器；所述主交流接触器的输出端与所述大电流发生器的输入端连接；所述大电流发生器的输出端与所述整流及滤波电路的输入端连接；所述整流及滤波电路的输出端分别与所述正向交流接触器和负向交流接触器的输入端连接；所述正向交流接触器和负向交流接触器的输出端均与所述采样电阻连接；所述采样电阻的输出端与所述集中控制器的输入端连接；所述集中控制器的输出端分别与主交流接触器、大电流发生器、正向交流接触器和负向交流接触器的控制端连接。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是，所述集中控制器包括电压采集电路、电源、通信接口电路、报警器、温度传感器、微处理器、触摸屏、主电源控制驱动电路、主电源控制电路、正向电流控制驱动电路、正向电流控制电路、负向电流控制驱动电路、负向电流控制电路、伺服电机驱动电路；所述电压采集电路的输入端与采样电阻的输出端连接；电压采集电路的输出端与微处理器的a/d端连接；触摸屏与微处理器的i/o口连接；电源输出端与微处理器的电源端连接；通信接口电路与微处理器的通信接口端连接；报警器与微处理器i/o口连接；

主电源控制驱动电路、正向电流控制驱动电路和负向电流控制驱动电路的输入端分别与微处理器的i/o口连接；主电源控制驱动电路的输出端与主电源控制电路的输入端连接；主电源控制电路的输出端与主交流接触器的控制端连接；正向电流控制驱动电路的输出端与正向电流控制电路的输入端连接，正向电流控制电路的输出端与正向交流接触器的控制端连接；负向电流控制驱动电路的输出端与负向电流控制电路的输入端连接，负向电流控制电路的输出端与负向交流接触器的控制端连接；温度传感器的输出端与微处理器a/d端连接；伺服电机驱动电路的输入端与微处理器的i/o口连接，伺服电机驱动电路的输出端与大电流发生器连接，用于驱动大电流发生器中的自耦变压器伺服电机自动调压电路工作。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：所述大电流发生器包括自耦变压器伺服电机自动调压电路、升流变压器；自耦变压器伺服电机自动调压电路的输入端与主交流接触器的输出端连接，自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出端与升流变压器的输入端连接，升流变压器的输出端与整流及滤波电路连接。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：升流变压器的输出线圈为1匝，升流变压器功率为10kw。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：所述整流及滤波电路包括整流桥和平波电抗器，平波电抗器的输入端与整流桥的输出端连接，用于抑制电流的波动；所述整流桥采用四只额定电流2500a及以上的可控硅组成的桥式整流电流。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：所述正向交流接触器和负向交流接触器均采用额定电流2500a及以上的交流接触器，且接触器触点接触电阻小于1mω。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：所述采样电阻为阻值为40μω的精密电阻，连接采样电阻、被测电流互感器的输出回路电阻限制在2.5mω及以下，最大输出交流电流值达2000a。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置，其特征是：所述触摸屏用于设置并显示人为设定的电流值和电流方向，当电流超限时报警电路报警，提示输入电流值有误；所述触摸屏同时用于显示温度传感器测到的温度值，当温度超限时报警电路报警。

一种电流互感器标定用大电流发生装置控制方法，其特征是：

使用时将被测电流互感器串接到采样电阻回路中；

当手动设定电流互感器标定用电流值和电流方向时，步骤包括：

1)通过触摸屏设定某一电流值和电流方向，电流值设定范围为-1200a～1200a；当设定的电流值超限时，报警电路报警；测试工作开始，按下触摸屏开关键控制主交流接触器接通；

2)微处理器根据设定的电流值及电流方向利用伺服电机驱动电路来控制自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出电压大小，从而调节升流变压器输出的交流电流值，交流电流经过整流及滤波电路变为直流电流，直流电流经过正向或负向交流接触器控制输出正向或负向直流电流，正向或负向直流电流流过采样电阻和被测电流互感器，当直流电流流过采样电阻时，在采样电阻两端形成直流电压信号，采样电阻两端电压信号作为反馈信号送到集中控制器的电压采集电路；

3)微处理器采集到电压后判断采样电阻的直流电流大小，若高于或低于设定电流值，集中控制器控制自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出电压大小，调节升流变压器输出的交流电流值大小，直至输出直流电流大小满足设定值及设定电流精度范围；若控制产生正向电流则微处理器通过正向电流控制电路控制正向交流接触器接通，同时通过负向电流控制电路控制负向交流接触器断开，则在采样电阻和被测电流互感器回路流过正向电流；若控制产生负向电流则微处理器通过正向电流控制电路控制正向交流接触器断开，同时通过负向电流控制电路控制负向交流接触器接通，则在采样电阻和被测电流互感器回路流过负向电流；

