CN106443150A - 一种基于分流器的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子元器件设计，提供基于分流器的电流传感器，包括信号采集单元、信号调理单元和数据转换校正单元；信号采集单元包括分流器，用于通过分流器进行电流信号采集，并将采集到的原始电流信号传输至信号调理单元；信号调理单元用于将原始电流信号转换成目标电压信号后，输出至数据转换校正单元；数据转换校正单元用于将目标电压信号进行模数转换，将转换生成的电流数据进行校正，得到目标电流数据后输出至外部检测***。本发明提供的基于分流器的电流传感器，基于欧姆定理，其内部电路中不包含非线性器件，因为分流器具有非常好的线性度和精度，能够保证了电流检测的精准度，同时进行模数转换后输出数字信号至外部检测***，抗干扰性强。

Description

一种基于分流器的电流传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种基于分流器的电流传感器。

背景技术

目前，我国新能源汽车行业方兴未艾，为了保障车辆的行车安全，动力电池***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***的运行状态与SOC(State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量)预测至关重要。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，但是霍尔式电流传感器存在以下问题：①普通开环霍尔电流传感器精度偏低，受温度影响较大，测量反应时间不够快，频带宽度窄；②闭环霍尔传感器精度高但价格昂贵，过载能力差，体积较大，同时使用后期需要校准；③霍尔传感器体积大，安装不便，不符合目前小体积轻量化发展的要求；④无论是闭环霍尔传感器还是开环霍尔传感器大量程条件下测量小电流都会有比较大的误差，小电流采集不准；⑤发生磁饱和之后霍尔电流传感器不能起到正常的测量作用，同时容易引起传感器损坏；⑥电动汽车复杂的电磁环境容易干扰霍尔传感器的模拟输出，进而影响电流测量的精度。

新能源汽车近年来发展迅速，对于BMS(Battery Management System,电池管理***)的要求也越来越苛刻，电流检测作为BMS***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软件保护策略导致切断高压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于分流器的电流传感器，旨在提供一种电流测量精度高、抗干扰性强的电流传感器。

本发明是这样实现的，一种基于分流器的电流传感器，包括信号采集单元、信号调理单元和数据转换校正单元；

所述信号采集单元，包括分流器，用于通过所述分流器进行电流信号采集，并将采集到的原始电流信号传输至所述信号调理单元；

所述信号调理单元，用于将所述原始电流信号转换成目标电压信号后，输出至所述数据转换校正单元；

所述数据转换校正单元，用于将所述目标电压信号进行模数转换，将转换生成的电流数据进行校正，得到目标电流数据后输出至外部检测***。

进一步地，所述电流传感器还包括与所述数据转换校正单元相连接的配置单元；

所述配置单元，用于接收用户输入配置参数的操作，根据所述用户输入配置参数的操作生成不同的响应参数，还用于在检测到所述目标电流数据的电流参数超过所述响应参数时，生成一响应指令至外部检测***，以使外部检测***根据所述响应指令采取相关措施。

进一步地，所述配置单元包括：

开机自检模块，用于接收用户的开机自检指令，进行开机自检；

离线监测模块，用于接收用户的离线监测设置，将检测到的所述目标电流数据的电流参数通过网络传输至外部***，以使所述外部***根据所述电流参数实现对所述电流传感器的监测；

温度报警模块，用于接收用户的温度报警设置，当检测到温度超过用户设置的温度报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前温度超过预置的温度报警值；

过流报警模块，用于接收用户的过流报警设置，当检测到所述目标电流数据的电流参数超过用户设置的过流报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前电流超过预置的电流报警值；

自定义检测模块，用于接收用户的自定义设置，根据所述用户的自定义设置对所述目标电流数据进行检测。

进一步地，所述信号调理单元对所述原始电流信号进行差分放大和电压偏置运算，得到电压范围为正值的目标电压信号后，将所述目标电压信号传输至所述数据转换校正单元。

进一步地，所述信号调理单元对所述原始电流信号进行两级运放运算，得到电压范围为正值的目标电压信号后，将所述目标电压信号传输至所述数据转换校正单元。

进一步地，所述数据转换校正单元包括数据转换模块、温度采集模块和数据处理模块：

所述数据转换模块，用于将所述目标电压信号进行模数转换，生成数字电流数据并传输至所述数据处理模块；

所述温度采集模块，用于采集所述分流器的温度数据，并将采集到的所述温度数据传输至所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据所述分流器的线性参数对所述温度数据进行温度补偿，得到温度补偿数据，并根据所述温度补偿数据对所述数字电流数据进行处理及修正，得到所述目标电流数据后传输至外部检测***。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的基于分流器的电流传感器，基于欧姆定理，其内部电路中不包含非线性器件，因为分流器具有非常好的线性度和精度，能够保证了电流检测的精准度，同时进行模数转换后输出数字信号至外部检测***，抗干扰性强。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种基于分流器的电流传感器的结构示意图。

