電動汽車蓄電池組電流檢測系統(tǒng)硬件設計

天津理工大學　中國汽車技術研究中心有限公司　代琪琪

天津理工大學　杜明星　魏克新

0　引言

電池的充放電電流是蓄電池的重要參數(shù)，是用安時法計算SOC的主要依據(jù)，還會影響到保護策略的設置，對整個電池系統(tǒng)的性能及安全性都起著至關重要的作用。因此電流采樣數(shù)據(jù)的精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差必須嚴格要求，對采樣硬件電路的抗干擾性和數(shù)模隔離必須經(jīng)過良好的處理。

目前，最常用的電流檢測方法是通過電路中串聯(lián)的電阻兩端電壓來推算電流大小。該測量方法十分簡單，但測量精度不高，且電阻值受溫度的影響較大。當電流較大時，電阻對電流的消耗較大，不適合在BMS中使用。基于以上原因，本文電流檢測采用分流器測量和霍爾傳感器測量方案。

1　電流檢測的原理

分流器測量電流的原理是依據(jù)電流經(jīng)過電阻的時候在電阻兩端形成電壓而制作的，常用于均流取樣檢測，有插槽式和非插槽式。相比于霍爾電流傳感器在測量范圍的低端線性度很難保證，用分流器來測量電流，在整個量程內都可以保持比較好的線性度，并且擁有很好的精度。

霍爾電流傳感器測量基于霍爾原理，就是將總電源線穿過霍爾傳感器，通過電磁感應獲得電流值?；魻杺鞲衅鞯娜秉c在于精度不是特別高，而且靈活性不高，具有溫漂、零點漂移等問題。與分流器相比具有的優(yōu)勢為：（1）采用霍爾感應的原理，無需直接接觸高壓電路，低圧測量電路和高壓被測電路可以隔離，避免動力電池端的干擾進入控制端，不需外部隔離。因此，達到提高采樣精度，避免高壓干擾的目的；（2）電路簡單，易于安裝；（3）動態(tài)特性好，有極快的轉換速度。

1.1　分流器測量

分流器其實就是一個標準輸出的采樣電阻，使用精確測量的猛銅絲作為測量電流的標準參數(shù)，利用直流電流經(jīng)過導體會產(chǎn)生電壓的原理，通過測量電壓值來計算電流。分流器測量電流的主要過程是：信號濾波處理、模數(shù)轉換、通過隔離器件與控制器相連。由于分流器需要和高壓直接連接，所以主控單元與分流器需要隔離器件將其隔離。測量過程如圖1所示。

圖1　電流測量過程

首先分流器將所測電流轉換為0～75mV的電壓信號，通過濾波電路聯(lián)接到模-數(shù)轉換器CS5460A的模擬量輸入端，轉換為數(shù)字信號后經(jīng)過隔離電路傳給MCU。本設計采用FL-2型，額定參數(shù)為300A/75mV規(guī)格的分流器測量電流，結合雙積分高分辨率的ADC芯片CS5460A實現(xiàn)了高精度測量，主控單元和測量回路之間使用四通道數(shù)字隔離器ISO7241A進行隔離。

本文所用分流器的實物及其在系統(tǒng)中的接線分別如圖2和3所示。其主要技術參數(shù)如下：

（1）額定電流：300A，額定壓降：75mV，準確度等級±0.5%；

（2）標準電阻值：0.00025Ω；

（3）超載性能：額定電流120%，2小時。

圖2　FL-2型分流器

圖3　分流器接線示意圖

1.2　霍爾電流傳感器測量

霍爾電流傳感器利用霍爾效應將電流信號轉換成弱電信號進行測量。本系統(tǒng)選用LEM公司用于汽車工業(yè)的HAH1BV S/06型號霍爾電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖各種不規(guī)則波形的電流，精度為0.3%，測量范圍是±500A。測量時幾乎沒有插入損耗，可以保持電路穩(wěn)定性。

圖4為本設計所用傳感器的實物圖，圖5為其測量原理示意圖。測量原理基于開環(huán)霍爾效應原理，圖中，Ip表示原邊電流，供電電壓Uc為電源芯片輸出的高精度5V電壓。

