專利名稱：一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)，屬于測(cè)量控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)將電動(dòng)汽車及相關(guān)技術(shù)列為發(fā)展課題，有關(guān)成組電池維護(hù)設(shè)備的研究提上議事日程。電池廠家在對(duì)成組電池進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，需要對(duì)它們串聯(lián)的模塊進(jìn)行放電總電壓、放電總電流、放電功率、放電安時(shí)和放電瓦時(shí)的計(jì)量，從而作為對(duì)電池整體性能和使用狀況評(píng)估的依據(jù)。另一方面，作為電池的充電設(shè)備也需要測(cè)量充電總電壓、充電總電流、充電功率、充電安時(shí)和充電瓦時(shí)的參數(shù)，作為充電控制策略的反饋量或者工控機(jī)以及上位機(jī)顯示的內(nèi)容。目前傳統(tǒng)的成組電池測(cè)試設(shè)備普遍面臨總電壓、總電流測(cè)量不同步，造成測(cè)量數(shù)據(jù)不一致的缺陷和問題，從而根據(jù)電壓、電流計(jì)算功率和瓦時(shí)的數(shù)據(jù)無法真實(shí)反應(yīng)電池組的實(shí)際狀態(tài)；另一方面，由于成組電池串聯(lián)的數(shù)量變化范圍很大，造成需要測(cè)量的總電壓波動(dòng)范圍寬(0V-1000V)，而現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備在寬電壓范圍內(nèi)很難達(dá)到全量程范圍內(nèi)高精度的指標(biāo)，甚至不滿足寬電壓范圍測(cè)量的需求；此外，由于涉及到高壓、大電流的場(chǎng)合都要進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，常規(guī)的采樣電路和控制電路的電氣隔離設(shè)計(jì)復(fù)雜，環(huán)節(jié)眾多，影響了測(cè)量的線性度，破壞了既有AD芯片的測(cè)量精度。例如，現(xiàn)有測(cè)量成組電池或者其它直流功率計(jì)量技術(shù)有兩類:一類是使用專門計(jì)量芯片，比如CS5460等完成電壓、電流的采集，同時(shí)內(nèi)部計(jì)算安時(shí)和瓦時(shí)；另一類是常規(guī)方案，使用兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成電壓、電流的非同步采集，通過單片機(jī)等低速處理器完成功率、安時(shí)和瓦時(shí)的計(jì)算；在電氣隔離上一般是總電壓通過電阻分壓進(jìn)入隔離運(yùn)放，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片芯片，電流的隔離技術(shù)方案有兩類，一類是使用霍爾傳感器，另一類是分流器采樣電壓進(jìn)入隔離運(yùn)放，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。概括起來，現(xiàn)有技術(shù)存在著以下的缺點(diǎn):1.專門的計(jì)量芯片測(cè)量量多，造成對(duì)寄存器讀寫操作的程序復(fù)雜；2.計(jì)量芯片的測(cè)量誤差難以滿足寬電壓、大電流全量程范圍內(nèi)的高精度要求；3.受轉(zhuǎn)換時(shí)間、實(shí)時(shí)性要求等影響，計(jì)量芯片并不適合在復(fù)雜的控制場(chǎng)合；4.常規(guī)設(shè)計(jì)中兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片難以實(shí)現(xiàn)同步采樣，由此計(jì)算的功率、安時(shí)和瓦時(shí)不能反映電池組真實(shí)狀態(tài)；5.常規(guī)設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)等低速處理器無法滿足高速運(yùn)算及實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)的測(cè)量要求；6.常規(guī)設(shè)計(jì)中使用隔離運(yùn)放等中間環(huán)節(jié)，破壞了既有模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的線性度，影響了測(cè)量精度，而霍爾傳感器的靈敏度、精度以及線性度都不及分流器，使用霍爾傳感器雖然簡(jiǎn)約了隔離設(shè)計(jì)，但犧牲了精度和靈敏度，同時(shí)也增大了成本
