CN112659923A - 用于控制电流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于控制电流的设备和方法。根据本发明的用于控制电流的设备包括：用于生产脉冲宽度调制(PWM)信号的PWM信号生成单元；第一开关单元，所述第一开关单元与PWM信号生成单元连接，并且被配置为接收PWM信号并且生成与PWM信号对应的开关控制信号；第二开关单元，所述第二开关单元与所述第一开关单元连接，并且被配置为接收开关控制信号并且根据所述开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动；和电流减小单元，所述电流减小单元与第二开关单元连接，并且被配置为减小通过第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给电池。

Description

用于控制电流的设备和方法
本申请是于2016年10月20日进入中国国家阶段的、PCT申请号为PCT/KR2015/011211、国际申请日为2015年10月22日、中国申请号为201580020689.7、发明名称为“用于控制电流的设备和方法”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0143654的优先权，其全部内容通过应用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于控制电流的设备和方法，并且更具体地，涉及如下的用于控制电流的设备和方法：生成脉冲宽度调制(PWM)信号，通过与PWM信号对应的开关控制信号控制P通道场效应晶体管(FET)，减小通过P通道FET的电流的电流值，并且将具有减小的电流值的电流提供给电池，由此控制电流使得大量的电流不突然地从整流器流向电池，并且因此防止电池故障等问题。
背景技术
根据产品组和电气特性，具有诸如高能量密度的高应用易用性的二次电池已经被广泛地应用于由电驱动源驱动的电动车辆(EV)、混合动力车辆(HV)等或用于家庭或工业和便携设备的、使用中型或大型电池的能量储存***(ESS)、不间断电源***(UPS)等。
作为环境友好并且由于能够创新性地减少化石燃料的使用，这是其主要优点，同时在使用能源时不生成副产品从而提升能量效率的新能源，二次电池吸引了关注。
应用于EV或能量储存源的电池通常以这样的形式使用，其中多个单元二次电池单元被组合，从而提升对高容量环境的适用性，然而，其基本不应用于二次电池作为便携终端等的电池实现的情况中。
通常，用于给电池充电的电源是直流电流，并且通过电动机等生成和产生的电源是交流电流。相应地，为了给电池充电，将生成和产生的交流电源转换成直流电源是必要的，并且整流器执行该转换。也就是说，电池通过整流器接收充电所需要的电流。
在锂二次电池之前，在现有技术中的用于车辆等的铅蓄电池的情况中，铅蓄电池的内阻高并且因此在充电期间流进电池的电流的电流值不大，使得没有针对在电池中发生问题的考虑，并且因此不需要限制电流流进电池的电流控制功能。相应地，与现有技术中的铅蓄电池连接的整流器不具有电流控制功能。
与此相反，在用于EV等的近来的锂二次电池的情况中，锂二次电池的内阻低并且因此在充电期间流进电池的电流的电流值大，使得需要限制电流值的电流控制功能。
相应地，在期望用锂二次电池替代使用现有铅蓄电池的设备中的铅蓄电池的情况中，存在由于不存在电流控制功能因而造成不可能容易地替代铅蓄电池的问题。
此外，在由于高容量等的需要使用通过并联连接多个电池的多个电池设备中，整流器难以控制电流，使得需要单独地执行电流控制功能以便保护电池。
发明内容
技术问题
本发明为提供用于下述控制电流的设备和方法而作出，其生成脉冲宽度调制(PWM)信号、通过与PWM信号对应的开关控制信号控制P通道场效应晶体管(FET)，减小通过P通道FET的电流的电流值，并且将具有减小的电流值的电流提供给电池，由此控制电流使得大量的电流不突然地从整流器流向电池，并且因此防止电池故障等问题。
技术解决方案
本发明的示例性实施例提供了一种用于控制电流的设备，包括：