图2是本发明实施例二提供的一种基于分流器的电流传感器的结构示意图。

图3是本发明实施例三提供的配置单元的结构示意图。

图4是本发明实施例四提供的数据转换校正单元的结构示意图。

图5是本发明实施例五提供的一种基于分流器的电流传感器的详细结构示意图。

图6是本发明实施例六提供的一种基于分流器的电流传感器的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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解释本发明，并不用于限定本发明。

目前电动汽车上面广泛使用的霍尔式电流传感器由于其原理基于Hall Effect(霍尔效应)，需要使用到由高导磁材料做成的磁芯，而非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特性，所以电流(原边信号)以同样的趋势上升、下降时输出将会得到不同的结果。

对于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。

虽然目前也有BMS厂商、整车厂商使用分流器作为电流采集器件，但是大部分的基于分流器的电流传感器都是没有做温度补偿的，且都是模拟信号输出，很容易受到环境干扰，尤其是主控箱内部电磁环境更为复杂，干扰问题更加突出。

基于上述原理，本发明提供了如图1所示的一种基于分流器的电流传感器，包括信号采集单元1、信号调理单元2和数据转换校正单元3；

信号采集单元1，包括分流器，用于通过所述分流器进行电流信号采集，并将采集到的原始电流信号传输至信号调理单元2；

信号调理单元2，用于将所述原始电流信号转换成目标电压信号后，输出至数据转换校正单元3。具体地，信号调理单元3对所述原始电流信号进行差分放大和电压偏置运算，或同时进行两级运放运算，得到电压范围为正值的目标电压信号后，将所述目标电压信号传输至所述数据转换校正单元。

数据转换校正单元3，用于将所述目标电压信号进行模数转换，将转换生成的电流数据进行校正，得到目标电流数据后输出至外部检测***。

本实施例基于分流器的电流传感器，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。

进一步地，如图2所示，电流传感器还包括与数据转换校正单元3相连接的配置单元4；

配置单元4，用于接收用户输入配置参数的操作，根据所述用户输入配置参数的操作设置不同的响应参数，还用在检测到所述目标电流数据的电流参数超过所述响应参数时，生成一响应指令至外部检测***，以使外部检测***根据所述响应指令采取相关措施。

具体的，如图3所示，配置单元4包括：

开机自检模块41，用于接收用户的开机自检指令，进行开机自检；

离线监测模块42，用于接收用户的离线监测设置，将检测到的所述目标电流数据的电流参数通过网络传输至外部***，以使所述外部***根据所述电流参数实现对所述电流传感器的监测；

温度报警模块43，用于接收用户的温度报警设置，当检测到温度超过用户设置的温度报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前温度超过预置的温度报警值；

过流报警模块44，用于接收用户的过流报警设置，当检测到所述目标电流数据的电流参数超过用户设置的过流报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前电流超过预置的电流报警值；

自定义检测模块45，用于接收用户的自定义设置，根据所述用户的自定义设置对所述目标电流数据进行检测。

进一步地，图4示出了数据转换校正单元3的具体结构，包括数据转换模块31、温度采集模块32和数据处理模块33：

数据转换模块31，用于将所述目标电压信号进行模数转换，生成数字电流数据并传输至数据处理模块33；

温度采集模块32，用于采集所述分流器的温度数据，并将采集到的所述温度数据传输至数据处理模块33；

数据处理模块33，用于根据所述分流器的线性参数对所述温度数据进行温度补偿，得到温度补偿数据，并根据所述温度补偿数据对所述数字电流数据进行处理及修正，得到所述目标电流数据后传输至外部检测***。

下面通过图5对本发明进行进一步地阐述：

本发明的设计原理主要分四大部分，包括信息采集、信息调理、数据处理和应用配置，分流器的信号经采集输入之后，依次通过信号调理单元、数据转换校正单元。

第一部分和第二部分的电流信号的采集与信号调理电路，主要实现分流器输出电压的增益调节与偏置调节。电流流过分流器之后，根据欧姆定律分流器两端将产生电压，假设分流器电阻值为R，此时的电流为I，假设此时电流正向，分流器两端电压也为正，那么分流器两端的电压U_i为：

U_i＝IR；

当电流反向时，分流器两端的电压将为负值，即：

-U_i＝-IR；

一般为了兼顾功耗的问题，分流器的阻值都非常小，当流过电流时，分流器两端的电压也将非常小，当电流反向时，分流器两端的电压也将反向，成为负值；为了便于采集处理，则需要将分流器两端的电压放大到合适的电压范围，同时使用偏置电路将整个输出电压抬升至0V以上。假设分流器阻值为0.1mΩ，设计的分流器量程为±500A，则分流器的输出电压范围为±50mV，将该信号放大50倍，同时施加2.5V的电压偏置，就可以将原来的±50mV的电压范围转换为0～5V电压范围，本实施例中的信号调理单元，使得分流器上流过量程内的正负电流时始终能够得到一个正的电压输出。如图5中模块①所示。

