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CN116997804A - 电流感测电路和用于测量电线中电流的电流测量系统 - Google Patents

电流感测电路和用于测量电线中电流的电流测量系统 Download PDF

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CN116997804A
CN116997804A CN202180093356.2A CN202180093356A CN116997804A CN 116997804 A CN116997804 A CN 116997804A CN 202180093356 A CN202180093356 A CN 202180093356A CN 116997804 A CN116997804 A CN 116997804A
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CN
China
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current
circuit
condition
wire
magnetic core
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Application number
CN202180093356.2A
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Inventor
P·加布里埃尔松
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Ampure Charging Systems Inc
Original Assignee
Webasto Charging Systems Inc
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Publication date
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Abstract

提供了一种电流感测电路(105)，以测量将电源(101)连接到负载(107)的电线(109)中的电流。所述电流感测电路(105)包括磁路(203)，所述磁路具有磁芯(203a)、围绕所述磁芯(203a)缠绕的参考绕组(203b)以及穿过磁芯(203a)中心的导体(203c)。导体(203c)连接到电线(109)。所述电流感测电路(105)还包括连接到磁路(203)的参考绕组(203b)的检测电路(205)。所述检测电路(205)被配置为检测磁芯(203a)状况的变化并且响应于所述变化的确定而生成检测信号。此外，所述电流感测电路(105)包括耦接到检测电路(205)以接收检测信号的控制器(207)。所述控制器(207)响应于来自检测电路(205)的检测信号而测量所述电线(109)中的电流。

Description

电流感测电路和用于测量电线中电流的电流测量系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年12月16日提交的美国非临时专利申请序列号17/124,322的优先权，该专利申请以引用方式全文并入本文。
技术领域
各实施例总体涉及测量系统，更具体而言，涉及用于测量电线中电流的测量系统中的电流感测电路。
背景技术
存在各种测量系统用于测量电线中的电流。常规测量系统使用电流感测技术，例如霍尔效应、磁通门或电流变换器技术来测量电线中的电流。然而，当用于测量系统中来测量电线中的电流时，这些电流感测技术有一些缺点。例如，霍尔效应技术需要霍尔元件(例如，磁电转换元件)来测量电线中的电流，这使得霍尔效应技术成本高昂。此外，霍尔效应电流感测技术对温度变化更加敏感。
磁通门技术需要磁探针线圈来测量电线中的电流，这使得磁通门技术的实施复杂并且成本高。
电流变换器技术既不使用霍尔元件也不使用磁探针线圈。然而，使用电流变换器技术的测量系统需要更大的电路板，因为电流变换器很大，在电路板上占据更大空间以测量电线中的电流。随着电路板尺寸的增大，制造电路板的成本也增加。因此，电流变换器在测量系统中实施起来很昂贵。
发明内容
一种电路实施例可以包括用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的电流感测电路。所述电流感测电路可以包括磁路，所述磁路具有磁芯、围绕所述磁芯缠绕的参考绕组以及穿过所述磁芯的中心的导体，所述导体连接到所述电线；连接到所述磁路的所述参考绕组的检测电路，其中，所述检测电路被配置为检测所述磁芯的状况的变化并且响应于对所述变化的确定而生成检测信号；以及耦接到所述检测电路以用于接收所述检测信号的控制器，其中，所述控制器被配置为响应于从所述检测电路接收到所述检测信号而测量所述电线中的所述电流。
在额外的电流感测电路实施例中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
在额外的电流感测电路实施例中，所述检测电路还可以包括：电流源电路，所述电流源电路被配置为向所述参考绕组供应参考电流以偏置所述磁芯的所述状况，其中，所述磁芯(203b)的状况基于所述参考电流和所述电线中的所述电流而变为所述饱和状况和所述去饱和状况中的至少一种；以及比较器电路，所述比较器电路被配置为检测所述参考绕组两端的电压脉冲并且响应于检测到的电压脉冲生成所述检测信号，其中，当所述磁芯的所述状况从饱和状况变为去饱和状况时，生成所述电压脉冲。
在额外的电流感测电路实施例中，所述控制器还被配置为：响应于所述检测信号对所述参考电流进行采样；针对所述参考电流的每个采样值确定相位时间；基于所确定的相位时间对所述参考电流的所述采样值进行排序；以及基于所述参考电流的所排序的采样值计算平均值。所计算的平均值与连接到所述电线的导体中的电流成比例。
在额外的电流感测电路实施例中，环形磁芯包括：预定义内径和预定义外径。所述参考绕组缠绕到所述磁芯预定义匝数。
在额外的电流感测电路实施例中，所述比较器电路在所检测的电压脉冲大于阈值时生成所述检测信号。
在额外的电流感测电路实施例中，所述控制器被配置为控制所述电流源电路，以使用升高设置和降低设置中的至少一种来调节所述参考电流。
