一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計制造技術

本發明專利技術公開了一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計，包括：硬件看門狗、數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列（FPGA）、存儲單元、左光隔離開關、右光隔離開關、左二階∑-Δ調制器、右二階∑-Δ調制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路、現場可編程門陣列（FPGA）與數字信號處理器(DSP)構成控制系統；本發明專利技術實現了寬電壓、大電流全量程范圍內同步隔離采樣的高精度測量，通過同步隔離采樣電壓、電流信號，基于DSP數學算法實現了高精度的功率、安時和瓦時的計量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計，屬于測量控制

技術介紹
隨著國家高技術研究發展計劃(863計劃)將電動汽車及相關技術列為發展課題，有關成組電池維護設備的研究提上議事日程。電池廠家在對成組電池進行測試的時候，需要對它們串聯的模塊進行放電總電壓、放電總電流、放電功率、放電安時和放電瓦時的計量，從而作為對電池整體性能和使用狀況評估的依據。另一方面，作為電池的充電設備也需要測量充電總電壓、充電總電流、充電功率、充電安時和充電瓦時的參數，作為充電控制策略的反饋量或者工控機以及上位機顯示的內容。目前傳統的成組電池測試設備普遍面臨總電壓、總電流測量不同步，造成測量數據不一致的缺陷和問題，從而根據電壓、電流計算功率和瓦時的數據無法真實反應電池組的實際狀態；另一方面，由于成組電池串聯的數量變化范圍很大，造成需要測量的總電壓波動范圍寬(0V-1000V)，而現有測試設備在寬電壓范圍內很難達到全量程范圍內高精度的指標，甚至不滿足寬電壓范圍測量的需求；此外，由于涉及到高壓、大電流的場合都要進行隔離設計，常規的采樣電路和控制電路的電氣隔離設計復雜，環節眾多，影響了測量的線性度，破壞了既有AD芯片的測量精度。例如，現有測量成組電池或者其它直流功率計量技術有兩類:一類是使用專門計量芯片，比如CS5460等完成電壓、電流的采集，同時內部計算安時和瓦時；另一類是常規方案，使用兩片模數轉換芯片完成電壓、電流的非同步采集，通過單片機等低速處理器完成功率、安時和瓦時的計算；在電氣隔離上一般是總電壓通過電阻分壓進入隔離運放，再進入模數轉換芯片芯片，電流的隔離技術方案有兩類，一類是使用霍爾傳感器，另一類是分流器采樣電壓進入隔離運放，再進入模數轉換芯片。概括起來，現有技術存在著以下的缺點:1.專門的計量芯片測量量多，造成對寄存器讀寫操作的程序復雜；2.計量芯片的測量誤差難以滿足寬電壓、大電流全量程范圍內的高精度要求；3.受轉換時間、實時性要求等影響，計量芯片并不適合在復雜的控制場合；4.常規設計中兩片模數轉換芯片難以實現同步采樣，由此計算的功率、安時和瓦時不能反映電池組真實狀態；5.常規設計中使用單片機等低速處理器無法滿足高速運算及實時更新數據的測量要求；6.常規設計中使用隔離運放等中間環節，破壞了既有模數轉換芯片的線性度，影響了測量精度，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約了隔離設計，但犧牲了精度和靈敏度，同時也增大了成本
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種能夠克服上述技術問題的寬電壓、大電流高精度同步隔離采樣直流功率計，本專利技術的一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計旨在解決電池組測試過程中總電壓、總電流采樣不同步，造成功率、安時和瓦時計量不準確的問題，同時采用了先進的Σ -Δ模數轉換技術以及優化的隔離措施，簡化了采樣電路隔離設計的中間環節，確保了采樣測量的高線性度，從而滿足了在寬電壓、大電流全量程范圍內電壓、電流、功率、安時和瓦時測量的高精度要求。本專利技術的整體結構包括:硬件看門狗、數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)、存儲單元、左光隔離開關、右光隔離開關、左二階Σ -Δ調制器、右二階Σ -Δ調制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路、現場可編程門陣列(FPGA)與數字信號處理器(DSP)構成控制系統。所述硬件看門狗、存儲單元分別與DSP連接，所述左光隔離開關、右光隔離開關分別與FPGA連接，所述FPGA與DSP連接，所述左二階Σ-Δ調制器、右二階Σ-Δ調制器分別與FPGA連接，所述電阻分壓檔位切換電路與左二階Σ -Δ調制器連接，所述差分運放檔位切換電路與右二階Σ -Δ調制器連接，所述左光隔離開關與電阻分壓檔位切換電路連接，所述右光隔離開關與差分運放檔位切換電路連接。