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的寬電壓、大電流高精度同步隔離采樣直流功率計(jì)，本發(fā)明的一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)旨在解決電池組測(cè)試過程中總電壓、總電流采樣不同步，造成功率、安時(shí)和瓦時(shí)計(jì)量不準(zhǔn)確的問題，同時(shí)采用了先進(jìn)的Σ -Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)以及優(yōu)化的隔離措施，簡(jiǎn)化了采樣電路隔離設(shè)計(jì)的中間環(huán)節(jié)，確保了采樣測(cè)量的高線性度，從而滿足了在寬電壓、大電流全量程范圍內(nèi)電壓、電流、功率、安時(shí)和瓦時(shí)測(cè)量的高精度要求。本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)包括:硬件看門狗、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、存儲(chǔ)單元、左光隔離開關(guān)、右光隔離開關(guān)、左二階Σ -Δ調(diào)制器、右二階Σ -Δ調(diào)制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)構(gòu)成控制系統(tǒng)。所述硬件看門狗、存儲(chǔ)單元分別與DSP連接，所述左光隔離開關(guān)、右光隔離開關(guān)分別與FPGA連接，所述FPGA與DSP連接，所述左二階Σ-Δ調(diào)制器、右二階Σ-Δ調(diào)制器分別與FPGA連接，所述電阻分壓檔位切換電路與左二階Σ -Δ調(diào)制器連接，所述差分運(yùn)放檔位切換電路與右二階Σ -Δ調(diào)制器連接，所述左光隔離開關(guān)與電阻分壓檔位切換電路連接，所述右光隔離開關(guān)與差分運(yùn)放檔位切換電路連接。所述DSP、FPGA進(jìn)行模擬信號(hào)采樣控制和FIR數(shù)字濾波，DSP通過左光隔離開關(guān)和右光隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路的控制，電壓通過電阻分壓檔位切換電路分檔，電流通過差分運(yùn)放檔位切換電路分檔，此外本發(fā)明增加了硬件看門狗確保了不正常工作時(shí)的復(fù)位，最后，系統(tǒng)測(cè)量的AH、WH將會(huì)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中，所有測(cè)量參數(shù)將通過CAN總線與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所述FPGA驅(qū)動(dòng)左二階Σ -Δ調(diào)制器、右二階Σ -Δ調(diào)制器對(duì)電壓、電流進(jìn)行同步隔離過采樣，獲得“O” “I”比特流后進(jìn)行FIR數(shù)字濾波，在21US甚至更短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出AD轉(zhuǎn)換值。DSP通過并口控制總線從FPGA讀取電壓、電流瞬時(shí)采樣值，二者的乘積得到瞬時(shí)功率，通過定時(shí)At內(nèi)對(duì)電壓、電流進(jìn)行積分計(jì)算，獲得安時(shí)、瓦時(shí)的值，將AH、WH儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中，防止掉電數(shù)據(jù)丟失以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行累積保存。本發(fā)明的電阻分壓檔位切換電路由開關(guān)S1、開關(guān)S2、電阻、電池組、充電機(jī)組成，VIN-為左二階Σ -Δ調(diào)制器輸入負(fù)端，VIN+為左二階Σ -Δ調(diào)制器輸入正端。本發(fā)明的差分運(yùn)放檔位切換電路由分流器、電阻網(wǎng)絡(luò)1、電阻網(wǎng)絡(luò)2、調(diào)理電路、運(yùn)算放大器組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了寬電壓、大電流全量程范圍內(nèi)同步隔離采樣的高精度測(cè)量，通過同步隔離采樣電壓、電流信號(hào)，基于DSP數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)了高精度的功率、安時(shí)和瓦時(shí)的計(jì)量。本發(fā)明所表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)如下:1.通過FPGA控制二階Σ -Δ調(diào)制器的啟動(dòng)采樣，由于FPGA獨(dú)有的并行結(jié)構(gòu)，確保了電壓、電流采樣的同步性；2.通過簡(jiǎn)化隔離設(shè)計(jì)，使用隔離型二階Σ -Δ調(diào)制器，省去隔離運(yùn)放設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了成本和縮小了 PCB空間，同時(shí)規(guī)避了眾多中間環(huán)節(jié)對(duì)測(cè)量采樣電路線性度的影響，本發(fā)明的采樣電路測(cè)量的電壓、電流實(shí)際值和AD值的線性相關(guān)性達(dá)到了 0.999999%以上；3.使用DSP對(duì)采樣電壓、電流進(jìn)行計(jì)算，強(qiáng)大的運(yùn)算能力和高速性能，實(shí)現(xiàn)了功率、安時(shí)和瓦時(shí)的準(zhǔn)確計(jì)量和實(shí)時(shí)更新；