在额外的电流感测电路实施例中，所述升高设置包括以一百毫秒到大约十毫秒之间的频率范围升高预定义安培的所述参考电流；并且所述降低设置包括以一百毫秒到大约十毫秒之间的频率范围降低预定义安培的所述参考电流。
一种方法实施例可以包括用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的方法。所述方法可以包括：向参考绕组供应参考电流，其中，所述参考绕组是围绕磁芯缠绕的；基于所供应的参考电流检测所述磁芯的状况的变化以及响应于对所述变化的确定而生成检测信号；以及响应于所述检测信号测量所述电线中的所述电流，其中，所述检测信号指示所述磁芯的状况的变化。
在额外的方法实施例中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
在额外的方法实施例中，所述方法还包括使用升高设置和降低设置中的至少一种来调节所述参考电流。
在额外的方法实施例中，所述升高设置包括以一百毫秒到十毫秒之间的频率范围升高预定义安培的所述参考电流；并且所述降低设置包括以一百毫秒到大约十毫秒之间的频率范围降低预定义安培的所述参考电流。
在额外的方法实施例中，所述方法还包括检测参考绕组两端的电压脉冲。当所述磁芯的所述状况从饱和状况变为去饱和状况时生成所述电压脉冲。
在额外的方法实施例中，所述方法还包括：响应于所述检测信号对所述参考电流进行采样；针对所述参考电流的每个采样值确定相位时间；基于所确定的相位时间对所述参考电流的所述采样值进行排序；以及基于所述参考电流的所排序的采样值计算平均值，其中，所计算的平均值与连接到所述电线的导体中的电流成比例。
在又一方面中，一种电动车辆供电设备(EVSE)可以包括：用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的电流感测电路，所述电流感测电路可以包括：磁路，所述磁路具有磁芯、围绕所述磁芯缠绕的参考绕组以及穿过所述磁芯的中心的导体，所述导体连接到所述电线；连接到所述磁路的所述参考绕组的检测电路，其中，所述检测电路被构造和布置成检测所述磁芯的状况的变化；以及耦接到所述检测电路的控制器，其中，所述控制器被配置为响应于来自所述检测电路的所述检测信号来测量所述电线中的所述电流。
在额外的EVSE实施例中，所述EVSE可以包括过电流保护电路，所述过电流保护电路被配置为防止过大电流流向所述EVSE，其中，所述过电流保护电路被配置为响应于通过所述电流感测电路测量的所述电流来进行操作。
在额外的EVSE实施例中，所述过电流保护电路还被配置为：确定通过所述电流感测电路测量的电流是否大于可配置阈值供应电流；以及响应于确定所述电线中的所述电流大于所述可配置阈值供应电流来中断所述电流在所述EVSE中的流动。
在额外的EVSE实施例中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
在额外的EVSE实施例中，所述检测电路还可以包括：电流源电路，所述电流源电路被配置为向所述参考绕组供应参考电流以偏置所述磁芯的所述状况，其中，所述磁芯(203b)的状况基于所述参考电流和所述电线中的所述电流而变为所述饱和状况和所述去饱和状况中的至少一种；以及比较器电路，所述比较器电路被配置为检测所述参考绕组两端的电压脉冲并且响应于检测到的电压脉冲生成所述检测信号，其中，当所述磁芯的所述状况从饱和状况变为去饱和状况时，生成所述电压脉冲。
在额外的EVSE实施例中，所述比较器电路在检测到的电压脉冲大于阈值时生成所述检测信号。
在额外的EVSE实施例中，所述控制器被配置为控制所述电流源电路，以使用升高设置和降低设置中的至少一种来调节所述参考电流。
在额外的EVSE实施例中，所述升高设置包括以一百毫秒到十毫秒之间的频率范围升高预定义安培的所述参考电流；并且所述降低设置包括以一百毫秒到大约十毫秒之间的频率范围降低预定义安培的所述参考电流。
在额外的EVSE实施例中，所述控制器还被配置为：响应于所述检测信号对所述参考电流进行采样；针对所述参考电流的每个采样值确定相位时间；基于所确定的相位时间对所述参考电流的所述采样值进行排序；以及基于所述参考电流的所排序的采样值计算平均值。所计算的平均值与连接到电线的导体中的电流成比例。
在额外的EVSE实施例中，所述磁芯包括：预定义内径和预定义外径。所述参考绕组缠绕到所述磁芯预定义匝数。
在额外的EVSE实施例中，所述预定义内径为八毫米，所述预定义外径为十三毫米，并且所述预定义匝数为二百五十匝。
一种系统实施例可以包括电动车辆供电系统。所述系统可以包括：用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的电流感测电路，所述电流感测电路可以包括：磁路，所述磁路具有磁芯、围绕所述磁芯缠绕的参考绕组以及穿过所述磁芯的中心的导体，所述导体连接到所述电线；连接到所述磁路的所述参考绕组的检测电路，其中，所述检测电路被构造和布置成检测所述磁芯的状况的变化并且响应于对所述变化的确定来生成检测信号；以及耦接到所述检测电路以用于接收所述检测信号的控制器，其中，所述控制器被配置为响应于来自所述检测电路的所述检测信号来测量所述电线中的所述电流。
上文的发明内容部分仅用于例示，而无意以任何方式构成限制。除了上文描述的各个例示性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和下文的具体实施方式部分，其他方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
图中的部件未必按比例绘制，而是侧重于图示本发明的原理。相似附图标记贯穿不同视图标示对应的部分。在附图的图中通过举例而非限制性的示出了各实施例，在附图中：
图1绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的电流测量系统的环境；
图2A绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的电流感测电路的一般性框图；
图2B绘示了根据本发明示例性实施例用于电流感测电路中的示范性磁路；
图3绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的电流感测电路的详细框图；
图4绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的电流感测电路的电路图；
图5A绘示了根据本发明示例性实施例示出电路图的输出波形的快照；
