章旦旸，秦會斌

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018）

1 引言

電動汽車通常都是以蓄電池作為能源的主要提供方式，蓄電池環(huán)保、清潔、方便更換，這些優(yōu)勢有助于電動汽車成為21世紀最主流也最受歡迎的交通工具。本文設(shè)計系統(tǒng)的基本功能是模仿特斯拉公司的電池模塊，利用18650型鈷酸鋰電池，制作了一個類似的電池組模塊。50節(jié)18650型鈷酸鋰電池并聯(lián)為一個電池組模塊，額定充電電流為50 A，額定電壓為3.7 V。本系統(tǒng)中利用推挽式開關(guān)電源供電，單片機控制涓流、恒流、恒壓三段式充電，設(shè)計有效的采集電路采集充電電路輸出電壓和輸出電流作為單片機的采樣輸入信號，從而調(diào)控單片機輸出的PWM波形。

2 總體應用模塊分析

本系統(tǒng)主要由推挽供電、BUCK降壓系統(tǒng)、單片機充電控制系統(tǒng)和電流電壓采集模塊組成，系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 整體構(gòu)架

本充電系統(tǒng)使用推挽拓撲結(jié)構(gòu)提供大電流恒壓電源，設(shè)計的推挽拓撲電源為600 W，額定電壓為12 V，最大電流可以達到50 A。第二級使用BUCK拓撲降壓給電池模塊充電，電壓電流采樣模塊實時采集負載的充電電壓和充電電流，將采集到的電壓信號、電流信號傳入MCU，通過MCU的AD模塊將模擬的電壓電流信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。結(jié)合三段式充電時序和采集到的充電電壓和電流控制MCU的PWM輸出模塊，從而輸出不同占空比的PWM波形驅(qū)動BUCK電路的MOS管的開關(guān)。MCU模塊和電壓電流采樣模塊均有反激電源供電。本設(shè)計中利用霍爾傳感器采集輸出直流大電流采樣，利用精密光耦配合運算放大器做電壓采樣。單片機控制模塊選用了美國Microchip公司的PIC16F877A芯片。

3 霍爾傳感器選擇與應用

由于考慮到單純的精密采樣電阻用來作電流采樣會損耗功率，本系統(tǒng)中通過的額定電流為50 A，如果要減小由于采樣電阻上的功率損耗，本設(shè)計中使用的電流采樣為利用直流霍爾傳感器型號為厚施HBCES5A系列閉環(huán)霍爾電流傳感器。其具有高精度、響應時間快等優(yōu)點，良好的線性可以很簡單地得出結(jié)論，穩(wěn)定性很強，有極強的抗干擾能力，而且還有低功耗的特點。其被廣泛應用于太陽能逆變器、太陽能匯流箱、變頻家電和電池管理上面。此系列的霍爾電流傳感器常用的型號有額定電流分別為10 A、25 A、50 A、75 A的HBC10ES5A系列，HBC25ES5A系列、HBC50ES5A系列、HBC75ES5A系列。

本設(shè)計中選擇了HBC50ES5A型號的傳感器，如圖2所示。

由圖2可見此霍爾傳感器有4個管腳分別標記為“+”、“G”、“O”、“R”，依次表示為5 V的供電電源端、接地端子、輸出電壓端子和一個由厚施公司特別為客戶提供的外部參考電壓VR，以方便為客戶提供真實的信號采集與對比?？蛻魧@個管腳可自行選擇，可空懸，使用與否與產(chǎn)品自身性能無關(guān)。本設(shè)計中選擇空懸。HBC50ES5S型號霍爾電流傳感器根據(jù)電流增加而呈線性變化，當電流為額定電流50 A時，輸出電壓為2.5 V，HBC50ES5S型號霍爾電流傳感器的電流檢測范圍為0~100 A，每上升1 A（或下降1 A），則增加（或減?。┮欢ǖ姆?，具體的計算關(guān)系為：電流值/額定電流值×0.625，根據(jù)此關(guān)系可以很簡單地通過“O”管腳的輸出電壓檢測出電流的大小即采樣出電流。檢測的方法就是將導線通過霍爾傳感器中間的圓孔。在本設(shè)計中額定電流為50 A，在計算輸出電壓的時候需要電流值除以50 A的額定電流。

圖2 HBC50ES5A霍爾傳感器結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

4 電流采樣應用電路設(shè)計

本設(shè)計中使用的電流采樣電路如圖3所示。

HBC50ES5S霍爾傳感器O腳的電壓信號接入ADC_SAM作為運放的信號輸入，圖3中的U7為型號為LM4040a的精密穩(wěn)壓管，提供2.048 V的穩(wěn)壓參數(shù)，精度0.1%，使用運算放大器OP234作減法器。

