《新能源汽車電流傳感器設(shè)計》7100字

新能源汽車電流傳感器設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u5579新能源汽車電流傳感器設(shè)計 131740摘要： 1239331電流檢測的原理 215603（1）分流器 24630（2）電磁式電流互感器 331182（3）霍爾電流傳感器 320941.1霍爾傳感器的工作原理 3234581.2SOC估算 6143372系統(tǒng)硬件設(shè)計 7264682.1A/D轉(zhuǎn)換電路和分壓電路 9290972.2LCD1602液晶顯示電路設(shè)計 1060792.3電源電路設(shè)計 11277052.4CAN接口電路和存儲模塊 1167283系統(tǒng)軟件設(shè)計 12201193.1電流數(shù)據(jù)的處理 12295383.2數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計 1221244測試結(jié)果 1298245結(jié)論 1316798參考文獻(xiàn) 13摘要：針對新能源汽車動力電池電壓電流及容量估算，設(shè)計了一種基于霍爾電流傳感器的檢測電路，用來檢測鋰電池的電壓和放電電流，監(jiān)控鋰電池的剩余電量。系統(tǒng)主要采用ACS712傳感器檢測電流，搭配單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路和分壓電路等處理采集值，從傳感器獲取被測電流轉(zhuǎn)化的電壓值，然后單片機驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集分壓值進(jìn)行計算處理，獲取電流值，在LCD實時顯示信息。通過測試，并且對比了分流器檢測的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，此方案采集到的電流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以正常使用。關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；SOC估算；電流檢測；霍爾電流傳感器隨著傳統(tǒng)汽車對環(huán)境污染的不斷加劇，國家政府不間斷的提出相關(guān)政策來積極解決汽車碳排放問題，并針對性的制定發(fā)展戰(zhàn)略來迎接挑戰(zhàn)，新能源電動汽車因此成為汽車行業(yè)各個領(lǐng)域的關(guān)注焦點[1]。各國政府和相關(guān)企業(yè)都將新能源汽車作為一個新興產(chǎn)業(yè)，希望可以由新能源汽車逐漸取代傳統(tǒng)的汽車，從而減輕對環(huán)境的污染和對傳統(tǒng)能源的需求[2-4]。新能源汽車飛速發(fā)展，對動力電池電流檢測精度要求也越來越高，其中對檢測精度有直接要求的就是針對于電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）又稱剩余電量的估算。SOC對于估算車輛可行駛的剩余里程，估算電池是否該繼續(xù)充電或使用有很大幫助，通過電池充放電電流、電壓以及電池內(nèi)部本身的電阻等的參數(shù)來進(jìn)行計算，常用的估算SOC的方法一般是安時法與截止電壓法配合使用，這種方法要求檢測的電流精度一定要高[5]。因此，本文設(shè)計了一種霍爾電流傳感器檢測電路用于監(jiān)測動力電池的電壓、放電電流以及剩余電量，傳感器檢測到電流值之后輸出為電壓值，通過單片機對其進(jìn)行處理得出具體的電流值，然后通過顯示屏實時顯示動力電池的電壓電流和容量，以防止過充過放，檢測精度高，可以在實際中應(yīng)用。1電流檢測的原理電流傳感器能夠檢測到被測電流信息，并且將檢測到的電流值通過處理轉(zhuǎn)化變?yōu)樽裱欢ㄒ?guī)律需求的信息輸出，從而得出所測的電流信息，具有靈敏度高、抗干擾性強的特點，在電動汽車?yán)锩娼?jīng)常會用到，尤其是在針對動力電池SOC估算方面。電動汽車剩余電量的估算一般由安時法與截止電壓法配合使用，通過將電池電流對時間進(jìn)行積分來計算電池的荷電狀態(tài)，需要定期對電荷狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，該方法中電流傳感器采集的數(shù)據(jù)是一項關(guān)鍵指標(biāo)。電流傳感器有多個種類，每一種都有自己的特點、優(yōu)勢和不足，適用于各種場合，針對不同的測量原理，主要可分為分流器檢測、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等幾種[6-8]。