圖4　霍爾電流傳感器

圖5　霍爾電流傳感器原理圖

霍爾傳感器測量母線電流的原邊電流Ip與霍爾輸出電壓Vout的關系曲線如圖6所示，直線的斜率是傳感器靈敏度G，其函數(shù)關系可用下式表示：

由圖6可見，此傳感器在測量大電流時具有良好的線性度，輸出電壓與原邊電流幾乎成正比。電流較小時線性度相對較差。

2　蓄電池電流檢測的硬件電路設計

2.1　分流器測量硬件電路設計

分流器測量電流電路設計如圖7所示。I+、I-分別與分流器的正、負引腳相連。分流器測量得到的電壓信號經(jīng)過濾波電路之后，輸入到模-數(shù)轉換器CS5460A的電流通道進行采集，然后利用串行外設接口SPI（Serial Peripheral Interface）通訊協(xié)議傳動給單片機。

圖6　原邊電流與輸出電壓關系曲線

圖7　分流器電流采集電路

CS5460A是一個測量功能強大的高精度測量芯片，轉換位數(shù)達到24位，采樣頻率為4000點/秒，它包含了兩個增益可編程放大器、兩個Δ∑調制器、兩個高速濾波器，具有系統(tǒng)校準和有效值/功率計算功能，它適合與分流器或電流互感器相連來測量電流、與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。電流通道輸入電平滿量程可選擇為±250mVRMS或±50mVRMS。電壓通道可適應±250mv的輸入電壓范圍。

由于分流器直接將高壓信號引入電池管理系統(tǒng)，需要將電流信號與低壓系統(tǒng)進行隔離。其中電源采用直流轉換器PWB2405CS-2W進行+5V電壓隔離。為了不影響測量的線性度，設計中沒有對分流器輸入的電流信號進行隔離，而是將CS5460A與MCU之間的通訊使用四通道數(shù)字隔離器ISO7241A進行隔離，因為數(shù)字信號的隔離對測量沒有影響。設計隔離電路如圖8所示。

圖8　隔離電路設計

2.2　霍爾電流采集硬件電路設計

霍爾電流傳感器供電電路如圖9所示。Q_T1為電源管理芯片專為傳感器提供的5V電壓，經(jīng)過L11和C131組成的LC濾波器濾波后，為霍爾傳感器提供5V電源。

霍爾傳感器輸出電壓采集電路如圖10所示。R116為阻值47kΩ的限流電阻，D26為5.1V穩(wěn)壓二級管，C126為ESD靜電防護電容，保護單片機端口。電路中電阻及電容要求1%的精度。輸入到單片機的值為霍爾傳感器輸出電壓，根據(jù)輸出電壓與所測電流的關系式（2）計算得到所測電流大小。

圖9　霍爾傳感器供電電

圖10　霍爾傳感器輸出電壓采集電路

3　測試

對母線電流的采集是BMS最基本最重要的功能之一，它是計算SOC的基本參數(shù)。為驗證采樣系統(tǒng)的可靠性，對電池組進行放電試驗，對比BMS采集電流數(shù)據(jù)和電流鉗實際測量數(shù)據(jù)，采用HALL電流傳感器采集電流值，實驗結果見下表。

表1　電流采樣結果分析

由表1可得，系統(tǒng)采集的電流值和電流鉗所測實際電流值較吻合，最大誤差為1.4A，精度為2.77%。可見該電流采集系統(tǒng)達到了較高的采集精度，為BMS的SOC估計等功能建立了一個堅實的基礎。

4　結論

本文提供了兩種檢測電動汽車蓄電池母線電流的方法，對兩種方法分別進行了原理闡述與硬件電路設計。試驗結果表明，設計的測量電路具有穩(wěn)定性好、電路簡單、測試方法簡便、抗干擾能力強等優(yōu)點，在新能源汽車的發(fā)展中具有重要前景。下一步研究將集中在對系統(tǒng)進行改良，提高其檢測精度。

[1]唐致遠,陳玉紅,盧星河,譚才淵.鋰離子電池安全性的研究[J].電池,2006(01).

[2]施三保.基于CAN總線的蓄電池組檢測傳感器設計與實現(xiàn)[J].可編程控制器與工廠自動化,2006(01).

[3]陳璽.電動汽車用電池管理系統(tǒng)設計[D].華北電力大學(北京),2016.

[4]夏正鵬,汪興興,倪紅軍.電動汽車電池管理系統(tǒng)研究進展[J].電源技術,2012,36(07):1052-1054.

[5]Yan Ma,Bingsi Li,Guangyuan Li,Jixing Zhang,Hong Chen.A Nonlinear Observer Approach of SOC Estimation Based on Hysteresis Model for Lithium-ion Battery[J].IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica,2017,4(02):195-204.

[6]時瑋,姜久春,李索宇.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究[J].電子測量與儀器學報,2010,24(08):769-774.