4.系統(tǒng)滿足了寬電壓、大電流全量程范圍內(nèi)高精度要求，實(shí)現(xiàn)了功率、安時(shí)和瓦時(shí)計(jì)量的高精度，實(shí)現(xiàn)了 0-1000V寬電壓范圍全量程誤差< ±0.2V，電流0-600A全量程范圍誤差< ±0.1A，電壓電流同步隔離采樣保證了計(jì)算的功率、安時(shí)和瓦時(shí)的有效性，真實(shí)地反映了電池組當(dāng)前狀態(tài)，其中功率的誤差彡±0.02W，在不校準(zhǔn)的情況下，安時(shí)精度為0.3%，瓦時(shí)精度為0.5% ；5.由于系統(tǒng)采用DSP和FPGA作為主控制器，同時(shí)簡(jiǎn)化隔離設(shè)計(jì)帶來PCB做得很小，低至21us及以下的采樣時(shí)間滿足了系統(tǒng)對(duì)電壓環(huán)和電流環(huán)的快速響應(yīng)要求，因此本直流功率計(jì)可方便拓展為AC-DC或者DC-DC的控制板。本系統(tǒng)如果作為主控板將大大簡(jiǎn)化常規(guī)的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能的提升和成本的降低。


圖1是本發(fā)明所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)的電阻分壓檔位切換電路圖；圖3是本發(fā)明所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)的差分運(yùn)放檔位切換電路圖；圖4是本發(fā)明所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)的DSP的程序算法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和 實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)包括:硬件看門狗1、數(shù)字信號(hào)處理器2、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列5、存儲(chǔ)單元3、左光隔離開關(guān)4、右光隔離開關(guān)6、左二階Σ -Δ調(diào)制器7、右二階Σ-Δ調(diào)制器8、電阻分壓檔位切換電路9、差分運(yùn)放檔位切換電路10，所述電阻分壓檔位切換電路9、差分運(yùn)放檔位切換電路10、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列5與數(shù)字信號(hào)處理器2構(gòu)成控制系統(tǒng)。所述硬件看門狗1、存儲(chǔ)單元3分別與數(shù)字信號(hào)處理器2連接，所述左光隔離開關(guān)
4、右光隔離開關(guān)6分別與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列5連接，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列5與數(shù)字信號(hào)處理器2連接，所述左二階Σ -Δ調(diào)制器7、右二階Σ -Δ調(diào)制器8分別與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列5連接，所述電阻分壓檔位切換電路9與左二階Σ -Δ調(diào)制器7連接，所述差分運(yùn)放檔位切換電路10與右二階Σ -Δ調(diào)制器8連接，所述左光隔離開關(guān)4與電阻分壓檔位切換電路9連接，所述右光隔離開關(guān)6與差分運(yùn)放檔位切換電路10連接。如圖2所示為本發(fā)明的電阻分壓檔位切換電路圖，本發(fā)明的電阻分壓檔位切換電路由開關(guān)S1、開關(guān)S2、電阻、電池組、充電機(jī)組成，VIN-為左二階Σ -Δ調(diào)制器輸入負(fù)端，VIN+為左二階Σ-Δ調(diào)制器輸入正端。本發(fā)明的電阻分壓檔位切換電路9由于不存在開關(guān)S1、S2切換時(shí)電阻承受電壓突變的情況，且對(duì)開關(guān)的耐壓要求很低，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的
安全隱患。如圖3所示為本發(fā)明的差分運(yùn)放檔位切換電路圖，本發(fā)明的差分運(yùn)放檔位切換電路由分流器、電阻網(wǎng)絡(luò)1、電阻網(wǎng)絡(luò)2、調(diào)理電路、運(yùn)算放大器組成。本發(fā)明的差分運(yùn)放檔位切換電路10能夠?qū)崿F(xiàn)在寬電流范圍內(nèi)電流大小和測(cè)量量程的匹配。如圖4所示為系統(tǒng)的DSP的程序算法流程圖，主要包括主程序和定時(shí)中斷程序。主程序中先進(jìn)行相關(guān)外設(shè)的初始化，然后讀存儲(chǔ)單元參數(shù)，在每一個(gè)參數(shù)前后將設(shè)置一字節(jié)起始校驗(yàn)碼和一字節(jié)末端校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)成功，則認(rèn)為參數(shù)讀寫正確，將其賦值給系統(tǒng)測(cè)量變量，如果校驗(yàn)失敗，則將系統(tǒng)測(cè)量變量進(jìn)行缺省化賦值。