根據(jù)理想運放的理論可以得出：運放OP234腳2和腳3兩點的電壓相等。V+=V-，又有：

由此從理想運放“虛短”和“虛斷”可以得出：

所以可以將這個采集到的電壓信號傳入單片機電流采樣管腳作AD采樣。

圖3 電流采樣電路

5 電壓采樣應用電路設(shè)計

本設(shè)計中用到的電壓采樣應用電路如圖4所示。

圖4中的TLP521-2為TLP521系列的光耦器件，這個系列大致有3種類型，分別為：TLP521-1、TLP521-2、TLP521-4，最后數(shù)字的區(qū)別在于芯片內(nèi)部集成了幾塊光耦。本設(shè)計中用到的是TLP521-2，芯片內(nèi)部集成了兩塊獨立的光耦，簡化示意圖如圖5所示。

圖4 電壓采樣電路

本設(shè)計中將2、3腳接在一起，即原邊電流只有一條通路。這樣流經(jīng)光耦1、2腳的電流等于流經(jīng)另一個光耦3、4腳的電流，即：

由于集成在一個光耦芯片內(nèi)部，兩個光耦系數(shù)k的值基本相等，那么次邊電流：

圖4中可以得出，精密光耦腳8、腳7之間的電流為運放LM358腳6電壓和R9的比值，即：

本設(shè)計中的LM358運放起到電壓跟隨器的作用，

根據(jù)理想運放，LM358芯片中：

V5為輸入電壓經(jīng)R11和R7分壓：

將式（9）代入式（7）可以得出精密運放腳6和腳5之間的電流，乘以R12即可得出輸出的采樣電壓，后面跟一級LM358作電壓跟隨器：

將得到的采樣電壓送至單片機電壓采樣管腳進行AD采樣。

圖5 精密光耦內(nèi)部示意圖

6 電壓電流采樣軟件設(shè)計

6.1 整體軟件框架

如圖6所示，通過電壓、電流采樣電路將負載電壓和電流實時采集通過單片機A/D采樣模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，MCU根據(jù)此數(shù)字量分別判斷采取的恒壓或者恒流充電模式。恒壓充電的情況下，同樣通過采樣得到的電流值判斷充電結(jié)束與否。當電流低于某一閾值Ibat時退出程序，充電完畢。

圖6 主程序框圖

6.2 采樣程序設(shè)計

單片機為了同時采集電壓和電流兩個變量，PIC16F877A中通過改變寄存器ADCON0的第5位至第3位，切換電流和電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。當要啟動A/D轉(zhuǎn)換時，可以設(shè)置ADCON0的第2位GO/DONE=1，即開啟A/D轉(zhuǎn)換，當A/D轉(zhuǎn)換完畢，GO/DONE位會自動清零，程序中當檢測到該位清零時，讀取ADRESH和ADRESL兩寄存器的內(nèi)容，即為得到的數(shù)字量。

采樣電壓、電流信號的同時，為了降低噪聲的影響，程序中采取中值濾波法，以電壓信號為例：

（1）同時采樣10次電壓信號。

（2）通過排序算法將10次電壓信號排序。

（3）刪掉兩個最大值和兩個最小值。

（4）將剩下的6個采樣值取平均值得到采樣信號。

通過以上方法，提高了采樣精度。

7 測試結(jié)果及分析

7.1 電壓采樣數(shù)據(jù)測試

本測試中給予了幾組電壓數(shù)據(jù)輸入采樣引腳ADC_ASM，在表1中列出幾組分壓1/2后的輸入采樣電壓值和光耦輸出采樣電壓值。

表1 電壓采樣輸入和輸出電壓

表1中輸入電壓是經(jīng)1/2分壓過后進入LM358運放的電壓值?？梢钥闯鲞@個電壓值和光耦輸出的采樣電壓值的比值在2.42左右，呈線性變化，說明電壓采樣電路可行有效。

7.2 電流采樣數(shù)據(jù)測試

由前文可以得知，電流采樣利用了霍爾傳感器，將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值，經(jīng)分壓后，經(jīng)過運算放大器OP234和精密穩(wěn)壓管LM4040a組成的減法器，現(xiàn)將電流表接在BUCK電路與負載之間測輸出電流，然后用萬用表測OP234運放的輸出，列出表格如表2所示。

從前文可以知道，霍爾傳感器理論輸出公式為：輸出電壓值=2.5+輸出電流/額定電流，從表中數(shù)據(jù)可以得出基本符合這一公式，說明電流采樣的可行性與有效性。

8 結(jié)束語

本文介紹了大電流汽車電池充電系統(tǒng)中的電壓電流采集模塊應用電路設(shè)計和測試。給出了電壓采集和電流采集中較適合元器件的選擇和應用電路參數(shù)的設(shè)計。通過實驗的方式給予電壓電流采集電路不同的電壓電流數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行了測試，測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)符合理論計算值，線性度較好，且運行穩(wěn)定，達到了預期設(shè)計目標。系統(tǒng)還具有比較好的模塊性和復用性，稍作修改也能夠作為其他相似電路電壓電流采樣模塊。

表2 運放電壓輸出和負載輸出電流

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