图5B绘示了根据本发明示例性实施例示出电线中电流的两个半周期的电路图的输出波形的快照；
图6绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的电流感测电路的电路图；
图7绘示了根据本发明示例性实施例示出电路图的输出波形的快照；
图8绘示了根据本发明示例性实施例示出电流源电路的推挽式配置的电路图；
图9绘示了根据本发明示例性实施例用于检测电压脉冲的控制器中的比较器配置；
图10A-10B绘示了根据本发明示例性实施例由控制器执行的用于测量电线中电流的方法；
图11绘示了根据本发明示例性实施例示出比较器电路的输出波形的快照；
图12绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线中电流的方法；以及
图13绘示了根据本发明示例性实施例的电流测量系统的示范性工作环境。
具体实施方式
本电流感测电路允许通过向具有磁芯的磁路供应参考电流来精确测量电线中的电流。供应参考电流以偏置磁芯的状况。磁芯的状况基于参考电流和电线中的电流变为饱和状况。例如，当参考电流和电线中的电流差异(delta)超过磁芯的饱和电流时，磁芯变为饱和状况。此外，当参考电流等于电线中的电流时，磁芯从饱和状况变为去饱和状况。为此，对参考电流进行采样以精确测量电线中的电流，因为当磁芯从饱和状况变为去饱和状况时，参考电流等于电线中的电流。
磁芯通常保持在饱和状况以测量电线中的电流，当与当前可用的电流感测技术中使用的磁芯相比时，磁路中使用的磁芯具有小尺度，此外，磁路中使用的磁芯可以由低成本软饱和材料制成。此外，本电流感测电路可以不受温度变化的影响。例如，本电流感测电路允许在很宽范围的温度下(例如，-40摄氏度到+120摄氏度)中精确测量电线中的电流。此外，本电流感测电路比当前可用的电流感测技术具有更好的电磁兼容性(EMC)性能，因为本电流感测电路使用处于饱和状况中的磁芯来测量电线中的电流。
图1绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的电流测量系统103的环境100。电流测量系统103连接到电线109。电线109将电源101连接到负载107。电源101经由电线109向负载107供应电功率。例如，电源101可以是公用电网等。电源101也可以被称为电气源101。电功率可以是交流电(AC)电源，例如，正弦电流或直流(DC)电源。电流测量系统103被配置为测量电线109中的AC电源(即，电流)。
在实施例中，电流测量系统103包括用于测量电线109中的电流的电流感测电路105。为此，电流感测电路105连接到电线109并且被配置为测量将电源101连接到负载107的电线109中的电流。一些实施例基于意识到电线109中的电流并非瞬时变化。为此，在示例性实施例中，电流感测电路105被配置为测量电线109中的电流的平均值(例如，电流的均方根(RMS)值)而不是测量瞬时电流。例如，电流感测电路105测量在预定义时间段内在电线109中流动的电流的平均值。进一步在图2A的详细描述中解释用于测量电线109中的电流的电流测量系统103中使用的电流感测电路105。
图2A绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的电流感测电路201的一般性框图200。电流感测电路201对应于在图1的详细描述中解释的电流感测电路105。电流感测电路201包括磁路203、检测电路205和控制器207。电流感测电路201中使用的磁路203如图2B所示。
图2B绘示了根据本发明示例性实施例用于电流感测电路201中的示范性磁路203。磁路203包括磁芯203a、绕在磁芯203a上的参考绕组203b以及穿过磁芯203a中心的导体203c。磁芯203a是圆环形磁芯。例如，磁芯203a是软饱和材料或硬饱和材料的圆环形磁芯。软饱和材料可以包括铁氧体芯、软铁-镍合金等。硬饱和材料可以包括铬钢、钨钢等。
磁芯203a具有预定义内径和预定义外径。例如，磁芯203a具有大约八毫米的内径和大约十三毫米的外径。磁芯203a缠绕有预定义匝数的参考绕组203b。例如，在一个实施例中，磁芯203a上的预定义匝数大约为二百五十匝。
此外，磁芯203a允许导体203c穿过磁芯203a的中心。导体203c连接到电线109，电线109将电源101连接到负载107。在示例性实施例中，导体203c可以是将电源101连接到负载107的电线109。
参考图2A，检测电路205连接到磁路203a。在实施例中，检测电路205连接到磁路203a的参考绕组203b。检测电路205被构造并布置成检测磁芯203a的状况改变。磁芯203a的状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。如本文所用的，饱和状况是对于导体203c中的电流的任何变化，磁芯203a不会诱发磁场的状况。如本文所用的，去饱和状况是磁芯203a诱发与导体203c中的电流变化成比例的磁场的状况。在实施例中，检测电路205被配置为检测磁芯203a是否从饱和状况变为去饱和状况。此外，检测电路205被配置为响应于检测到磁芯203a状况的变化而生成检测信号。检测信号表示磁芯203a状况的变化。
控制器207耦接到检测电路205。在一个实施例中，控制器207是基于微控制器的电路。控制器207被配置为响应于检测电路205生成检测信号来测量电线109中的电流。在图3的详细描述中进一步解释了电流感测电路201中使用的检测电路205和控制器207。
图3绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的电流感测电路301的详细框图300。电流感测电路301对应于在图2A的详细描述中解释的电流感测电路201。电流感测电路301包括磁路303、检测电路305和控制器307。磁路303、检测电路305和控制器307对应于分别在图2A的详细描述中解释的磁路203、检测电路205和控制器207。
检测电路305包括电流源电路305a和比较器电路305b。检测电路305连接到图2B的参考绕组203b。为此，电流源电路305a和比较器电路305b连接到参考绕组203b。控制器307使用控制器307的一个或多个输入和输出管脚连接到电流源电路305a和比较器305b。