当自动控制时按照在微处理器中预定设定的流程进行工作，步骤包括：

首先，接通正向交流接触器产生正方向电流，电流由0按照时间间隔逐渐增加到1200a，然后，按照时间间隔自动减小到0，再将j1关闭接通负向交流接触器切换到反方向电流，电流由0按照时间间隔逐渐变化到1200a，最后，按照时间间隔变化到0，其中，电流变化时间间隔为1-100s之间任意设定的值，这样通过反复的电流变化可以检测电流互感器在正反向整个过程各个点的测量精度比对，检验电流互感器的测量精度；

切断主交流接触器，即可关闭大电流发生装置。

前述的一种电流互感器标定用大电流发生装置的控制方法，其特征是：所述电流精度范围为0.1‰。

本发明所达到的有益效果：

(1)采用集中控制器实现电流在-1200a与+1200a之间的连续可调；

(2)为电流传感器标定提供-1200a～+1200a直流信号和精确度达到了0.1‰；

(3)主回路连接点均接入温度传感器，监测连接点接触温度，系统更安全。

附图说明

图1为电流互感器标定用大电流发生装置原理结构图；

图2为集中控制器原理结构图；

图3为大电流发生器原理结构图；

图4自耦变压器伺服电机自动调压电路原理结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如附图1所示，一种电流互感器标定用大电流发生装置，包括主交流接触器、大电流发生器、整流及滤波电路、正向交流接触器j1、负向交流接触器j2、采样电阻、集中控制器；主交流接触器的输出端与大电流发生器的输入端连接；大电流发生器的输出端与整流及滤波电路的输入端连接；整流及滤波电路的输出端分别与正向交流接触器j1和负向交流接触器j2的输入端连接；正向交流接触器j1和负向交流接触器j2的输出端均与采样电阻连接；采样电阻的输出端与集中控制器的输入端连接；集中控制器的输出端分别与主交流接触器、大电流发生器、正向交流接触器j1和负向交流接触器j2的控制端连接。

如附图2所示，集中控制器包括电压采集电路、电源、通信接口电路、报警器、温度传感器、微处理器、触摸屏、主电源控制驱动电路、主电源控制电路、正向电流控制驱动电路、正向电流控制电路、负向电流控制驱动电路、负向电流控制电路、伺服电机驱动电路；

微处理器采用stm32单片机。

电压采集电路的输入端与采样电阻的输出端连接；电压采集电路的输出端与微处理器的a/d端连接；

触摸屏与微处理器的i/o口连接；

电源输出端与微处理器的电源端连接，用于为微处理器提供电源；

通信接口电路与微处理器的通信接口端连接，通信接口电路采用rs485通信模块，用于集中控制器与集中控制中心计算机通信，集中控制中心计算机用于远程控制电流互感器标定用大电流发生装置。

报警器与微处理器i/o口连接，用于当温度或人为设定的电流值超限时，报警；

主电源控制驱动电路、正向电流控制驱动电路和负向电流控制驱动电路的输入端分别与微处理器的i/o口连接；主电源控制驱动电路的输出端与主电源控制电路的输入端连接；主电源控制电路的输出端与主交流接触器的控制端连接，主电源控制电路用于控制主交流接触器的开断，包括三极管、限流电阻、二极管和12v中间继电器，三极管的基极与限流电阻串接后接到微处理器i/o口上，三极管的发射极接电源地，集电极接12v中间继电器线圈后接电源正极，二极管反向并联在12v中间继电器线圈两端。

正向电流控制驱动电路的输出端与正向电流控制电路的输入端连接，正向电流控制电路的输出端与正向交流接触器j1的控制端连接，正向电流控制电路用于控制正向交流接触器开断，包括三极管、限流电阻、二极管和12v中间继电器，三极管的基极与限流电阻串接后接到微处理器i/o口上，发射极接电源地，集电极接12v中间继电器线圈后接电源正极，二极管反向并联在12v中间继电器线圈两端。

负向电流控制驱动电路的输出端与负向电流控制电路的输入端连接，负向电流控制电路的输出端与负向交流接触器j2的控制端连接，负向电流控制电路用于控制负向交流接触器开断，包括三极管、限流电阻、二极管和12v中间继电器，三极管的基极与限流电阻串接后接到微处理器i/o口上，发射极接电源地，集电极接12v中间继电器线圈后接电源正极，二极管反向并联在12v中间继电器线圈两端。

温度传感器的输出端与微处理器a/d端连接，用于测量整流桥电流输入输出四个连接点接头处温度，防止接头连接松动产生较大接触电阻，发热烧断连接点。主回路连接点均接入温度传感器，监测连接点接触温度，系统更安全。

伺服电机驱动电路的输入端与微处理器的i/o口连接，伺服电机驱动电路的输出端与大电流发生器连接，用于驱动大电流发生器中的自耦变压器伺服电机自动调压电路工作。

如附图3所示，大电流发生器包括自耦变压器伺服电机自动调压电路、升流变压器；自耦变压器伺服电机自动调压电路的输入端与主交流接触器的输出端连接，自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出端与升流变压器的输入端连接，升流变压器的输出端与整流桥连接；伺服电机驱动电路的输出端与自耦变压器伺服电机的控制端连接。