脉冲宽度调制(PWM)信号生成单元，所述PWM信号生成单元被配置为生成PWM信号；第一开关单元，所述第一开关单元与PWM信号生成单元连接，并且被配置为接收PWM信号并且生成与PWM信号对应的开关控制信号；第二开关单元，所述第二开关单元与第一开关单元连接，并且被配置为接收开关控制信号并且根据开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动；以及电流减小单元，所述电流减小单元与第二开关单元连接，并且被配置为减小通过第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给电池。
设备可以进一步包括：电池电压测量单元，所述电池电压测量单元被配置为测量电池的电压，和整流器电压测量单元，所述整流器电压测量单元被配置为测量整流器的电压，其中当整流器的电压高于电池的电压时，PWM信号生成单元可以传输PWM信号。
设备可以进一步包括电流测量单元，所述电流测量单元被配置为测量通过电流减小单元并且流进电池中的电流，其中PWM信号生成单元可以在测量的电流值等于或大于预定的电流值时减小PWM信号的脉冲宽度，并且当测量的电流值小于预定的电流值时增大PWM信号的脉冲宽度。
设备可以进一步包括温度测量单元，所述温度测量单元被配置为测量第二开关单元的温度，其中PWM信号生成单元可以在测量的温度高于预定的温度时减小PWM信号的脉冲宽度。
第一开关单元可以包括NPN型晶体管。
第二开关单元可以包括P通道场效应晶体管(FET)。
电流减小单元可以是降压转换器，该降压转换器去除通过第二开关单元的电流的波形的高频分量，并且输出电流的电流值的平均值作为电流值，在所述电流中高频分量被去除。
本发明的另一示例性实施例提供了一种控制电流的方法，包括：通过脉冲宽度调制(PWM)信号生成单元生成PWM信号；通过与PWM信号生成单元连接的第一开关单元接收PWM信号并且生成与PWM信号对应的开关控制信号；通过与第一开关单元连接的第二开关单元接收开关控制信号并且根据开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动；以及通过与第二开关单元连接的电流减小单元减小通过第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给电池。
方法可以进一步包括：通过电池电压测量单元测量电池的电压；通过整流器电压测量单元测量整流器的电压；并且当整流器的电压高于电池的电压时，通过PWM信号生成单元传输PWM信号。
方法可以进一步包括：通过电流测量单元测量通过电流减小单元并且流进电池中的电流值；并且当测量的电流值等于或大于预定的电流值时，通过PWM信号生成单元减小PWM信号的脉冲宽度，并且当测量的电流值小于预定的电流值时，通过PWM信号生成单元增大PWM信号的脉冲宽度。
方法可以进一步包括：通过温度测量单元测量第二开关单元的温度；并且当测量的温度高于预定的温度时，通过PWM信号生成单元减小PWM信号的脉冲宽度。
第一开关单元可以包括NPN型晶体管。
第二开关单元可以包括P通道场效应晶体管(FET)。
电流减小单元可以是降压转换器，该降压转换器去除通过第二开关单元的电流的波形的高频分量，并且输出电流的电流值的平均值作为电流值，在所述电流中高频分量被去除。
有利效果
根据本发明的示例性实施例，能够提供如下的用于控制电流的设备和方法，其生成脉冲宽度调制(PWM)信号，通过与PWM信号对应的开关控制信号控制P通道场效应晶体管(FET)，减小通过P通道FET的电流的电流值，并且将具有减小的电流值的电流提供给电池，由此控制电流使得大量的电流不突然地从整流器流向电池，并且因此防止电池故障等问题。
附图说明
图1是示意性地图示能够应用根据本发明的示例性实施例的电流控制设备的电动车辆的图。
图2是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电流控制设备的视图。
图3是图示根据本发明的示例性实施例的电流控制方法的流程图。
具体实施方式
将在下面参照附图详细地描述本发明。本文中，可能使本发明的目的不必要不明确的重复的描述、已知功能和构造的详细描述将被省略。提供本发明的示例性实施例使得本领域的技术人员可以更加完全地理解本发明。相应地，可以为了明确的理解而放大图中的元件的形状、尺寸等。
贯穿说明书和权利要求，除非有明确相反描述，词语“包括”和其变形将被理解为暗示包括所述元件但不排除任何其它元件。