控制器307被配置为控制电流源电路305a以向磁路303的参考绕组203b供应参考电流。例如，控制器307控制电流源电路305a以向参考绕组230b供应预定义安培和预定义频率的参考电流。在示例性实施例中，控制器307控制电流源电路305a通过向参考绕组203b提供参考电流来偏置磁芯203a的状况。例如，控制器307控制电流源电路305a供应参考电流，使得参考电流和电线109中的电流差异(差值)超过磁芯203a的饱和电流。如本文所用的，磁芯203a的饱和电流是一最大电流值，超过该最大电流值，磁芯203a向饱和状况移动。换言之，电流源电路305a基于来自控制器307的控制信号向参考绕组203b供应参考电流以使磁芯203a饱和。为此，磁芯203a向饱和状况移动。
根据一些实施例，当参考电流等于电线109中的电流时，磁芯203a从饱和状况变为去饱和状况。当参考电流等于电线109中的电流时，磁芯203a可以产生磁通量。磁通量使得能够进行磁耦合，由此确保磁芯从饱和状况变为去饱和状况。此外，当磁芯203a处于去饱和状况中时，参考电流跟踪电线109中的电流或者与其同步。为此，控制器307被进一步配置为控制电流源电路305a以通过调节参考电流使磁芯的状况从饱和状况变为去饱和状况。例如，控制器307控制电流源电路205a以调节参考电流，用于将磁芯的状况从饱和状况变为去饱和状况。
磁芯203a保持在去饱和状况中一短时间段。例如，磁芯203a保持在去饱和状况中，直到参考电流等于电线109中的电流。由于电线109中的电流的正弦性质，磁芯203a从去饱和状况变为饱和状况。例如，当参考电流不等于电线109中的电流时，磁芯203a从去饱和状况变为饱和状况。换言之，当电线109中的电流超过参考电流时，磁芯203a从去饱和状况变为饱和状况。
由于磁耦合的原因，当磁芯203a从饱和状况变为去饱和状况时，参考绕组203b两端出现电压脉冲。由于磁解耦的原因，当磁芯203a从去饱和状况变为饱和状况时，参考绕组203b两端的电压脉冲消失。为此，比较器电路305b被配置为当磁芯203a从饱和状况变为去饱和状况时检测参考绕组203b两端的电压脉冲。
对于所供应的参考电流，磁芯203a的耦合和解耦每个AC周期发生两次。因此，在实施例中，比较器电路305b包括两个比较器。例如，比较器电路305b的一个比较器检测电压上升沿，比较器电路305b的另一比较器检测电压下降沿。
此外，比较器电路305b被配置为基于所检测的电压脉冲来生成检测信号。在实施例中，比较器电路305b在检测的电压脉冲大于阈值时生成检测信号。例如，比较器电路305b通过比较参考绕组203b两端的所检测电压脉冲和阈值来生成检测信号。为此，比较器电路305b避免了由于噪声而在参考绕组203b两端检测到的电压脉冲。在替代实施例中，比较器电路305b输出在参考绕组203b两端检测到的电压脉冲作为检测信号。
控制器307连接到比较器电路305以从比较器电路305b接收检测信号。此外，控制器307被配置为响应于来自比较器电路305b的检测信号来测量电线109中的电流。在实施例中，控制器307对参考电流进行采样并且记录参考电流的采样值的时间戳以用于测量电线109中的电流。例如，控制器307对参考电流采样并且记录由于磁耦合而触发比较器电路305b时的时间戳。控制器307采样的参考电流与电线109中的电流成比例，因为仅在参考电流等于电线109中的电流时(即，当磁芯203a从饱和状况变为去饱和状况时)，参考绕组203b两端才出现电压脉冲。在示例性实施例中，控制器307使用模数转换器(ADC)来对参考电流进行采样。在示例性实施例中，控制器307使用定时器计数器(例如，32位定时器计数器)来记录样本的时间戳。
通过这种方式，当参考电流等于电线109中的电流时，控制器307在参考电流的一个半周期和/或参考电流的两个半周期中获取参考电流的多个采样值。换言之，每次触发比较器电路305b时，控制器307就对参考电流进行采样并且记录参考电流的一个半周期和/或参考电流的两个半周期的时间戳，以获取参考电流的多个样本值。控制器307还处理多个采样值以计算参考电流的平均值。在实施例中，控制器307针对参考电流的多个采样值中的每个确定相位时间，并且基于所确定的相位时间对参考电流的多个采样值进行排序，以用于计算参考电流的平均值。在示例性实施例中，控制器307使用SC定时器(状态可配置定时器)来处理参考电流的采样值。所计算的参考电流平均值与电线109中的电流的平均值(例如，RMS二阶电流)成比例。控制器307还将参考电流的计算平均值与参考绕组203b的预定义匝数相乘，以用于计算电线109中的平均电流(例如，RMS二阶电流)。
通过这种方式，电流感测电路301通过控制参考电流以使磁芯203a饱和和去饱和来精确计算电线109中的电流(例如，RMS电流)。电流感测电路301比当前可用的电流感测技术更有成本效率，因为电流感测电路301使用了具有小尺度的磁芯203a和由软饱和材料制成的磁芯203a。此外，电流感测电路301构造起来更简单，因为电流感测电路301使用了具有更少匝数的参考绕组203b的磁路303。
电流感测电路301具有更宽范围的温度稳定性。换言之，电流感测电路301受温度变化的影响最小。例如，电流感测电路301在大约-40摄氏度到大约+120摄氏度的温度范围中精确测量电流。电流感测电路301比当前可用的电流感测技术具有更好的EMC(电磁兼容性)性能，因为电流感测电路301不受任何外部场的影响。例如，电流感测电路301不受任何外部场的影响，因为磁芯203a在饱和状况中花费其大部分时间。此外，用于测量电线109中电流的电流感测电路301的示例性电路图如图4所示。
图4绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的电流感测电路301的电路图400。电路图400包括电流源电路401、比较器电路403、磁路405和电源407。电流源电路401、比较器电路403和磁路405分别对应于在图3的详细描述中解释的电流源电路305a、比较器电路305b和磁路303。电流源电路401连接到比较器电路403，如图4所示。此外，电流源电路401和比较器电路403连接到磁路405，如图4所示。
磁路405包括初级绕组405a和次级绕组405b。初级绕组405a可以对应于导体203c的绕组。次线绕组405b可以对应于参考绕组203b的绕组。例如，次线绕组403b大约为二百五十匝。磁路405额外包括与包括初级绕组405a和次线绕组405b的变压器并联的电感器405c。电感器405c并联连接到变压器以模拟磁耦合。
