小線徑高壓線束并線電流精準檢測方式的實現

吳洪亭, 張忠東, 宋 朋, 王照亮, 邢化嶺

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

隨著電動汽車技術的發展,電動汽車高壓電器系統的試驗與研究成為熱點。純電動客車最高工作電壓可達750 V,最高工作電流可達700 A,這對連接各高壓電器件的高壓線束電流承載力、散熱及電流數據測量精度也提出更高要求[1]。目前投入市場的純電客車搭載的驅動電機峰值功率主要集中在300 kW以內,峰值功率超過350 kW的大功率驅動電機在客車上的裝載量并不大。

整車廠對超過300 kW的大功率電機的匹配驗證尤為謹慎。為有效規避在整車上匹配驅動電機的風險,降低成本,通常會在裝車前先進行驅動電機的臺架測試,以檢驗其與整車的匹配性[2]。因為這種測試需求量不高,很多試驗場所通常不會配置測試大功率驅動電機所需的大線徑高壓線,一般會選擇將多根小線徑高壓線并用,以實現更大電流承載能力的方案?；魻栯娏鳝h的工作原理是當電流流經環形聚磁鐵芯時,電流將在鐵芯中產生磁場,磁場的大小與流經的電流成正比,如果磁場存在干擾或抵消的情況,傳感器輸出值將不精確。如果多根小線徑高壓線并用會形成線線磁場干擾,導致無法用霍爾電流環精準測量總電流數據,進而會影響電量消耗情況的精準計量。若采用單根不低于70 mm2的大線徑高壓線會導致成本大幅增加。針對此問題,本文提出一種精準檢測小線徑并線電流的方式[3]。

1 檢測方案及原理

電力源(電池模擬器或動力電池)至電機控制器間的正負母線均采用多根小線徑高壓線并用,實現更大的電流承載能力。本文以2根50 mm2的高壓線并用為例進行介紹。在正極母線上設置霍爾傳感器,實時檢測電流并反饋至功率分析儀,功率分析儀再將相關檢測數據及計算數據反饋至臺架上位機。本文方案應用架構如圖1所示。

圖1 本文方案應用架構

之前的做法是將2根小線徑的高壓線同時穿過霍爾傳感器(如圖2所示),但這樣會因為線線干擾及屏蔽層影響導致檢測電流有所失真。

圖2 原雙線同時穿過霍爾傳感器狀態

為解決該問題,在電流監測點嵌入集成霍爾電流環的高壓接線盒,2根高壓線由輸入端連接銅排整合,經過電流測量銅排時,霍爾電流環可實現電流的準確、有效測量[4-5],再由輸出端連接銅排分成兩支路輸出,如圖1中虛線框所示。

未采用本方案獲得的電流數據是已經被相互干擾存在失真的電流值,并且隨著電流值的增大偏差會越大。其電流采集計算方法如下:

IT_I=I1_I+I2_I

式中:IT_I為2根高壓線同時穿過霍爾傳感器的總電流;I1_I為其中一根高壓線被干擾后的電流值;I2_I為另一根高壓線被干擾后的電流值。

采用本方案獲得的電流值是通過電流測量銅排整合消除干擾后的實際電流值。其電流采集計算方法如下:

IT_A=I1_A+I2_A

式中:IT_A為2根高壓線經過電流測量銅排整合后穿過霍爾傳感器無干擾的總電流;I1_A為其中一根高壓線實際電流值;I2_A為另一根高壓線實際電流值。

2 高壓接線盒的組成

本文涉及的集成霍爾電流環的高壓接線盒由外殼、格蘭頭、絕緣底座、導電銅排、霍爾電流環組成,可實現2根輸入、2根輸出高壓線的并線過渡。接線盒具體形式如圖3和圖4所示。

1-接線盒殼體; 2-接線盒上蓋圖3 未開蓋高壓接線盒狀態

(a) 俯視圖

(b) 軸側視圖3-第一輸出口格蘭頭; 4-第二輸出口格蘭頭; 5-霍爾電流環線束格蘭頭; 6-備用線束格蘭頭; 7-第一輸入口格蘭頭; 8-第二輸入口格蘭頭; 9-絕緣底座; 10-輸入端連接銅排; 11-輸出端連接銅排; 12-電流測量銅排; 13-霍爾電流環圖4 開蓋高壓接線盒狀態

1) 外殼。由接線盒殼體和接線盒上蓋組成,接線盒殼體四周安裝有第一輸出口格蘭頭、第二輸出口格蘭頭、霍爾電流環線束格蘭頭、備用線束格蘭頭、第一輸入口格蘭頭、第二輸入口格蘭頭。外殼有效保護箱內霍爾電流環精密測試設備及高壓連接點,同時具備接地作用[6]。