较佳的，可以使用差分放大配合电压偏置得到正电压输出，同时也可以使用两级运放分别实现电压增益调节与电压偏置调节。

第三部分是数据转换与校正单元3，首先将经过调理后的输出电压经过模数转换(图2中模块②)并使用温度采集电路(图2中模块③)采集温度数据，由于分流器是线性器件，其阻值随温度的变化是可预知的且是确定的，根据数据编码部分的内置的算法对采集回来的电流进行温度补偿，将经过温度补偿后的电流数据进行处理与修正，得到修正后的电流数据。因为影响分流器采集信号的因素除了温度，还包括热电动势、分流器本身自己的制造偏差，例如常用的传感器用分流器精度大多数不到3％、长期稳定性系数λ等因素，这些系数中有些是可以通过数据统计出来并用于实际使用中的校正。

本实施例的第四部分是提供了用于方便用户设置应用配置与传输的配置单元4(图2中模块②)，该部分可以实现智能分流器(还是智能电流传感器)的开机自检、离线监测、温度报警、过流报警等应用层面的功能，也可用通过用户自由扩展相关功能。智能型电流传感器测量到的电流数据将从这部分电路以数字信号的方式发送至电流检测的上位机，如整车控制器、BMS等。图2中模块④是整个***的辅助供电部分。

应当理解的是，图5中各单元之间通过对应的引脚进行连接，如图5中的①通过引脚V_SHUNT与②中V_SHUNT引脚相连接，其余连接关系同理，略去不表。

本发明实施例提供的一种基于分流器的电流传感器的原理图如图6所示，为讲述方便，图中仅示出了部分模块。工作时，需要将电流传感器安装至动力电池回路中，同时将数字输出连接至电流信息接收端，即可完成电流信息的采集。

本实施例是基于分流器为主的电流测量，本实施例最大的优点是成本低廉，电流测量精度高，体积小，智能化程度高。通过数据线路传输电流数据，抗干扰能力强，模块自带离线检测功能，分流器离线将会被主控感知到，进而进行报警。本实施例使用分立器件将分流器信号的采集、处理与数字编码一同处理，使得分流器部分成为一个完整的智能模块，较优的，也可以使用集成式芯片完成以上功能；较佳的可以通过电流采集端设置电流阈值实现电流报警功能，同时较优的也可以通过智能分流器完成分流器及与分流器相连接的铜牌温度的检测，实现温度报警。数字编码在本实施例中泛指经过数据编码后(例如加密或者自定义数据打包方式)使用数字通信；例如使用CAN通信或者使用LIN通信传输这些经过加密与打包的电流信息。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分流器的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括信号采集单元、信号调理单元和数据转换校正单元；

所述信号采集单元，包括分流器，用于通过所述分流器进行电流信号采集，并将采集到的原始电流信号传输至所述信号调理单元；

所述信号调理单元，用于将所述原始电流信号转换成目标电压信号后，输出至所述数据转换校正单元；

所述数据转换校正单元，用于将所述目标电压信号进行模数转换，将转换生成的电流数据进行校正，得到目标电流数据后输出至外部检测***。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括与所述数据转换校正单元相连接的配置单元；

所述配置单元，用于接收用户输入配置参数的操作，根据所述用户输入配置参数的操作生成不同的响应参数，还用于在检测到所述目标电流数据的电流参数超过所述响应参数时，生成一响应指令至外部检测***，以使外部检测***根据所述响应指令采取相关措施。

3.如权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，所述配置单元包括：

开机自检模块，用于接收用户的开机自检指令，进行开机自检；

离线监测模块，用于接收用户的离线监测设置，将检测到的所述目标电流数据的电流参数通过网络传输至外部***，以使所述外部***根据所述电流参数实现对所述电流传感器的监测；

温度报警模块，用于接收用户的温度报警设置，当检测到温度超过用户设置的温度报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前温度超过预置的温度报警值；

过流报警模块，用于接收用户的过流报警设置，当检测到所述目标电流数据的电流参数超过用户设置的过流报警值时，生成报警信号，所述报警信号用以提示当前电流超过预置的电流报警值；

自定义检测模块，用于接收用户的自定义设置，根据所述用户的自定义设置对所述目标电流数据进行检测。

4.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述信号调理单元对所述原始电流信号进行差分放大和电压偏置运算，得到电压范围为正值的目标电压信号后，将所述目标电压信号传输至所述数据转换校正单元。

5.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述信号调理单元对所述原始电流信号进行两级运放运算，得到电压范围为正值的目标电压信号后，将所述目标电压信号传输至所述数据转换校正单元。

6.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述数据转换校正单元包括数据转换模块、温度采集模块和数据处理模块：

所述数据转换模块，用于将所述目标电压信号进行模数转换，生成数字电流数据并传输至所述数据处理模块；

所述温度采集模块，用于采集所述分流器的温度数据，并将采集到的所述温度数据传输至所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据所述分流器的线性参数对所述温度数据进行温度补偿，得到温度补偿数据，并根据所述温度补偿数据对所述数字电流数据进行处理及修正，得到所述目标电流数据后传输至外部检测***。