电流源电路401连接到次线绕组405b并且被配置为基于从控制器307(本图中未示出)接收的控制信号向次线绕组405b供应参考电流。在示例性实施例中，电流源电路401包括参考源401a、运放(运算放大器)401b、n-p-n晶体管401c和p-n-p晶体管401d，它们如图4所示布置和连接，以向次线绕组405b供应参考电流。
比较器电路403连接到次线绕组405b并且被配置为响应于检测到磁芯203a(本图中未示出)的状况的变化来检测次线绕组405b两端的电压脉冲。在示例性实施例中，比较器电路403包括第一比较器403a和第二比较器403b，它们如图4所示布置和连接，以用于检测电压脉冲。第一比较器403a被配置为检测电压下降沿。第二比较器403b被配置为检测电压上升沿。
电源407对应于电源101。电源407包括电压源和电阻器。此外，电路图400的输出波形如图5A-5B所示。
图5A绘示了根据本发明示例性实施例示出电路图400的输出波形的快照500a。快照500a示出了参考绕组203b中的参考电流501和电线109中的电流503(即，导体203c中的电流503)。如快照500a中所示，当参考电流501等于电线109中的电流503时，参考电流501中的尖峰505出现，通知磁芯203a已经从饱和状况变为去饱和状况。
图5B绘示了示出根据本发明示例性实施例示出了电路图400在电线109中的电流的一个AC周期中的输出波形的快照500b。快照500b示出了对应于图5A的输出波形的一个AC周期的更近视图。快照500b示出了参考电流501、电线109中的电流503、比较器403b输出的电压上升沿505以及比较器403a输出的电压下降沿507。如快照500b中所示，当参考电流501等于电线109中的电流503时，电压上升沿505和电压下降沿507分别由第一比较器403b和第二比较器403a输出。此外，快照500b示出，当参考电流501等于电流503时(即，磁芯203a处于去饱和状况中时)，参考电流501在短时间段内与电流503同步。
图6绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的电流感测电路301的电路图600。电路图600包括电流源电路601、比较器电路603、磁路605和电源607。电流源电路601、比较器电路603和磁路605分别对应于在图3的详细描述中解释的电流源电路305a、比较器电路305b和磁路303。电流源电路601连接到比较器电路603，如图6中所示。此外，电流源电路601和比较器电路603连接到磁路605，如图6中所示。
磁路605包括初级绕组605a和次级绕组605b。初级绕组605a可以对应于导体203c的绕组。次线绕组605b可以对应于参考绕组203b的绕组。在一些实施例中，磁路605额外包括与包括初级绕组605a和次线绕组605b的变压器并联的电感器605c。电感器605c并联连接到变压器以模拟磁耦合。
电流源电路601连接到次线绕组605b并且被配置为基于从控制器307接收的控制信号向次线绕组605b供应参考电流。在示例性实施例中，电流源电路601包括参考源601a和单个n-p-n晶体管601b，它们如图6所示布置和连接，以向次线绕组605b供应参考电流。
比较器电路603连接到次线绕组605b并且被配置为响应于检测到磁芯203a的状况的变化检测次线绕组605b两端的电压脉冲。在示例性实施例中，比较器电路603包括第一比较器603a和第二比较器603b，它们如图6所示布置和连接，以用于检测电压脉冲。第一比较器603a被配置为检测电压下降沿。第二比较器603b被配置为检测电压上升沿。电源607对应于电源101。电源607包括电压源和电阻器。
电流感测电路301的电路图600是电流感测电路301的电路图400的简化版本，因为电流源电路601包括一个n-p-n晶体管601b。此外，电流源电路601中的运放的需求被消除，由此降低了电路复杂性和成本。为此，电流感测电路301的电路图600检测AC电源一个半周期中的电压脉冲，因为电线109中的电流是对称的和正弦的。此外，电路图600的输出波形如图7中所示。
图7绘示了根据本发明示例性实施例示出电路图600的输出波形的快照700。快照700示出了参考绕组203b中的参考电流701、导体203c中的电流703、第二比较器603b输出的电压上升沿705以及第一比较器603a输出的电压下降沿707。如快照700中所示，当参考电流701等于电流703时，由第二比较器603b输出电压上升沿705。由于电流源电路601的简化，所以第一比较器603a将电压下降沿707输出为平脉冲(例如，没有持续时间的脉冲)。然而，将次线绕组605b，即电路图600中的参考绕组修改成推挽式配置，允许检测电线109中的电流的正负半周期两者中的电压脉冲。此外，电流源电路601的推挽式配置如图8中所示。
图8绘示了根据本发明示例性实施例示出电流源电路601的推挽式配置的电路图800。电路图800包括电流源电路801和磁路803。电流源电路801对应于电流源电路601的推挽式配置。磁路803对应于磁路603的推挽式配置。电流源电路801包括两个n-p-n晶体管801a和801b，以用于在两个半周期中都驱动磁路803。磁路803包括两个次级绕组803a和803b。次级绕组803a对应于参考绕组203b的一半，次级绕组803b对应于参考绕组203b的另一半。次级绕组803a与次级绕组803b在相反方向缠绕，或者次级绕组803b与次级绕组803a在相反方向缠绕，以检测电流的两个半周期中的电压脉冲。因此，将电流源电路601和磁路605分别修改成电流源电路801和磁路803允许检测电线109中的电流的两个半周期中的电压脉冲。
图9绘示了根据本发明示例性实施例用于检测电压脉冲的控制器307中的比较器配置900。在一些示例性实施例中，在控制器307外部的比较器电路305b可以包含于控制器307之内，如比较器配置900中所示。为此，电路图400和/或电路图600可以进一步简化，因为比较器电路403和/或比较器电路603包含于控制器307之内。比较器配置900包括多个复用器901、903、905、907和913、比较器909、滤波块911和中断逻辑915。如图9中所示，多个复用器901、903、905和907连接到比较器909。多个复用器901、903、905和907被配置为将比较器909设置成上升配置和下降配置中的至少一种。在示例性实施例中，复用器905被供应来自复用器903的输入管脚号二十一的电压参考值，复用器907被供应以输入管脚，用于将比较器909设置成上升配置。在示例性实施例中，复用器905被供应以输入管脚，复用器907被供应以来自复用器903的输入管脚号十的电压参考值，用于将比较器909设置成下降配置。