（1）分流器分流器檢測主要使用分流電阻器以及運算放大器來實現(xiàn)功能，將分流電阻器串聯(lián)在電路中，當(dāng)需要測量的導(dǎo)線電流經(jīng)過分流電阻器時，電阻器兩端產(chǎn)生電壓，通過放大電路放大后，檢測其兩端的電壓信號，就可以換算出電流值，這是一種直接檢測式的方法，分流器檢測原理如圖1所示：圖1分流器檢測示意圖分流器實際上類似于一個阻值比較小的高精度電阻，其兩端產(chǎn)生的是模擬量電壓信號，由于其信號微弱不易檢測，所以需要運算放大器來實現(xiàn)將電壓信號放大的功能以方便檢測，然后為了方便歐姆定律計算實際被測電流值，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，此方法測量簡單，直流測量準(zhǔn)確度也能夠達(dá)到較高的程度，成本也低。分流器一般應(yīng)用于電壓不高、電流相對較小的情況，分流電阻器檢測時如果連接高壓，由于其輸入和輸出之間沒有電氣隔離，所以當(dāng)使用分流器檢測電流時，需要額外的設(shè)置隔離器件將檢測信號隔離，然后再連接到控制器件，所以隔離器件的成本就會比較高。當(dāng)被檢測電流高頻變換時，磁場變化率很大，分流電阻兩端會額外產(chǎn)生感生電動勢，而分流電阻器阻值一般較小，所以很容易影響測量準(zhǔn)確度，既有可能使被測量電流的波形改變，也無法將除正弦之外的波形真實的傳遞，如果電流太大，分流電阻器產(chǎn)生較大的熱能損耗，會增加散熱難度，由電阻設(shè)計的分流器自然很容易受到溫度影響，影響檢測的精度。（2）電磁式電流互感器電磁式的互感器是在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用最多的用于測量的設(shè)備，技術(shù)成熟、精度高、成本低。原理類似于變壓器，測量依照的也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將大電流通過轉(zhuǎn)換變成小電流，根據(jù)線圈匝數(shù)比例及測量結(jié)果來計算被測電流大小。電流互感器絕緣難度比較大，測量動態(tài)范圍和頻率范圍都比較小，使用過程中不可以將二次側(cè)開路，且只能測量交流電。絕緣難度導(dǎo)致使用需要花費更高的價格，而且體積質(zhì)量也會因此提高，影響使用的便捷程度；測量較大電流時，如果超出了可測動態(tài)范圍，電流互感器會出現(xiàn)飽和，若使二次保護(hù)被影響從而導(dǎo)致無法正確的識別故障，測量準(zhǔn)確性勢必會大打折扣，且只有在可測頻率的范圍內(nèi)測量的電流值，才會得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值；由于二次側(cè)開路時會產(chǎn)生危害人身及設(shè)備財產(chǎn)安全的高壓，所以其工作時二次側(cè)回路要求應(yīng)該是始終閉合的。（3）霍爾電流傳感器霍爾傳感器是依照霍爾效應(yīng)的一種通過檢測磁場來反映電流大小的傳感器，采用非直接、非接觸的方式檢測電流，它有兩種類型，開環(huán)式和閉環(huán)式。由于霍爾傳感器輸出的電壓信號和被測的電流信號是成正比的關(guān)系，所以即使電流方向改變，輸出信號也能真實的表達(dá)，因此它任何波形的電流和電壓信號都可以正確反映，都可以測量。電氣隔離功能比較好，可測較高電壓，擁有優(yōu)越的線性度以及小于1μs的響應(yīng)時間和高于50A/μs的跟蹤速度，體現(xiàn)了其良好的動態(tài)性能，可測的電流值范圍也很高，具有很強的過載能力，即使在一次側(cè)電流超負(fù)荷，過載電流達(dá)到20倍的額定值，模塊飽和時，也依然可以保護(hù)傳感器模塊不會被損壞。測量范圍廣，最快也只有1μs的響應(yīng)時間以及快速的響應(yīng)速度，良好的過載能力，使其相對于普通電流互感器有更好的工作性能，更有優(yōu)勢。1.1霍爾傳感器的工作原理霍爾效應(yīng)是一種電磁效應(yīng)，將半導(dǎo)體放置在一個外加磁場里，當(dāng)有與這個磁場垂直的電流通過半導(dǎo)體時，導(dǎo)體內(nèi)電荷載子會受到磁場產(chǎn)生的洛倫茲力的影響發(fā)生偏離，產(chǎn)生既垂直于半導(dǎo)體電流也垂直于這個外加磁場的附加電場，在所放導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生一個電勢差，即被稱為霍爾電壓，霍爾效應(yīng)定義了一種不同于傳統(tǒng)電磁感應(yīng)的磁場和感應(yīng)電勢之間的關(guān)系。