此外，说明书中描述的术语“…单元”意指用于执行至少一个功能和操作并且可以通过硬件组件或软件组件以及其组合实施的单元。
图1是示意性地图示能够应用根据本发明的示例性实施例的电流控制设备的电动车辆的图。
图1图示这样的示例，其中根据本发明的示例性实施例的电流控制设备被应用于电动车辆1，但是除了应用于电动车辆以外，根据本发明的示例性实施例的电流控制设备能够应用于任何技术领域，诸如二次电池能够被应用的、用于家庭或工业的能量储存***(ESS)或不间断电源(UPS)***。
电动车辆1可以包括电池10、电池管理***(BMS)20、电子控制单元(ECU)30、逆变器40和电动机50。
电池10是用于通过将驱动力提供至电动机50驱动电动车辆1的电能源。电池10可以通过逆变器40根据电动机50或内燃机(未图示出)的驱动进行充电或者放电。
这里，电池10的类型没有特别的限定，并且电池10的示例可以包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池等。
此外，电池10可以形成电池组，其中多个电池单元串联和/或并联地连接。此外，提供一个或多个电池组从而形成电池10。
根据本发明的BMS 20可以包括待在下面描述的电流控制设备100(见图2)，或可以连接到电流控制设备并且***作。BMS 20可以生成脉冲宽度调制(PWM)信号，通过与PWM信号对应的开关控制信号控制P通道场效应晶体管(FET)，减小通过P通道FET的电流的电流值，并且将具有减小的电流值的电流提供给电池10。
ECU 30是用于控制电动车辆1的状态的电子控制装置。例如，ECU30基于关于加速器、制动、速度等的信息确定转矩水平，并且控制电动机50的输出从而与转矩信息对应。
此外，ECU 30将控制信号传输到逆变器40使得电池10通过BMS20充电或放电。
逆变器40使电池10基于ECU 30的控制信号充电或放电。
电动机50通过使用电池10的电能基于从ECU30传输的控制信息(例如：转矩信息)驱动电动车辆1。
在下文中，将参照图2和图3详细地描述根据本发明的示例性实施例的电流控制设备和方法。
图2是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电流控制设备的视图。
参照图2，根据本发明的示例性实施例的电流控制设备100连接在电池10和整流器11之间，并且控制电流使得大量的电流不突然地从整流器11流到电池10，从而防止电池等的故障。
根据本发明的示例性实施例的电流控制设备100可以包括PWM信号生成单元110、第一开关单元120、第二开关单元130、电流减小单元140、电池电压测量单元150、整流器电压测量单元160、电流测量单元170和温度测量单元180。图2中图示的电流控制设备100是根据示例性实施例，并且电流控制设备100的构成元件不限于图2中图示的示例性实施例，并且可以根据需要增加、更改或者删减一些构成元件。
PWM信号生成单元110生成PWM信号。PWM信号是这样的信号，其中，脉冲幅度是均匀的，但是脉冲的宽度根据调制信号的幅度被改变和调制，并且当调制信号的幅度大时，脉冲的宽度增大，当调制信号的幅度小时，脉冲的宽度减小。在示例性实施例中，PWM信号生成单元110可以以包括在BMS 20中的微控制器单元(MCU)的形式加以实现。
第一开关单元120与PWM信号生成单元110连接，并且接收PWM信号并生成与PWM信号对应的开关控制信号。在示例性实施例中，第一开关单元120可以形成为包括NPN型晶体管121和两个电阻器122和123的晶体管开关，并且与包括通用NPN型晶体管的晶体管开关相同地进行操作。包括NPN型晶体管的晶体管开关的操作原理是众所周知的，因此将省略其详细的描述。
在第一开关单元120中，基极与PWM信号生成单元110连接，集电极与第二开关单元130连接，并且发射极与地连接。第一开关单元120接收来自PWM信号生成单元110的PWM信号，并且当PWM信号为高时，第一开关单元120变为导通状态，并且当PWM信号为低时，第一开关单元120变为截止状态。
第二开关单元130与第一开关单元120连接，并且接收开关控制信号以及根据开关控制信号连接或阻断从整流器11到电池10的电流流动。在示例性实施例中，第二开关单元130可以包括P通道FET 131、两个电阻器132和133和二极管134，并且两个电阻器132和133用作分配从整流器11施加的电力的电压，并且二极管134用作均匀地保持施加到P通道FET131的电压。在示例性实施例中，二极管134可以是齐纳二极管。