在实施例中，当比较器909被设置成上升配置时，比较器909被配置为检测电压上升沿。在替代实施例中，当比较器909被设置成上升配置时，比较器被配置为检测电压下降沿。检测到的电压脉冲被输出到SC定时器、ADC和/或定时器计数器，以用于测量电线109中的电流。在一些实施例中，通过滤波块911对来自比较器909的输出进行滤波。滤波块911过滤掉不希望的频率，由此确保不会由于噪声触发对电线109中的电流的测量。因此，滤波块911减少了由于噪声触发的瞬时电压尖峰导致的误触发，并且确保测量到真正的电压脉冲。来自滤波块911的输出被提供到中断逻辑块915和复用器913。中断逻辑块915向嵌套矢量中断控制(NVIC)逻辑提供中断或延迟信号，以确保当参考电流不等于电线109中的电流时中断对参考电流的采样。复用器913是滤波器旁路复用器，其确保来自滤波块911的输出信号不会通过中断逻辑915。滤波器旁路复用器913减少了处理来自比较器909的电压脉冲所需的时间。此外，在图10A-10B的详细描述中解释了由控制器307执行的用于测量电线109中的电流的方法。
图10A-10B绘示了根据本发明示例性实施例由控制器307执行的用于测量电线109中电流的方法1000。方法1000可以与图3的详细描述中描述的电流感测电路301结合使用。尽管在图10A-10B的详细描述中描述了方法1000的各个步骤，但不必执行全部步骤，在一些情况下，可以按照不同于图示顺序的顺序执行。
在步骤1001处开始，方法1000包括设置参考电流值。例如，控制器307设置参考电流值以控制电流源电路305a来向磁路303供应参考电流。在实施例中，控制器307将参考电流值设置为零。在替代实施例中，控制器307将参考电流值设置成预定义安培，以偏置磁芯203a的状况。基于参考电流和电线109中的电流，磁芯203a的状况可以是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。参考电流可以是PWM信号。
在步骤1003，方法1000包括将比较器配置设置成上升配置，以用于检测参考绕组203b两端的电压脉冲(即，电压上升沿)。例如，控制器307将比较器配置设置成如在图9的详细描述中解释的上升配置。在一些情况下，当电流感测电路301使用位于控制器307外部的比较器电路305b时，控制器307可以绕过步骤1003。
在步骤1005，方法1000包括通过测量电线中的电流的频率来计算电线109中的电流的完整周期和半周期中的至少一者。例如，控制器307测量电线109中的电流的频率并且基于所测量的频率计算电线109中的电流的完整周期和半周期中的至少一者。
在步骤1007，方法1000包括调节参考电流以使用升高设置来升高参考电流。例如，控制器307控制电流源电路305a以调节参考电流，从而使用升高设置来升高参考电流。在一个实施例中，控制器307调节参考电流以通过线性方式升高参考电流。为此，可以按照斜变信号升高参考电流。在另一实施例中，控制器307调节参考电流以通过正弦方式升高参考电流。为此，可以按照正弦信号升高参考电流。在又一实施例中，控制器307调节参考电流以通过随机方式升高。为此，可以按照随机信号升高参考电流。升高设置包括在短持续时间之后将参考电流升高预定义安培。持续时间间隔可以从10毫秒到100毫秒。在一些实施例中，在每10毫秒或100毫秒之后，增大预定义安培的参考电流。换言之，升高设置包括参考电流的最大负荷(max duty)、以及要在每10毫秒到100毫秒的范围内升高的最大负荷百分比(即，调节率(scale rate))。例如，如果参考电流的最大负荷是四十安培，控制器307通过调节参考电流来以每十毫秒百分之二十的最大负荷调节率将参考电流升高到四十安培。
在步骤1009，方法1000包括响应于来自检测电路305的检测信号对参考电流进行采样。例如，控制器307响应于来自检测电路305的检测信号对参考电流进行采样并且将采样值连同时间戳一起存储在阵列中。方法1000还可以包括，在步骤1009，在获得采样值之后并且在从检测电路305接收到另一检测信号之前，提供延迟。例如，控制器307可以在获得采样值之后并且在从检测电路305接收到另一检测信号之前提供一毫秒的延迟。
在步骤1011处，方法1000包括当参考电流对应于升高设置中的最大电流时，将比较器配置设置成下降配置。例如，当参考电流对应于升高设置中的最大电流时，控制器307将比较器配置设置成下降配置，如图9的详细描述中所述。在一些情况下，当电流感测电路301使用位于控制器307外部的比较器电路305b时，控制器307可以绕过步骤1011。
在步骤1013，方法1000包括调节参考电流以使用降低设置来降低参考电流。例如，控制器307控制电流源电路305a以调节参考电流，从而使用降低设置来降低参考电流。在一个实施例中，控制器307调节参考电流以通过线性方式降低参考电流。在另一实施例中，控制器307调节参考电流以通过正弦方式降低参考电流。在又一实施例中，控制器307调节参考电流以通过随机方式降低。降低设置包括在短持续时间之后降低预定义安培的参考电流。持续时间间隔可以从10毫秒到100毫秒。在一些实施例中，在每10毫秒或100毫秒之后，减小预定义安培的参考电流。换言之，降低设置包括参考电流的最大负荷，以及要在每10毫秒到100毫秒范围降低的最大负荷的百分比(即，调节率)。例如，如果参考电流的最大负荷是四十安培，控制器307通过调节参考电流，以每10毫秒百分之二十的最大负荷调节率将参考电流降低到零安培。
在步骤1015，方法1000包括响应于来自检测电路305的检测信号对参考电流进行采样。例如，控制器307响应于来自检测电路305的检测信号对参考电流进行采样并且将采样值连同时间戳一起存储在阵列中。方法1000还可以包括，在步骤1015，在获得采样值之后并且在从检测电路305接收到另一检测信号之前，提供延迟。例如，控制器307可以在获得采样值之后并且在从检测电路305接收到另一检测信号之前提供一毫秒的延迟。
在步骤1017，方法1000包括关闭参考电流。例如，控制器307控制电流源电路305a以关闭参考电流。
在步骤1019，方法1000包括将参考电流的采样值缩放一缩放倍数。例如，控制器307使用缩放倍数将阵列中存储的采样值缩放到安培数。例如，如果ADC是16位ADC，对于高功率电力线，缩放倍数可以是每873.813ADC计数一个安培(1A/873.813ADC计数)。