圖2霍爾效應(yīng)原理霍爾電流傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計的測量結(jié)構(gòu)，有電流通過的導(dǎo)體會在其周圍產(chǎn)生一個磁場，然后設(shè)置一個霍爾器件放置在產(chǎn)生的磁場中，通過測量磁場強度會輸出一個電壓信號。依照安培環(huán)路定理，導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強度與這個電流的大小成正比，即：（1）根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理，霍爾器件輸出的感應(yīng)電動勢和霍爾器件所測磁場的強度成正比，即：（2）其中I表示被測電流，IS表示流過霍爾元件的電流。由此得出被測電流、感應(yīng)磁場、感應(yīng)電動勢三者之間的關(guān)系為：（3）在電路板上連接上霍爾元件，然后設(shè)計出實現(xiàn)功能的各項輔助電路，通過霍爾傳感器測量輸出的霍爾電動勢的大小，反映通過導(dǎo)體的所要測量的電流大小。根據(jù)傳感器測量時所用原理的不同，霍爾電流傳感器可以分類成開環(huán)式和閉環(huán)式的霍爾傳感器這兩種。開環(huán)的霍爾電流傳感器主要設(shè)置有聚集磁場的磁芯、檢測磁場的霍爾器件和將輸出信號放大以便檢測的運算放大電路。首先，磁芯上會設(shè)計有一個氣隙用來放置霍爾器件，將傳感器磁芯套在被測導(dǎo)線上，被測導(dǎo)線流過電流時會產(chǎn)生磁場，磁芯會將產(chǎn)生的這個磁場給聚集起來，然后被氣隙處的霍爾器件檢測并通過處理放大后輸出電壓信號，被測導(dǎo)線有電流通過時產(chǎn)生的磁場與通過電流大小成正比，輸出的電壓信號與氣隙處收集到的磁場磁感應(yīng)強度成正比，如圖3所示。圖3開環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理與開環(huán)傳感器相比，閉環(huán)傳感器在運放后設(shè)計了一個反饋線路，在開環(huán)傳感器的前提下，提高了電流檢測性能?；魻栐敵龅碾妷盒盘栍蛇\算放大電路放大后以驅(qū)動反饋線圈，使反饋線圈中有電流通過，在磁芯的氣隙處同樣產(chǎn)生一個由反饋線圈產(chǎn)生的相同強度但是與被測導(dǎo)線的磁場方向相反的磁場，從而抵消原來的磁場，因此，磁芯氣隙處相互抵消后的磁場基本為零，達(dá)到了磁平衡，如圖4所示。圖4閉環(huán)霍爾電流傳感器的基本原理圖通過測量電阻兩端的電壓，得出反饋線圈中的電流，然后根據(jù)其與被測電流的關(guān)系計算出被測電流，如公式（4）所示：（4）NP是被測直導(dǎo)線的匝數(shù)，一般為1；IP是被測導(dǎo)線電流；NS是繞在磁芯線圈的匝數(shù)；IS是反饋線圈中的電流。霍爾傳感器基本的優(yōu)點是測量的精度高，響應(yīng)速度快響應(yīng)時間短，過載能力強，溫漂低，體積小等，如果需要應(yīng)用于汽車，雖然閉環(huán)式檢測精度和線性度相對更好一些，但是其對比開環(huán)來說設(shè)計更加復(fù)雜從而使價格體積等會更高，檢測可靠度會相對較低，還容易受到溫度的影響，所以會傾向于采用開環(huán)式[9]。1.2SOC估算SOC表示電池在經(jīng)過一段時間的使用以后剩余的電量和電池正常容量的比值，通常都用百分比的形式表示。（5）電池剩余電量是沒辦法直接進(jìn)行測量的，它會有一些對應(yīng)的估算方法，通過對電池放電電流電壓等的檢測，結(jié)合電池本身的一些固有參數(shù)計算出來，估算通常使用安時法與截止電壓法相結(jié)合的方法。安時計量法（或稱電流積分法），是現(xiàn)如今電池管理系統(tǒng)中使用頻率較高的估算方法其中之一，這個方法的根本依據(jù)是通過累積的電池充電或者放電的過程中充進(jìn)去或者放出來的電量來估算這個電池的剩余電量。計算公式為： （6）其中，SOC表示當(dāng)前狀態(tài)下電池的電量；SOC0表示充放電開始前電池的電量；CN表示電池的額定容量；I表示電池充電或放電的電流；表示充放電效率，并且不為常數(shù)[10]。雖然安時法計算簡單方便，但是在實際生活中應(yīng)用時還會存在一些問題：如果在電流檢測時檢測的不準(zhǔn)確，就會造成計算SOC時誤差較大，然后通過積分計算時長期積累使原本的誤差越積越大，計算時還需要考慮到電池的充放電效率，而且如果是高溫或者在電流的波動比較劇烈時測得的數(shù)據(jù)計算時誤差也會比較大，所以在電流檢測環(huán)節(jié)，測量精度要有一定的要求。因此，在計算方法中，要盡量避免電流的波動較大不能準(zhǔn)確采集而造成較大的誤差，所以要求當(dāng)前時刻的電流檢測要精準(zhǔn)。