一种用于充电桩的基于霍尔传感器的电流检测电路的制作方法

1.本发明涉及一种用于充电桩的基于霍尔传感器的电流检测电路。


背景技术：

2.电动汽车直流充电桩需要把交流电转换成直流电，从而给电动汽车充电。直流充电桩必须采用pwm（pulse width modulation）整流电路将交流电转换成直流电。为了保证pwm整流电路的稳定工作并提高pwm整流电路的性能，必须要精确的检测到输入交流电流瞬时值。pwm整流电路中输入交流电流谐波很丰富，会有几十到几千赫兹范围的谐波，且可能还含有直流分量。电流互感器能正常工作的频率范围一般在50-100hz的范围，因此采用电流互感器难以准确测量pwm整流电路中的输入交流电流。霍尔传感器的工作频率范围一般可以达到0-10khz，因此，在pwm整流电路中一般采用霍尔传感器构成输入交流电流瞬时值检测电路。
3.如图1，是现有的由霍尔传感器构成的电流检测电路，该电路的待测电流i可以是直流也可以是交流，其输出电压uo可以表示为式（1），uo的参考点为霍尔传感器接地引脚的电压gnd。
4.uo=un+k
·iꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式（1）中，i的单位为安培，i为有符号的量，当i流入霍尔传感器输入电流正极引脚，即i+引脚时为正，当i流出霍尔传感器输入电流正极引脚，即i+引脚时为负；un是霍尔传感器的零电流输出电压，即当输入电流i为0时的输出电压uo的值，un的单位为伏特；k为电流的增益系数， k的单位为欧姆，理想情况下，k为常数。
5.现有的由霍尔传感器构成的电流检测电路中，一般是把式（1）中的uo送到单片机的adc输入引脚，通过模数转换得到 uo所对应的数字量。根据uo所对应的数字量，由式（1）可以推算出i的值。其中，un和k被看成常数，一般是根据霍尔传感器说明书上给出的值来进行取值。un是霍尔传感器的零电流输出电压，un的误差一般为1%-3%，且un会随霍尔传感器的供电电压、环境温度等参数发生一定的变化；k为电流的增益系数，做得最好的霍尔传感器的电流增益系数k的误差也会达到2-3%，一般的霍尔传感器的电流增益系数k的误差会达到10-15%，因此，由于un和k这两个参数的影响，现有的由霍尔传感器构成的电流检测电路的精度不高，误差一般会达到5%-15%。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题：如前文所述，由于受霍尔传感器的零电流输出电压un和电流增益系数k这两个参数误差的影响，现有的由霍尔传感器构成的电流检测电路的精度不高，误差一般会达到5%-15%。为了提高由霍尔传感器构成的电流检测电路的精度，本发明提出了一种具有自动校准功能的基于霍尔传感器构成的电流检测电路，能大幅提高基于霍尔传感器构成的电流检测电路的测量精度，同时又具有较高的经济性。
7.本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：如图2，本发明所提的基于霍尔传感器构成的电流检测电路在正常工作时，其硬件包括霍尔传感器u1，继电器k1，电阻r1和r2，三极管q1，二极管d1，单片机u2。继电器k1为常闭继电器，即当继电器的控制回路的电磁铁未加电流时，继电器的输出回路的开关是闭合的；三极管q1为npn型。本发明所提的基于霍尔传感器构成的电流检测电路在正常工作时，其硬件连接关系为：霍尔传感器u1的输入电流正极引脚i+接被测电流i的输入端，霍尔传感器u1的输入电流负极引脚i-接继电器k1的输出回路开关的一端，继电器k1的输出回路开关的另一端接被测电流i的输出端，霍尔传感器的电源引脚接供电电源vd，霍尔传感器的接地引脚接地，霍尔传感器的输出信号引脚vo接单片机u2的adc（analog to digital converter 模数转换器）输入引脚，单片机u2的输出引脚i/o接电阻r2的一端，电阻r2的另一端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极接电阻r1的一端，电阻r1的另一端接继电器k1控制回路的一端和二极管d1的正极，继电器k1控制回路的另一端接继电器的供电电源vk和二极管d1的负极，单片机u2的电源引脚接供电电源vc，单片机u2的接地引脚接地。
8.为了表达方便，定义一个函数y=d(x)，其中x为输入单片机模数转换器的电压，y为x经过模数转换后的结果，用n表示单片机模数转换器输出二进制量的位数，则y=d(x)可以表示成式（2），式（2）中，vc为单片机的供电电压。
9.（2）由式（1）、式（2）可得：d(uo)=d(un+k
·
i)
ꢀꢀꢀꢀ
（3）即d(uo)=d(un)+ d(k
·
i)
ꢀꢀꢀ