在步骤1021，方法1000包括针对参考电流的每个样本确定相位时间。例如，控制器307使用相位时间公式针对参考电流的每个样本确定相位时间：相位时间＝时间戳％周期。时间戳对应于采样值的时间戳。该周期对应于电线109中的电流的周期。
在步骤1023，方法1000包括基于所确定的相位时间对参考电流的每个样本进行排序。例如，控制器307基于参考电流的每个样本的相位时间，对参考电流的每个样本进行排序。
在步骤1025，方法1000包括基于参考电流的所排序的采样值计算参考电流的平均值。例如，控制器307使用如下数学公式计算参考电流的平均值：
其中，IntegratedSquare被数学表示为：
IntegratedSquare＝IntegratedSquare+(相位时间[n]-相位位间[n-1])*(样本值[n]2*样本值[n-1]2*0.5)
所计算的参考电流的平均值与电线109中的电流的平均值成比例。为此，在一些实施例中，控制器307将所计算的平均值与参考绕组203b的预定义匝数相乘，用于计算电线109中的电流。
在实施本文提供的方法1000时，控制器307被配置为当如图3所示布置和连接包括控制器307的电流感测电路301时，测量电线109中的电流。
图11绘示了根据本发明示例性实施例示出比较器电路305b的输出波形的快照1100。快照1100示出了参考绕组203b中的参考电流1101、电线109中的电流1103以及比较器403a输出的电压下降沿1107。如快照1100中所示，在一些情况下，可以在参考电流1101变为等于电流1103之前稍早一点触发比较器403a。为此，在一些示例性实施例中，控制器307被配置为，仅当参考电流等于电线109中的电流时，在从比较器电路305a接收检测信号之后或者在对参考电流采样之前提供延迟，以对参考电流进行采样。因此，电流感测电路301仅在参考电流等于电线109中的电流时对参考电流进行采样，以精确计算电线109中的电流。
图12绘示了根据本发明示例性实施例用于测量电线109中电流的方法1200。方法1200可以与图3的详细描述中描述的电流感测电路301结合使用。从步骤1201开始，方法1200包括向磁路203的参考绕组203b供应参考电流。例如，检测电路305的电流源电路305a基于从控制器307接收的控制信号向参考绕组203b供应参考电流。在示例性实施例中，电流源电路305供应参考电流，使得将磁芯203a的状况变为饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
在步骤1203，方法1200包括基于所供应的参考电流检测磁芯203a的状况的变化以及响应于对所述变化的确定而生成检测信号。例如，检测电路305的比较器电路305b检测磁芯203a的状况的变化。在示例性实施例中，比较器电路305b检测参考绕组203b两端的电压脉冲，以检测磁芯203a的状况的变化。根据一些实施例，在参考电流等于电线109中的电流时(即，当磁芯203a从饱和状况变为去饱和状况时)，参考绕组203b两端出现电压脉冲。此外，比较器电路305b响应于检测到磁芯203a状况的变化而生成检测信号。
在步骤1205，方法1200包括响应于检测信号测量电线109中的电流。例如，控制器307响应于检测信号测量电线109中的电流。由于检测信号表示磁芯203a状况的变化(即，检测信号表示参考电流等于电线中的电流)，所以控制器307对参考电流进行采样，以测量电线109中的电流。
在实施本文提供的方法1200时，电流感测电路301被配置为当如图3所示布置和连接电流感测电路301时，精确测量电线109中的电流。
图13绘示了根据本发明示例性实施例的电流测量系统103的示范性工作环境1300。工作环境1300包括电源1301、电动车辆供应设备(EVSE)1303和电动车辆1311。电源1301对应于电源101。EVSE 1301是电动车辆充电点或电动车辆充电系统，并且对应于图1中所示的负载107。EVSE 1301从电源1301向电动车辆1311供应所请求的电公路，以对电动车辆1311充电。在实施例中，EVSE 1303连接于电源1301和电动车辆1311之间，以供应所请求的电公路。电动车辆1311是使用一个或多个电动马达进行驱动的车辆。
EVSE 1303包括电流测量系统1305和过电流保护电路1309。电流测量系统1305对应于电流测量系统103。电流测量系统1305包括电流感测电路1307。电流感测电路1307对应于电流感测电路307。电流感测电路1307连接到电线109，电线将电源1301连接到电动车辆1311。电流感测电路1307测量电线109中的电流，如图3的详细描述中所解释的。
过电流保护电路1309连接到电线109并且被配置为响应于来自电流感测电路1307的测量电流防止电线109中的过电流状况。过电流状况包括诸如电导体中的电流高于可配置阈值供应值等状况。根据来自电动车辆1311的所请求电功率，可配置阈值供应值可以是人工或自动预定的。为此，过电流保护电路1309被配置为防止过大电流流向电动车辆1311。
在示例性实施例中，过电流保护电路1309被配置为确定来自电流感测电路1307的测量电流是否高于可配置阈值供应值。此外，过电流保护电路1309被配置为响应于确定测量电流高于可配置阈值供应值中断电线109中电流的流动，以防止过电流状况。在示例性实施例中，过电流保护电路1309持续预定时间段中断电线109中的电流流动，以防止过电流状况。可以在电动车辆1311的充电会话期间中断电流流动。
通过这种方式，与EVSE 1303中的过电流保护电路1309一起使用包括电流感测电路1307的电流测量系统1305，以供应所请求的电功率并且防止过电流状况，使得为电动车辆1311供应所请求的电功率并且进一步电动车辆1311不会由于过电流状况而受损。
此外或替代地，电流测量系统1305可以在不同应用中实施。例如，电流测量系统1305可以用于接地故障检测系统、电流调节器等中。电流测量系统1305可以用于接地故障检测系统中，以检测接地故障状况，例如检测直接流向大地的杂散电流。电流测量系统1305可以用于电流调节器中，以监测电流并且调节电流设置。
构思的是，可以做出以上实施例的特定特征和方面的各种组合和/或子组合且仍然落在本发明的范围之内。因此，应当理解，可以将公开的实施例的各种特征和方面彼此组合或替换，以形成所公开发明的变化模式。此外，意图通过举例的方式在本文公开本发明的范围，并且本发明的范围不应受到上文所述的特定公开实施例的限制。