2) 格蘭頭。第一輸出口格蘭頭和第二輸出口格蘭頭安裝在接線盒殼體上的同一側,第一輸入口格蘭頭和第二輸入口格蘭頭安裝在接線盒殼體上的同一側,霍爾電流環線束格蘭頭和備用線束格蘭頭分別安裝在接線盒殼體上兩側,第一輸出口格蘭頭和第二輸出口格蘭頭安裝的位置與第一輸入口格蘭頭和第二輸入口格蘭頭安裝位置相對,霍爾電流環線束格蘭頭與備用線束格蘭頭安裝位置相對。第一、第二輸出口格蘭頭和第一、第二輸入口格蘭頭起到電纜進出線防護及屏蔽層接地的作用[7],可實現50 mm2及以下線徑的高壓線纜接入(線鼻子最大寬度為20 mm)?；魻栯娏鳝h線束格蘭頭和備用線束格蘭頭用于信號線、低壓電源線等的接入。

3) 絕緣底座。絕緣底座安裝在接線盒殼體內部底面。絕緣底座包含銅排固定支座,是導電銅排、線鼻子、霍爾電流環絕緣安裝在外殼內的基礎。

4) 導電銅排。由輸入端連接銅排、輸出端連接銅排、電流測量銅排組成。輸入端連接銅排安裝在絕緣底座上靠近第一輸入口格蘭頭和第二輸入口格蘭頭的一側,輸出端連接銅排安裝在絕緣底座上靠近第一輸出口格蘭頭和第二輸出口格蘭頭的一側,電流測量銅排的一端連接輸入端連接銅排,電流測量銅排的另一端連接輸出端連接銅排。實現高壓線束端子間的安全、可靠連接[8]。這里的輸入、輸出端連接銅排的長×寬×厚尺寸為135 mm×25 mm×8 mm,電流測量銅排的長×寬×厚尺寸為175 mm×25 mm×8 mm,設置銅排能夠滿足長時間運行的最大載流800 A的需求。3根導電銅排的組合設置,實現了高壓線合并后單線通過霍爾電流環,規避了線線間的干擾。

5) 霍爾電流環?；魻栯娏鳝h套在電流測量銅排上,準確采集電流測量銅牌的電流數據[9-10],霍爾電流環底部安裝在絕緣底座上。這里的霍爾電流環采用的是LEM IT 700-S,檢測范圍為-700～+700 A,檢測精度(DC-100 Hz)為0.005 35%。

3 應用效果

相對于已有技術,本文所設計的集成霍爾電流環的高壓接線盒結合了2根高壓線并用時的散熱優勢,既解決了2根高壓線并用時無法使用霍爾電流環測量電流數據的問題,又解決了使用單根大截面高壓線造成的成本高、散熱較差的問題。

為讓數據真實和可比較,本文采用電池模擬器直接采集的電流數據(被認為是實際值)作為參考基準,用于判斷霍爾電流環采集電流數據的準確性。表1中的首列數據是通過電池模擬器直接采集的電流數據(采集頻率是20 Hz)計算出的平均值;第二、第三列數據是通過霍爾電流環(功率分析儀)采集的兩種過線狀態的電流數據(采集頻率是1 000 Hz)計算出的平均值。各平均值均是在穩定輸出狀態下,5 s 時間段內采集的所有數據的平均(如某個5 s 時間段,電池模擬器采集的1 000個電流數據和功率分析儀采集的5 000個電流數據的數據量不一致,但經過平均計算的值是準確和有效的)。通過控制臺架搭載的被測驅動電機輸出恒定的轉矩、轉速,以100 A為梯度控制電池模擬器輸出端電流。從表1中可以看到,采用本文方法的檢測值和實際值相差更小。

表1 不同方法電流檢測值 A

需要說明的是,在實際應用場景中是只使用功率分析儀通過多個通道同時采集、計算多個電流環的電流檢測數據。電池模擬器檢測的母線電流數據主要用于電池模擬器輸出狀態的監測,不直接采用該電流數據的兩個主要原因:一是實際應用場景中數據量極大,且基本為動態變化數據,加之電池模擬器輸出端電流采集頻率(最高只能設置20 Hz)和實際電路中需求采集電流頻率(1 000 Hz,功率分析儀可以設置該頻率)不一致,無法在試驗后通過數據處理獲取可用電流數據(如果數據點不多且是穩態數據,可通過后處理獲取可用數據,但實際應用場景中的數據極多且為動態變化的);二是電池模擬器無法實現相關參數計算,且其與功率分析儀為兩個相互獨立工作的模塊,電池模擬器采集的電流、電壓值難以同步傳遞給功率分析儀進行所需參數的計算,比如功率、能耗等。

4 結束語

本文所述的集成霍爾電流環的高壓接線盒,可連接2根輸入和2根輸出的高壓線,接線盒內部可對線路總電流數據進行并線精準測量,該接線盒既結合了2根高壓線并用的散熱優勢,又避免了采用新的大截面高壓線造成的成本增加。本文僅結合進出均為2根高壓線的情況進行舉例闡述,實際應用可以結合現場條件擴展進線數量和出線數量相同或不同的應用場景。