一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置及方法與流程
2023-07-13 01:49:41
本發明屬於電動汽車被動安全測試技術領域，尤其是涉及一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置及方法。
背景技術：
當電動汽車完成碰撞試驗後，需要對其高壓母線進行電安全測試。其中，整車負載端殘餘電能的測量為一個重要的考核指標。為了測量該值，可以通過以下方法來實現：
在已知整車標稱電壓和負載端等效電容的情況下，利用公式(1)來計算得出整車的殘餘電能。
式中：u1為整車標稱電壓，u2為安全電壓，c為整車負載端等效電容。
公式中u1和u2為已知量，需要確定負載端等效電容c。由於該電容在整車電路中為一個等效電容值，在實際操作過程中難以確定。因此，該計算方法在實施上難以實現。
目前，國內還未有關於電動汽車碰撞後直流高壓母線殘餘電能測試設備的相關文獻。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明旨在提出一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置，以實現對電動汽車直流高壓母線負載端殘餘電能的精確計算。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置，包括外殼，所述外殼設有控制面板，還包括設置在外殼內的電路板，所述電路板上集成有電子負載模塊、電氣隔離模塊、主控模塊、顯示模塊；
所述電子負載模塊連接主控模塊，用於根據輸入電壓調節負載電阻，並將電阻值反饋給主控模塊；
所述電氣隔離模塊連接主控模塊，用於將輸入的高壓電轉換為低壓信號，所述電氣隔離模塊還連接高壓母線；
所述主控模塊連接顯示模塊，用於將結果輸出顯示；
所述主控模塊還連接控制面板。
進一步的，所述外殼上還設有
第一線纜：接電動汽車reess高壓母線正極端；
第二線纜：接電動汽車reess高壓母線負極端；
第三線纜：接電動汽車電底盤；
數據採集接口：與數據採集設備連接，用於記錄碰撞後vb,v1,v2三個值；
5伏充電接口：用於給設備充電，供內部電路和顯示屏使用；
斷電指示燈：用於判斷試驗後高壓電系統是否斷電；
觸發接口：殘餘電能測試觸發開關，即碰撞0時刻信號。
進一步的，所述主控模塊採用單片機主控模塊，所述單片機主控模塊採用16位單片機，內含ad模數轉換模塊，輸入、輸出控制模塊，數據通訊模塊和運算處理模塊。
進一步的，所述電子負載模塊採用mosfet器件，該器件用作控制短路測試電流的大小，根據短路電壓的大小，自動調節短路電阻的大小。
進一步的，所述隔離模塊採用光隔離放大器器件或電磁隔離放大器器件，實現對電子負載本身與控制電子負載的單片機之間的物理隔離。
相對於現有技術，本發明所述的一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置具有以下優勢：
(1)本發明提供了一種針對具有試驗後自動斷電的電動汽車的安全測試設備，以實現對電動汽車直流高壓母線負載端殘餘電能的精確測量；
(2)本發明使用的放電電阻採用了安全隔離控制的動態可變電阻，殘餘電能的測量結果更符合實際情況，測量結果更加準確。
本發明的另一目的在於提出一種利用上述電動汽車直流高壓母線殘餘電能裝置測量的方法，通過測量殘餘電能測量裝置內電子負載模塊中的放電電阻兩端的電壓計算得到殘餘電能。
進一步的，計算公式如下
式中：u為放電電阻兩端電壓，t1為放電電阻接入時刻，t2為放電結束時刻，r為放電電阻。
進一步的，所述放電電阻為動態可變電阻。
本發明所述的利用上述電動汽車直流高壓母線殘餘電能裝置測量的方法與上述一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置具有相同的有益效果，在此不再贅述。