在第二开关单元130中，栅极与第一开关单元120连接，源极与整流器11连接，并且漏极与电流减小单元140连接。第二开关单元130接收来自第一开关单元120的开关控制信号，并且当PWM信号为高时，第一开关单元120变为导通状态，使得电压被施加到两个电阻器132和133。在电压被施加到P通道FET 131的栅极和源极的同时，LOW被作为开关控制信号输入到栅极中，并且P通道FET 131变为导通状态，并且相反，当PWM信号为低时，第一开关单元120变为截止状态，使得P通道FET 131也变为截止状态。
相应地，来自整流器11的电流以响应于PWM信号切换到高和低的脉冲的形式流动。
电流减小单元140与第二开关单元130连接，并且减小通过第二开关单元130的电流的电流值以及将具有减小的电流值的电流提供给电池10。在示例性实施例中，电流减小单元140可以是降压转换器，该降压转换器去除通过第二开关单元130的电流的波形的高频分量，并且输出电流的电流值的平均值作为电流值，在所述电流中高频分量被去除。在此情况中，电流减小单元140可以包括电感器141、电容器142和二极管143。
当以脉冲形式的从整流器11流动的电流为高时，电流流到电感器141，并且因此，能量在电感器141中积累并且电流增大且流到电容器142和电池10。此外，当以脉冲形式的从整流器11流动的电流为低时，二极管143使为电感器141中积累的能量的电感器电流流到电容器142和电池10。在此情况中，电感器电流减小直至以脉冲形式的从整流器11流动的电流再次变为高。
也就是说，由电感器141、电容器142和二极管143形成的电流减小单元140使以脉冲形式的从整流器11流动的电流变平滑并且将变平滑的电流作为直流电流输出。在此情况中，从电流减小单元140输出的电流的电流值小于整流器11的电流值。
电池电压测量单元150测量电池10的电压，并且整流器电压测量单元160测量整流器11的电压。在示例性实施例中，当整流器电压测量单元160测量的整流器11的电压高于电池电压测量单元150测量的电池10的电压时，PWM信号生成单元110可以通过传输PWM信号开始给电池10充电。
电流测量单元170测量通过电流减小单元140并且流进电池10中的电流值。在示例性实施例中，当电流测量单元170测量的电流值等于或大于预定的电流值时，PWM信号生成单元110可以减小PWM信号的脉冲宽度，并且当电流测量单元170测量的电流值小于预定的电流值时，PWM信号生成单元110可以增大PWM信号的脉冲宽度。也就是说，当流进电池10中的电流值等于或大于预定的电流值时，PWM信号生成单元110可以减小PWM信号的脉冲宽度并且减小流进电池10中的电流值，并且当流进电池10中的电流值小于预定的电流值时，PWM信号生成单元110可以增大PWM信号的脉冲宽度并且增大流进电池10中的电流值。
电流测量单元170可以通过测量流进电流减小单元140和电池10之间的电阻器171的电流测量流进电池10中的电流值。在此情况中，电阻器171可以为分流电阻器。
温度测量单元180测量第二开关单元130的温度。在示例性实施例中，PWM信号生成单元110可以在测量的温度高于预定的温度时减小PWM信号的脉冲宽度。也就是说，当第二开关单元的温度高于预定的温度时，使得担心在第二开关单元130的P通道FET 131中出现问题时，PWM信号生成单元110可以减小PWM信号的脉冲宽度并且减小P通道FET 131中流动的电流值。
图3是图示根据本发明的示例性实施例的电流控制方法的流程图。
可以通过参照图2描述的本发明的示例性实施例的电流控制设备执行根据本发明的示例性实施例的电流控制方法，并且为了避免重叠描述，参照图2描述的构成元件的详细描述将被应用于图2的描述并且被省略。
参照图3，当根据本发明的示例性实施例的电流控制方法开始时，首先，电池电压测量单元测量电池的电压(S201)，并且整流器电压测量单元测量整流器的电压(S202)。然后，确认整流器的电压是否高于电池的电压(S203)，并且当整流器的电压高于电池的电压时，PWM信号生成单元生成PWM信号以及传输生成的PWM信号(S204)，并且使得电池的充电开始。在示例性实施例中，PWM信号生成单元生成的PWM信号可以具有10％的脉冲宽度。