（4）即（5）令（6）则式（5）可变为：d(uo)=d(un)+ m
·iꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)（8）只要确定了d(un)和m这两个参数，就可以根据式（8）由d(uo)准确计算出待测电流i的值。
10.本发明技术方案中确定d(un)的方法如下：在充电桩未充电时，让单片机u2的输出引脚i/o输出高电平，使三极管q1导通，使得继电器k1控制回路中的电磁铁上电，继电器动作，使得继电器k1输出回路中的开关断开，使得此时霍尔传感器的输入电流i为0，此时，霍尔传感器的输出电压uo=un，单片机对霍尔传
感器的输出电压uo进行模数转换，模数转换的结果表示为d（uo），因为此时uo=un，故d（uo）=d(un)，即得到了d(un)的值，用新的d(un)的值更新以前旧的d(un)的值，并保存。确定d(un)的方法每隔6小时执行一次，在充电桩未充电时执行，如遇上充电桩正在充电，顺延到充电结束后再执行确定d(un)的方法。
11.本发明技术方案中确定m的方法如下：如图3是对参数m进行校准时的电路图，us为精密直流稳压电源，a为精密万用表，并带有rs232通信接口，可以通过rs232接口读取测量值，u4为rs232转ttl串口的转换器，r3为大功率负载电阻，u3为人机交互装置。将霍尔传感器输入电流正极引脚接万用表a的电流负极表笔，万用表a的电流正极表笔接负载电阻r3的一端，负载电阻r3的另一端接精密直流稳压电源us的正极，精密直流稳压电源us的负极接继电器k1输出回路开关的一端，万用表a的rs232通信接口接转换器u4的rs232端口，转换器u4的ttl串口接单片机的uart串口，单片机连接有人机交互装置u3。选取合适的us和r3的值，在霍尔传感器的输入电流回路中产生一个直流稳恒电流i，然后通过人机交互装置u3给单片机发出开始对参数m进行校准的命令，单片机收到命令后从万用表a读取直流稳恒电流i的测量值i0，把该测量值i0看成是直流稳恒电流i的真值，读取测量值i0的同时，单片机对霍尔传感器的输出电压uo进行模数转换，得到d（uo）；将i0、d（uo）和d(un)代入式（7），其中i0为式（7）中i的值，即可计算出m，将新的m值更新旧的m值，并保存；确定m的值后，单片机通过人机交互装置u3发出提示，然后去掉精密直流稳压电源us、精密万用表a、转换器u4、大功率负载电阻r3、人机交互装置u3，将电路恢复为正常工作时的连接关系。
12.本发明技术方案还可以实现输入过流保护，其方法如下：输入电流i的周期为t，单片机每间隔时间δt1通过模数转换器对输入电流i进行检测采样，设在周期t内，单片机采样点数为b，用i(p)表示单片机对输入电流i的采样结果，i和i(p)均为有符号的量，其中，p=1、2、3
……
、b，式（9）中的i
p
、d(uo)
p
、d(un)
p
分别为i、d(uo)、d(un)变量在i(p)所对应的采样时刻的值； i的平均电流i
avg
可以表示为式（10）。
13.i(p)= m
·ip
=d(uo)
p-d(un)
p
ꢀꢀꢀ
(9)(10)设工作时输入电流i最大允许平均电流为im，每间隔时间δt2，求出i
avg
，并将i
avg
和im比较，如果i
avg
》im，则将继电器输出回路中的开关断开，实现了输入过流保护功能。
14.本发明的有益效果是：本发明可以大幅提高基于霍尔传感器构成的电流检测电路的测量精度；本发明所提的技术方案还可以起到输入过流保护的作用；本发明所提的技术方案具有较高的经济性，本发明所提的技术方案正常工作时的硬件电路中只增加了单片机和继电器，其中的单片机可以直接借用充电桩的主控单片机，其中的继电器同时起到输入过流保护的作用，因此，本发明并没有增加额外的硬件成本。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
16.图1是现有的由霍尔传感器构成的电流检测电路。
17.图2是本发明所提的基于霍尔传感器构成的电流检测电路在正常工作时电路图。
18.图3是对参数m进行校准时的本发明所提的技术方案的电路图。
具体实施方式
19.下面对本发明所提的技术方案在实施时做进一步说明，前文已经叙述过的内容，这里不再累述。
20.图2中，霍尔传感器采用wcs2720，单片机采用stm32g030c8，继电器采用jqx-13fa/1z，三极管采用s9013，vd和vc为3.3v，vk为5v，r1为0ω，r2为10kω，二极管d1为1n5408。
21.图3中，万用表采用dm3058，稳压电源采用dp832，r3采用大功率负载电阻，先确定所需要的测试电流i的大小，由式（10）计算出r3。
22.（10）输入过流保护方案中的间隔时间δt1取50us，间隔时间δt2取5ms。