Claims (20)

1.一种用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的电流感测电路，所述电流感测电路包括：
磁路，所述磁路具有磁芯、围绕所述磁芯缠绕的参考绕组以及穿过所述磁芯的中心的导体，所述导体连接到所述电线；
连接到所述磁路的所述参考绕组的检测电路，其中，所述检测电路被配置为检测所述磁芯的状况的变化并且响应于对所述变化的确定而生成检测信号；以及
耦接到所述检测电路以接收所述检测信号的控制器，其中，所述控制器被配置为响应于从所述检测电路接收到所述检测信号而测量所述电线中的所述电流。
2.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的电流感测电路，其中，所述检测电路包括：
电流源电路，所述电流源电路被配置为向所述参考绕组供应参考电流以偏置所述磁芯的状况，其中，所述磁芯的所述状况基于所述参考电流和所述电线中的所述电流而变为所述饱和状况和所述去饱和状况中的至少一种；以及
比较器电路，所述比较器电路被配置为检测所述参考绕组两端的电压脉冲并且响应于所检测的电压脉冲生成所述检测信号，其中，当所述磁芯的所述状况从所述饱和状况变为所述去饱和状况时，生成所述电压脉冲。
4.根据权利要求3所述的电流感测电路，其中，所述比较器电路还被配置为当所检测的电压脉冲大于阈值时生成所述检测信号。
5.根据权利要求3所述的电流感测电路，其中，所述控制器被配置为控制所述电流源电路，以使用升高设置和降低设置中的至少一种来调节所述参考电流。
6.根据权利要求5所述的电流感测电路，
其中，所述升高设置包括以一百毫秒到十秒之间的频率范围升高预定义安培的所述参考电流；并且
其中，所述降低设置包括以一百毫秒到十秒之间的频率范围降低预定义安培的所述参考电流。
7.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，为了测量所述电线中的所述电流，所述控制器还被配置为：
响应于所述检测信号对所述参考电流进行采样；
针对所述参考电流的每个采样值确定相位时间；
基于所确定的相位时间对所述参考电流的所述采样值进行排序；以及
基于所述参考电流的所排序的采样值计算平均值，以测量所述电线中的所述电流，其中，所计算的平均值与连接到所述电线的所述导体中的电流成比例。
8.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述磁芯包括：
预定义内径和预定义外径；并且
其中，所述参考绕组被缠绕了预定义匝数。
9.一种用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的方法，所述方法包括：
向参考绕组供应参考电流，其中，所述参考绕组是围绕磁芯缠绕的；
基于所供应的参考电流检测所述磁芯的状况的变化以及响应于对所述变化的确定而生成检测信号；以及
响应于所述检测信号测量所述电线中的所述电流，其中，所述检测信号指示所述磁芯的所述状况的变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，检测所述磁芯的所述状况的变化还包括检测所述参考绕组两端的电压脉冲，其中，当所述磁芯的所述状况从所述饱和状况变为所述去饱和状况时，生成所述电压脉冲。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，向所述参考绕组供应所述参考电流还包括使用升高设置和降低设置中的至少一种来调节所述参考电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述升高设置包括以一百毫秒到十毫秒之间的频率范围升高预定义安培的所述参考电流；并且其中，所述降低设置包括以一百毫秒到十毫秒之间的频率范围降低预定义安培的所述参考电流。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，响应于所述检测信号测量所述电线中的所述电流还包括：
响应于所述检测信号对所述参考电流进行采样；
针对所述参考电流的每个采样值确定相位时间；
基于所确定的相位时间对所述参考电流的所述采样值进行排序；以及
基于所述参考电流的所排序的采样值计算平均值，以测量所述电线中的所述电流，其中，所计算的平均值与连接到所述电线的导体中的电流成比例。
15.一种电动车供电设备(EVSE)，包括：
用于测量将电源连接到负载的电线中的电流的电流感测电路，所述电流感测电路包括：
磁路，所述磁路具有磁芯、围绕所述磁芯缠绕的参考绕组以及穿过所述磁芯的中心的导体，所述导体连接到所述电线；
连接到所述磁路的所述参考绕组的检测电路，其中，所述检测电路被配置为检测所述磁芯的状况的变化并且响应于对所述变化的确定而生成检测信号；以及
耦接到所述检测电路以接收所述检测信号的控制器，其中，所述控制器被配置为响应于从所述检测电路接收到所述检测信号而测量所述电线中的所述电流。
16.根据权利要求15所述的EVSE，还包括过电流保护电路，所述过电流保护电路被配置为防止过大电流流向所述EVSE，其中，所述过电流保护电路被配置为响应于通过所述电流感测电路测量的所述电流而进行操作。
17.根据权利要求16所述的EVSE，其中，所述过电流保护电路还被配置为：
确定通过所述电流感测电路测量的所述电流是否大于可配置阈值供应电流；以及
响应于确定所述电线中的所述电流大于所述可配置阈值供应电流而中断所述电流在所述EVSE中的流动。
18.根据权利要求15所述的EVSE，其中，所述磁芯的所述状况是饱和状况和去饱和状况中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的EVSE，其中，所述检测电路包括：
电流源电路，所述电流源电路被配置为向所述参考绕组供应参考电流以偏置所述磁芯的所述状况，其中，所述磁芯的所述状况基于所述参考电流和所述电线中的所述电流而变为所述饱和状况和所述去饱和状况中的至少一种；以及
比较器电路，所述比较器电路被配置为检测所述参考绕组两端的电压脉冲并且响应于所检测的电压脉冲生成所述检测信号，其中，当所述磁芯的所述状况从所述饱和状况变为所述去饱和状况时，生成所述电压脉冲。
20.根据权利要求19所述的EVSE，其中，所述比较器电路还被配置为当所检测的电压脉冲大于阈值时生成所述检测信号。
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