附圖說明
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明實施例所述的一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置的設備線路連接圖；
圖2為本發明實施例所述的控制面板的示意圖；
圖3為本發明實施例所述的單片機主控模塊的電路結構圖；
圖4為本發明實施例所述的電子負載模塊的電路結構圖；
圖5為本發明實施例所述的電子負載模塊的核心部分電路結構圖
圖6為本發明實施例所述的電磁式的隔離器件的電路結構圖；
圖7為本發明實施例所述的光電方式隔離器件的電路結構圖；
圖8為本發明實施例所述的顯示模塊的電路結構圖。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」等的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
本發明為解決對帶有自動斷電功能的電動汽車在完成碰撞試驗後，可對其負載端殘餘電能進行自動測量，並根據gb/t31498-2015中給出的電能要求，自動判定測試車輛是否滿足法規要求。
本發明提供一種電動汽車直流高壓母線殘餘電能測量裝置，該測量裝置主要利用了動態電子負載放電積分電路，其特點在於單片機mcu對高壓母線電壓和短路電流進行實時檢測，然後通過算法實時調整mosfet器件導通電阻的大小，以保證積分電路計算的精確性。另外，該裝置可對測量得到的殘餘電能通過液晶顯示屏實時顯示。除此之外，還可根據使用的需求實現對積分放電測量起始時間點和結束時間點的控制。
裝置主要由5部分組成，包括控制面板和接口部分、主控模塊、電子負載模塊、電氣隔離模塊和顯示模塊，面板和接口提供了駁接高壓母線的安全接口，駁接數據採集系統的可靠接口，以及控制開關，指示燈和顯示屏等用於人機互動的界面。使用者在面板上接線，操作和查看結果。電子負載模塊負責電能測試中的短路操作和電流積分計算操作。電氣隔離模塊用於隔離測試車輛的高壓系統和設備，保證操作者、儀器本身以及數據採集系統的安全。顯示模塊用於人機互動和測試結果的顯示。主控模塊是整個設備的核心，負責絕緣電阻測量和電流積分算法的實現，另外，通過接收各控制開關的信號來實現相應的控制策略。設備連接圖如圖1所示。
測量裝置的控制面板如圖2所示，各接口功能如下：
第一線纜：接電動汽車reess高壓母線正極端。
第二線纜：接電動汽車reess高壓母線負極端。
第三線纜：接電動汽車電底盤(車架)。
數採接口：與數採設備連接，用於記錄碰撞後vb,v1,v2三個值。
5伏充電接口：用於給設備充電，供內部電路和顯示屏使用。
斷電指示燈：用於判斷試驗後高壓電系統是否斷電。
觸發接口：殘餘電能測試觸發開關，即碰撞0時刻信號。
操作和顯示面板設計以安全，方便為設計宗旨。面板上可以對電動汽車高壓母線的vb,v1和v2的值進行實時顯示，便於操作人員的觀察和記錄。線纜的接口設計方面，也以安全和方便為設計宗旨。對於高壓線纜的接口部分，採用了航空連接器，並具有防誤觸電和接口反接的設計。
圖3為主控模塊：單片機主控模塊採用16位單片機，內含ad模數轉換模塊，輸入、輸出控制模塊，數據通訊模塊和運算處理模塊。該模塊利用單片機mcu實現對高壓母線電壓和短路電流進行實時檢測，並通過算法實時調整mosfet器件導通電阻的大小。另外，實現對採樣電流和採樣電壓的ad轉換，以及對殘餘電能的積分運算。
圖4為電子負載模塊：該模塊是一種可用於高電壓大動態範圍安全隔離控制的動態電子負載。電子負載由vds高達1000v的高壓mosfet實現。通過單片機以隔離電壓控制的方式實現動態控制其柵源vgs極間電壓，從而實現對導通電阻大小的調整。電子負載模塊採用mosfet器件，該器件用作控制短路測試電流的大小。根據短路電壓的大小，自動調節短路電阻的大小。防止出現短路電流過大或過小的情況，從而提高測試結果的準確性。mosfet器件採用irf高壓mos管irfpg42,該器件的最大工作電壓為1000v。圖5為電子負載模塊核心部分電路圖。vref接主控模塊的da數模單元。