動力電池作為電動汽車重要的驅(qū)動來源，對電動汽車的動力性能、安全性能和經(jīng)濟性都會有很大的影響。目前市場中大多數(shù)的電動車都是以鋰電池作為主要的驅(qū)動來源，主要原因是鋰電池能量密度高且充放電效率好，而且它的工作電壓較大，沒有記憶效應(yīng)，沒有污染，性能還較為穩(wěn)定。鋰電池由于是大批量生產(chǎn)，想要精準(zhǔn)的掌握品質(zhì)是非常困難的，而且出廠時，每一個電池芯的電量都不可能完全相同，再隨著使用過程中運行環(huán)境影響，使用以后電池老化問題，會隨著時間在電池之間形成越來越明顯的差異，電池效率和使用壽命會慢慢降低，如果在使用時經(jīng)常有過充或過放的情況，甚至?xí)鸹馂?zāi)燃燒等影響安全的問題[11-12]。因此，通常都會有一個電池管理系統(tǒng)（BMS）來監(jiān)測電池組，在使用過程中保護(hù)電池。BMS，是新能源汽車電池組非常重要的一個部分，屬于它的一項核心技術(shù)。圖5電池管理系統(tǒng)主要功能電池管理系統(tǒng)有很多作用，比如電池電流電壓溫度等參數(shù)的采集監(jiān)控、電池電量使用程度的估算、絕緣電阻值檢測、控制進(jìn)行安全保護(hù)等等，通過與整車控制器（VCU）、充電機通信，可以控制動力電池合理的充放電，而想要實現(xiàn)這些功能，主要會用到的技術(shù)有系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)，嵌入式軟硬件的開發(fā)測試，軟硬件集成測試，功能安全等等[13-14]。對于動力電池來說，在使用中需要注意的很嚴(yán)重的問題就是過充電和過放電，如果經(jīng)常性的發(fā)生過充和過放，電池?fù)p壞會越來越嚴(yán)重，容量也會慢慢減少，電池的可使用壽命越來越短，比較嚴(yán)重時甚至?xí)斜ǖ任＜鞍踩F(xiàn)象，尤其對于鋰離子電池，通常都是因為這個原因引起的爆炸[15]。2系統(tǒng)硬件設(shè)計該系統(tǒng)處理器采用STC89C52單片機，采集電流信號的霍爾傳感器使用ACS712，采集到電流信號以后，將輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過單片機進(jìn)行處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。圖6系統(tǒng)硬件框圖STC公司的STC89C52單片機功耗低且性能高，擁有8kB（字節(jié)）的ROM（程序存儲空間）和512B（字節(jié)）的RAM（數(shù)據(jù)存儲空間），依然使用典型的8051系列內(nèi)核，但是在通過很多改進(jìn)后使它比傳統(tǒng)51系列單片機又多了一些功能。當(dāng)CPU不運行單片機空閑的時候，RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷等依然可以繼續(xù)進(jìn)行工作，如果不小心斷電，有掉電保護(hù)，RAM的內(nèi)容會被保存不用擔(dān)心會丟失，然后會將振蕩器凍結(jié)，在下一個中斷或者硬件復(fù)位之前，單片機的所有工作都不會再次開始。STC89C52RC的電路主要由復(fù)位電路、時鐘電路和電源電路組成，其原理圖如圖7所示。圖7單片機最小系統(tǒng)原理圖ACS712傳感器可專用于檢測電流，它擁有非常穩(wěn)定的輸出偏置電壓和接近于零的磁滯，輸出可以達(dá)到66-185mV/A的靈敏度，封裝使用的體積小厚度低的SOIC8，客戶可以輕松實施，其制作工藝高度集成，電流檢測技術(shù)也非常專業(yè)，對于各種需要檢測的電流，都能夠提供比較精確而且性價比高的解決方法，電路如圖8所示：圖8傳感器接口電路原理圖2.1A/D轉(zhuǎn)換電路和分壓電路A/D轉(zhuǎn)換電路的功能是提供穩(wěn)定的數(shù)字信號給單片機，數(shù)據(jù)傳輸采用的是I2C協(xié)議，本篇文章選擇PCF8591芯片，它的地址引腳有3個，在對設(shè)計的硬件地址進(jìn)行編程時都可以使用，傳輸?shù)刂?、控制和?shù)據(jù)信號使用I2C總線，傳輸方式為雙線雙向的串行方式，不需要加任何額外器件可以允許接入8個轉(zhuǎn)換模塊，電路圖如圖9所示。圖9A/D轉(zhuǎn)換電路為了使采集信息更加準(zhǔn)確，需要控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集的信息在可采集范圍內(nèi)，所以在采集之前設(shè)計了一個分壓電路，將采集的電壓值降低到可測范圍內(nèi)防止測量出現(xiàn)錯誤，如圖10所示。