在操作S204中，当通过PWM信号生成单元生成并传输PWM信号时，与PWM信号生成单元连接的第一开关单元接收PWM信号并且生成与PWM信号对应的开关控制信号，与第一开关单元连接的第二开关单元接收开关控制信号并且根据开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动，并且与第二开关单元连接的电流减小单元减小穿过第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给电池从而给电池充电。
当在操作S203中，整流器的电压等于或低于电池的电压时，方法再次返回至操作S201并且测量电池的电压。
在操作S204中，当PWM信号生成并传输时，温度测量单元测量第二开关单元的温度(S205)。随后，确认测量的温度是否高于预定的温度(S206)，并且当测量的温度高于预定的温度时，确认整流器的电压是否仍然高于电池的电压(S207)，并且当整流器的电压仍然高于电池的电压时，PWM信号生成单元110减小PWM信号的脉冲宽度(S208)，并且继续电池的充电，并且当整流器的电压等于或低于电池的电压时，电池的充电被停止且根据本发明的示例性实施例的电流控制方法被终止。
在操作S206中，当测量的温度等于或低于预定的温度时，电流测量单元测量通过电流减小单元并且流进电池中的电流值(S209)。随后，确认测量的电流值是否小于预定的电流值(S210)，并且当测量的电流值等于或大于预定的电流值时，确认整流器的电压是否仍高于电池的电压(S207)，并且当整流器的电压仍高于电池的电压时，PWM信号的脉冲宽度减小(S208)，并且随后继续电池的充电。并且当整流器的电压等于或低于电池的电压时，电池的充电被停止且根据本发明的示例性实施例的电流控制方法被终止。
当操作S209中测量的电流值小于预定的电流值时，确认整流器的电压是否仍然高于电池的电压(S211)，并且当整流器的电压仍然高于电池的电压时，PWM信号的脉冲宽度增加(S212)，并且电池的充电继续，并且当整流器的电压等于或低于电池的电压时，电池的充电被停止并且根据本发明的示例性实施例的电流控制方法被终止。
已经参照附图中图示的流程图描述了前述电流控制方法。为了简化描述，方法在一系列的方框和描述中图示，但是本发明不被限制于方框的顺序，并且可以以与本说明书中图示以及描述的其它方框的次序不同的次序或在同时执行一些方框，并且可以进行实现相同或相似的结果的各种分支，流动路径和方框顺序。此外，可能不需要用于执行本说明书中描述的方法的图示的所有方框。
在上述内容中，已经图示和描述了本发明的具体的示例性实施例，但是本发明的技术精神不被附图和描述的内容所限制对于本领域技术人员是明显的，并且可以在不偏离本发明的范围和精神的前提下以各种形式修改，并且认为修改在不偏离本发明的精神的前提下从属于本发明S的权利要求。

Claims (12)

1.一种用于控制电流的设备，包括：
脉冲宽度调制(PWM)信号生成单元，所述PWM信号生成单元被配置为生成PWM信号；
第一开关单元，所述第一开关单元与所述PWM信号生成单元连接，并且被配置为接收所述PWM信号并且生成与所述PWM信号对应的开关控制信号；
第二开关单元，所述第二开关单元与所述第一开关单元连接，并且被配置为接收所述开关控制信号并且根据所述开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动；以及
电流减小单元，所述电流减小单元与所述第二开关单元连接，并且被配置为减小通过所述第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给所述电池，
其中所述第二开关单元包括P通道场效应晶体管(FET)和两个电阻器，在所述第二开关单元中，栅极与所述第一开关单元连接，源极与所述整流器连接，并且漏极与所述电流减小单元连接，并且当所述PWM信号为高时，所述第一开关单元变为导通状态，使得电压被施加到所述两个电阻器，在电压被施加到所述P通道FET的所述栅极和所述源极的同时，LOW被作为所述开关控制信号输入到所述栅极中，并且所述P通道FET变为导通状态，并且当所述PWM信号为低时，所述第一开关单元变为截止状态，使得所述P通道FET也变为截止状态。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