所述DSP、FPGA進行模擬信號采樣控制和FIR數字濾波，DSP通過左光隔離開關和右光隔離開關實現對電阻分壓檔位切換電路、差分運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，電流通過差分運放檔位切換電路分檔，此外本專利技術增加了硬件看門狗確保了不正常工作時的復位，最后，系統測量的AH、WH將會儲存在存儲單元中，所有測量參數將通過CAN總線與外部進行數據交換。所述FPGA驅動左二階Σ -Δ調制器、右二階Σ -Δ調制器對電壓、電流進行同步隔離過采樣，獲得“O” “I”比特流后進行FIR數字濾波，在21US甚至更短的時間內計算出AD轉換值。DSP通過并口控制總線從FPGA讀取電壓、電流瞬時采樣值，二者的乘積得到瞬時功率，通過定時At內對電壓、電流進行積分計算，獲得安時、瓦時的值，將AH、WH儲存在存儲單元中，防止掉電數據丟失以及對歷史數據進行累積保存。本專利技術的電阻分壓檔位切換電路由開關S1、開關S2、電阻、電池組、充電機組成，VIN-為左二階Σ -Δ調制器輸入負端，VIN+為左二階Σ -Δ調制器輸入正端。本專利技術的差分運放檔位切換電路由分流器、電阻網絡1、電阻網絡2、調理電路、運算放大器組成。本專利技術實現了寬電壓、大電流全量程范圍內同步隔離采樣的高精度測量，通過同步隔離采樣電壓、電流信號，基于DSP數學算法實現了高精度的功率、安時和瓦時的計量。本專利技術所表現出的優點如下:1.通過FPGA控制二階Σ -Δ調制器的啟動采樣，由于FPGA獨有的并行結構，確保了電壓、電流采樣的同步性；2.通過簡化隔離設計，使用隔離型二階Σ -Δ調制器，省去隔離運放設計，不僅節約了成本和縮小了 PCB空間，同時規避了眾多中間環節對測量采樣電路線性度的影響，本專利技術的采樣電路測量的電壓、電流實際值和AD值的線性相關性達到了 0.999999%以上；3.使用DSP對采樣電壓、電流進行計算，強大的運算能力和高速性能，實現了功率、安時和瓦時的準確計量和實時更新；4.系統滿足了寬電壓、大電流全量程范圍內高精度要求，實現了功率、安時和瓦時計量的高精度，實現了 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算的功率、安時和瓦時的有效性，真實地反映了電池組當前狀態，其中功率的誤差彡±0.02W，在不校準的情況下，安時精度為0.3%，瓦時精度為0.5% ；5.由于系統采用DSP和FPGA作為主控制器，同時簡化隔離設計帶來PCB做得很小，低至21us及以下的采樣時間滿足了系統對電壓環和電流環的快速響應要求，因此本直流功率計可方便拓展為AC-DC或者DC-DC的控制板。本系統如果作為主控板將大大簡化常規的電路設計，實現功能的提升和成本的降低。附圖說明圖1是本專利技術所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計的整體結構示意圖；圖2是本專利技術所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計的電阻分壓檔位切換電路圖；圖3是本專利技術所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計的差分運放檔位切換電路圖；圖4是本專利技術所述一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計的DSP的程序算法流程圖。具體實施例方式下面結合附圖和 實施例對本專利技術進行詳細描述。如圖1所示，本專利技術的整體結構包括:硬件看門狗1、數字信號處理器2、現場可編本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計，其特征在于，包括：硬件看門狗、數字信號處理器、現場可編程門陣列、存儲單元、左光隔離開關、右光隔離開關、左二階∑?Δ調制器、右二階∑?Δ調制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路、現場可編程門陣列與數字信號處理器構成控制系統；所述硬件看門狗、存儲單元分別與數字信號處理器連接，所述左光隔離開關、右光隔離開關分別與現場可編程門陣列連接，所述現場可編程門陣列與數字信號處理器連接，所述左二階∑?Δ調制器、右二階∑?Δ調制器分別與現場可編程門陣列連接，所述電阻分壓檔位切換電路與左二階∑?Δ調制器連接，所述差分運放檔位切換電路與右二階∑?Δ調制器連接，所述左光隔離開關與電阻分壓檔位切換電路連接，所述右光隔離開關與差分運放檔位切換電路連接。

【技術特征摘要】
1.一種寬電壓與大電流同步隔離采樣直流功率計，其特征在于，包括:硬件看門狗、數字信號處理器、現場可編程門陣列、存儲單元、左光隔離開關、右光隔離開關、左二階Σ -Δ調制器、右二階Σ -Δ調制器、電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路，所述電阻分壓檔位切換電路、差分運放檔位切換電路、現場可編程門陣列與數字信號處理器構成控制系統； 所述硬件看門狗、存儲單元分別與數字信號處理器連接，所述左光隔離開關、右光隔離開關分別與現場可編程門陣列連接，所述現場可編程門陣列與數字信號處理器連接，所述左二階Σ -Δ調制器、右二階Σ-Δ調制...

【專利技術屬性】
技術研發人員：溫家鵬，馮韜，吳健，宋修明，路其龍，張計濤，徐國金，
申請(專利權)人：北京優科利爾能源設備有限公司，
類型：發明
國別省市：