DSP通過并行控制數(shù)據(jù)總線給FPGA發(fā)二階Σ -Δ調(diào)制器同步采樣命令，F(xiàn)PGA啟動(dòng)左二階Σ -Δ調(diào)制器、右二階Σ -Δ調(diào)制器工作，DSP通過并行數(shù)據(jù)總線讀回初始電壓、電流值，此后定時(shí)啟動(dòng)。在循環(huán)程序里不斷重復(fù)二階Σ -Δ調(diào)制器采樣電壓、電流計(jì)算，瞬時(shí)功率計(jì)算，CAN接收查詢處理，如果滿500ms則將測(cè)量參數(shù)通過CAN總線與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在定時(shí)中斷程序里，當(dāng)時(shí)間標(biāo)志累加至積分時(shí)間時(shí)，進(jìn)行一次電流的時(shí)間積分得到此時(shí)的安時(shí)，對(duì)電壓、電流乘積進(jìn)行時(shí)間的積分得到此時(shí)的瓦時(shí)，將計(jì)算后的安時(shí)、瓦時(shí)寫入存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)，防止掉電丟失以及作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行累積保存。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)，其特征在于，包括:硬件看門狗、數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、存儲(chǔ)單元、左光隔離開關(guān)、右光隔離開關(guān)、左二階Σ -Δ調(diào)制器、右二階Σ -Δ調(diào)制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列與數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成控制系統(tǒng)； 所述硬件看門狗、存儲(chǔ)單元分別與數(shù)字信號(hào)處理器連接，所述左光隔離開關(guān)、右光隔離開關(guān)分別與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列連接，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列與數(shù)字信號(hào)處理器連接，所述左二階Σ -Δ調(diào)制器、右二階Σ-Δ調(diào)制器分別與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列連接，所述電阻分壓檔位切換電路與左二階Σ -Δ調(diào)制器連接，所述差分運(yùn)放檔位切換電路與右二階Σ -Δ調(diào)制器連接，所述左光隔離開關(guān)與電阻分壓檔位切換電路連接，所述右光隔離開關(guān)與差分運(yùn)放檔位切換電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)，其特征在于，所述電阻分壓檔位切換電路由開關(guān)S1、開關(guān)S2、電阻、電池組、充電機(jī)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)，其特征在于，所述差分運(yùn)放檔位切換電路由分流器、電阻網(wǎng)絡(luò)1、電阻網(wǎng)絡(luò)2、調(diào)理電路、運(yùn)算放大器組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計(jì)，包括硬件看門狗、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、存儲(chǔ)單元、左光隔離開關(guān)、右光隔離開關(guān)、左二階∑-Δ調(diào)制器、右二階∑-Δ調(diào)制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運(yùn)放檔位切換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)構(gòu)成控制系統(tǒng)；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了寬電壓、大電流全量程范圍內(nèi)同步隔離采樣的高精度測(cè)量，通過同步隔離采樣電壓、電流信號(hào)，基于DSP數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)了高精度的功率、安時(shí)和瓦時(shí)的計(jì)量。
文檔編號(hào)G01R21/133GK103091550SQ20131000550
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者溫家鵬, 馮韜, 吳健, 宋修明, 路其龍, 張計(jì)濤, 徐國金 申請(qǐng)人:北京優(yōu)科利爾能源設(shè)備有限公司