圖10分壓電路2.2LCD1602液晶顯示電路設(shè)計LCD顯示器可以是字段顯示也可以是字符顯示，字段顯示只需要給對應(yīng)的管腳輸入相應(yīng)的信號就可以將字段顯示出來，字符顯示則需要根據(jù)具體的需求顯示對應(yīng)的字符。本設(shè)計需要字符顯示，選用LCD1602作為輸出信息的顯示器件。相對于比較傳統(tǒng)的顯示器件液晶顯示體積小、功耗低，可以顯示更加豐富的內(nèi)容，而且本身已經(jīng)存在驅(qū)動電路，不需要再外加電路，現(xiàn)如今已經(jīng)成為關(guān)于單片機的應(yīng)用設(shè)計中使用頻率最高的顯示器件，電路如圖11所示：圖11LCD1602液晶顯示電路原理圖2.3電源電路設(shè)計本設(shè)計使用+5V電源，由紅色的LED作為顯示是否有電的指示燈，設(shè)計一個1K的電阻控制電流大小保護(hù)LED燈，自鎖開關(guān)SW閉合時，LED燈亮，系統(tǒng)電源接通，如圖12所示：圖12電源電路原理圖2.4CAN接口電路和存儲模塊CAN接口電路的作用是將測得的電流數(shù)據(jù)發(fā)送給電動汽車相應(yīng)控制器以控制車輛進(jìn)行合適的操作，然后在存儲模塊保存下來。3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件部分使用C語言程序編寫，主要由初始化、采集電流數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、通信和數(shù)據(jù)存儲等部分組成。3.1電流數(shù)據(jù)的處理傳感器檢測到電流后輸出的信號是電壓信號，所以所測電流值需要根據(jù)傳感器的輸出信號和被測電流范圍的關(guān)系以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入與輸出的關(guān)系來計算。將PCF8591在程序中的增益設(shè)為1，數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)為32bps，則：（7）即（8）傳感器檢測到的電流IP和輸出的電壓VOUT之間的關(guān)系是：（9）3.2數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計采集到傳感器輸出信號以后需要先進(jìn)行初始化操作，以防止之前留存的信息影響準(zhǔn)確操作，然后讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量電壓信號，如果判斷接收到的數(shù)據(jù)信息可以使用，再對數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，其流程如圖13所示。圖13電流采集設(shè)計流程圖4測試結(jié)果通過進(jìn)行靜態(tài)的溫漂測試和靜態(tài)的充電測試，驗證了本方案采集的電流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且將測得的數(shù)據(jù)與分流器檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對比。（1）溫度影響測試：進(jìn)行溫度影響測試主要是想要了解傳感器檢測電流值在不同的溫度時結(jié)果會有多大差異，其可適應(yīng)的工作溫度范圍有多大，放置一個分流器和本文采用的傳感器同時進(jìn)行測試，設(shè)置測試電流值為零，慢慢改變溫度后，對比分流器和傳感器的檢測結(jié)果受溫度影響的不同程度。（2）靜態(tài)放電測試：放電測試時將環(huán)境溫度控制在室溫，電流值控制在穩(wěn)定數(shù)值，需要對比分流器檢測數(shù)據(jù)，所以要將分流器和本文采用的傳感器保持同步操作，方便對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比，接通放電線路進(jìn)行測試，然后記錄不同時刻兩種工具的測試結(jié)果。測試的結(jié)果表示，在實際應(yīng)用中ACS712檢測模塊檢測到的電流值精度不低，并且和分流器結(jié)果對比差別不大，此設(shè)計達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。5結(jié)論系統(tǒng)通過傳感器檢測動力電池放電電流，輸出電壓信號經(jīng)過單片機處理后得到被測電流值，通過靜態(tài)放電和溫度影響測試，對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，證明此設(shè)計檢測電