如图4所示，自耦变压器伺服电机自动调压电路包括依次连接的伺服电机控制器1、伺服电机2、齿轮3、齿条4、滑块5、滑针6、自耦变压器7；伺服电机控制器2输出端与伺服电机1电源端连接，齿轮3安装在伺服电机1输出轴上，齿轮3在齿条4上滚动，滑块5固定在齿条4上，滑针6固定在滑块5上，滑针6为导电的金属材料，滑块5为非导电的非金属材料，齿轮3带动齿条4上下移动的同时也带动滑块5与齿条4一起上下移动，滑针6在自耦变压器7输出端线圈上滑动，改变自耦变压器7输出端抽头位置，实现输出电压的调节，伺服电机转动角度对应自耦变压器7相应的抽头位置；通过伺服电机结合滑针可以实现自耦变压器输出电压的连续可调及可控，这样才能通过集中控制器实现所需要的大电流的自动调节。

升流变压器用于产生0-2000a交流电流。

升流变压器的输出线圈为1匝，升流变压器功率为10kw，电流互感器标定时，将被测电流互感器与采样电阻串联连接在一个回路中，采样电阻及被测电流互感器的回路电阻限制在2.5mω及以下，最大输出交流电流值可达2000a。

整流及滤波电路包括整流桥和平波电抗器，平波电抗器的输入端与整流桥的输出端连接，用于抑制电流的波动。

整流桥采用4只额定电流2500a及以上的可控硅组成的桥式整流电流。

正向交流接触器j1和负向交流接触器j2均采用额定电流2500a及以上的交流接触器，且触点接触电阻小于1mω。

采样电阻为阻值为40μω的精密电阻。

触摸屏上可设置并显示人为设定的电流值(例如设定100a，就立刻显示100a)和电流方向(正方向或反方向)，当电流超限时报警电路报警，提示输入电流值有误；

触摸屏也可显示温度传感器测到的温度值，当温度超限时报警电路报警；

电流互感器标定试验时，将被测电流互感器与采样电阻一起串接在回路中，用于检测被测电流互感器的电流是否与大电流发生装置设定的标准电流保持一致，电流值精度误差为0.1‰。

如图4所示，电流互感器标定用大电流发生装置的控制方法为：

手动设定电流互感器标定用电流值和电流方向时，

1)通过触摸屏设定某一电流值和电流方向(正方向或者反方向)，电流值设定范围为-1200a～1200a；当设定的电流值超限时，报警电路报警；测试工作开始按下触摸屏开关键控制主交流接触器接通；

2)微处理器根据设定的电流值及电流方向利用伺服电机驱动电路来控制自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出电压大小，从而调节升流变压器输出的交流电流值，交流电流经过整流及滤波电路变为直流电流，直流电流经过正向或负向交流接触器控制输出正向或负向直流电流，正向或负向直流电流流过采样电阻和被测电流互感器，当直流电流流过采样电阻时，在采样电阻两端形成直流电压信号，采样电阻两端电压信号作为反馈信号送到集中控制器的电压采集电路；

3)微处理器采集到电压后判断采样电阻的直流电流大小，若高于或低于设定电流值，集中控制器控制自耦变压器伺服电机自动调压电路的输出电压大小，调节升流变压器输出的交流电流值大小，直至输出直流电流大小满足设定值及设定精度范围(0.1‰)；若控制产生正向电流则微处理器通过正向电流控制电路控制正向交流接触器j1接通，同时通过负向电流控制电路控制负向交流接触器j1断开，则在采样电阻和被测电流互感器回路流过正向电流；若控制产生负向电流则微处理器通过正向电流控制电路控制正向交流接触器j1断开，同时通过负向电流控制电路控制负向交流接触器j2接通，则在采样电阻和被测电流互感器回路流过负向电流。

自动控制时按照在微处理器中预定设定的流程进行工作：

首先，接通j1产生正方向电流，电流由0按照时间间隔逐渐增加到1200a，然后，按照时间间隔自动减小到0，再将j1关闭接通j2切换到反方向电流，电流由0按照时间间隔逐渐变化到1200a，最后，按照时间间隔变化到0，其中，电流变化时间间隔为1-100s之间任意设定的值，这样通过反复的电流变化可以检测电流互感器在正反向整个过程各个点的测量精度比对，检验电流互感器的测量精度。

切断主交流接触器，即可关闭大电流发生装置。

本发明采用集中控制器实现电流在-1200a与+1200a之间的连续可调；为电流传感器标定提供-1200a～+1200a直流信号和精确电流大小的参考信号；主回路所有连接点均接入温度传感器，监测连接点接触温度，系统更安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。