隔離模塊採用光隔離放大器器件或電磁隔離放大器器件，實現對電子負載本身與控制電子負載的單片機之間的物理隔離。隔離模塊在本設備中非常重要，一方面可以保證測試人員的安全，另一方面也可以保護其它模塊和設備不會被高壓損壞。設備中分別運用了電磁式的隔離器件ad201和光電方式的隔離器件avagoacpl-c870，直流高壓經過電阻分壓電路的分壓後，由隔離器件傳送到設備的其它模塊，並在光隔離屏障的另一端產生正比於輸入電壓的差分輸出電壓，該電壓值為數據採集系統提供信號。電磁隔離方式的特點是可調節的輸入電壓範圍廣，用於電子負載的控制端隔離。光電隔離方式的特點是器件的體積小，且抗幹擾性強，用於高壓分壓的隔離端。圖6和圖7分別為電磁隔離器件和光電方式隔離器件avagoacpl-c870的結構圖。
圖8為顯示模塊：該模塊可實現對高壓母線電壓vb、v1和v2的實時顯示。另外，也可以顯示殘餘電能的測試結果。顯示模塊由3塊3位半帶符號led紅色顯示屏，和一塊128x64點陣的oled顯示屏組成。led的紅色顯示屏用於對vb,v1和v2的實時顯示。oled顯示屏用於對計算結果的顯示。3位半的led顯示屏採用icl7107通過io驅動。128x64點陣的oled屏採用spi的方式驅動。
在測量過程中，電動汽車的高壓母線和接地線通過面板上的航空插頭接入設備，同時在面板上設計相應接口，便於兆歐表的測量。當電動汽車發生碰撞時，由觸發開關連接設備，為測試設備的計算提供碰撞零時刻。高壓電池包的正、負極和電底盤接入設備後，會經過以下3個部分。
一，利用精密電阻的分壓和光電方式的安全隔離，獲得1/500的vb,v1,v2的安全電壓分量(vb為高壓電池的正負極電壓，v1為高壓電池的負極端對電底盤電壓，v2為高壓電池的正極端對電底盤電壓，以下簡稱vb,v1,v2)，實現對高壓電系統的實時監測，並通過顯示屏對3個電壓值進行實時顯示；
二，通過電子開關，連接到由單片機控制的電子負載模塊上，當單片機接收到碰撞後的零時刻時，控制相關電路進行殘餘電能的積分放電測試；
三，通過電子開關的切換，在電路中接入一個已知電阻r，由單片機記錄接入電阻r後的電壓值，並利用量表法計算絕緣電阻。
當面板上的撥動開關為『測量絕緣係數』，並按下測試按鈕時，設備會自動將已知電阻r分別接入高壓電池正極端與電平臺(黃色指示燈亮)，高壓電池負極端與電平臺(綠色指示燈亮)。此時v1和v2會發生變化，分別得到v1』和v2』。得到相應的電壓值後，設備會自動記錄，並帶入公式計算，並將絕緣電阻的測試結果顯示到顯示屏，此時的單位為ω/v。當面板上的撥動開關為『測量電能』時，在發生碰撞後，設備會按照設置的要求，在到達規定的時間後，由單片機控制電子負載進行積分放電測試。最終，殘餘電能的測試結果會顯示在顯示屏上，單位為焦耳。在設備的整個測試和計算過程中，vb,v1和v2均通過顯示屏實時顯示。碰撞結束後，若電動汽車的高壓電系統帶有自動斷電功能，為了測量車輛負載端的絕緣電阻，可以利用兆歐表通過面板上的接口，分別測量高壓母線正、負極與電平臺之間的絕緣阻值。
碰撞試驗完成後，將該測量裝置連接電動汽車高壓母線，通過測量放電電阻兩端的電壓和放電電流，然後利用公式(1)來計算得出整車的殘餘電能。
式中：u為放電電阻兩端電壓，i為放電電流，t1為放電電阻接入時刻，t2為放電結束時刻。
通過公式換算，公式(1)可以等效為公式(2)。
由公式(2)可知，整車的殘餘電能可以通過測量放電電阻兩端的電壓來計算得到。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。