电池电压测量单元，所述电池电压测量单元被配置为测量所述电池的电压；以及
整流器电压测量单元，所述整流器电压测量单元被配置为测量所述整流器的电压，
其中当所述整流器的电压高于所述电池的电压时，所述PWM信号生成单元传输所述PWM信号。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
电流测量单元，所述电流测量单元被配置为测量通过所述电流减小单元并且流进所述电池中的电流值
其中当所测量的电流值等于或大于预定的电流值时，所述PWM信号生成单元减小所述PWM信号的脉冲宽度，并且当所测量的电流值小于所述预定的电流值时，所述PWM信号生成单元增大所述PWM信号的脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
温度测量单元，所述温度测量单元被配置为测量所述第二开关单元的温度，
其中当所测量的温度高于预定的温度时，所述PWM信号生成单元减小所述PWM信号的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一开关单元包括NPN型晶体管。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电流减小单元是降压转换器，所述降压转换器去除通过所述第二开关单元的电流的波形的高频分量，并且输出所述电流的电流值的平均值作为电流值，在所述电流中所述高频分量被去除。
7.一种控制电流的方法，包括：
通过脉冲宽度调制(PWM)信号生成单元生成PWM信号；通过与所述PWM信号生成单元连接的第一开关单元接收所述PWM信号并且生成与所述PWM信号对应的开关控制信号；
通过与所述第一开关单元连接的第二开关单元接收所述开关控制信号并且根据所述开关控制信号连接或阻断从整流器到电池的电流流动；以及
通过与所述第二开关单元连接的电流减小单元减小通过所述第二开关单元的电流的电流值并且将具有减小的电流值的电流提供给所述电池，
其中所述第二开关单元包括P通道场效应晶体管(FET)和两个电阻器，在所述第二开关单元中，栅极与所述第一开关单元连接，源极与所述整流器连接，并且漏极与所述电流减小单元连接，并且当所述PWM信号为高时，所述第一开关单元变为导通状态，使得电压被施加到所述两个电阻器，在电压被施加到所述P通道FET的所述栅极和所述源极的同时，LOW被作为所述开关控制信号输入到所述栅极中，并且所述P通道FET变为导通状态，并且当所述PWM信号为低时，所述第一开关单元变为截止状态，使得所述P通道FET也变为截止状态。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
通过电池电压测量单元测量所述电池的电压；
通过整流器电压测量单元测量所述整流器的电压；以及
当所述整流器的电压高于所述电池的电压时，通过所述PWM信号生成单元传输所述PWM信号。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
通过电流测量单元测量通过所述电流减小单元并且流进所述电池中的电流值；以及
当所测量的电流值等于或大于预定的电流值时，通过所述PWM信号生成单元减小所述PWM信号的脉冲宽度，并且当测量的电流值小于预定的电流值时，通过所述PWM信号生成单元增大所述PWM信号的脉冲宽度。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
通过温度测量单元测量所述第二开关单元的温度；以及
当所测量的温度高于预定的温度时，通过所述PWM信号生成单元减小所述PWM信号的脉冲宽度。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一开关单元包括NPN型晶体管。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述电流减小单元是降压转换器，所述降压转换器去除通过所述第二开关单元的电流的波形的高频分量，并且输出所述电流的电流值的平均值作为电流值，在所述电流中所述高频分量被去除。
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