天津理工大學(xué)　中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司　代琪琪

天津理工大學(xué)　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(shí)法計(jì)算SOC的主要依據(jù)，還會(huì)影響到保護(hù)策略的設(shè)置，對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)的性能及安全性都起著至關(guān)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(yán)格要求，對(duì)采樣硬件電路的抗干擾性和數(shù)模隔離必須經(jīng)過(guò)良好的處理。

目前，最常用的電流檢測(cè)方法是通過(guò)電路中串聯(lián)的電阻兩端電壓來(lái)推算電流大小。該測(cè)量方法十分簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度不高，且電阻值受溫度的影響較大。當(dāng)電流較大時(shí)，電阻對(duì)電流的消耗較大，不適合在BMS中使用?；谝陨显?，本文電流檢測(cè)采用分流器測(cè)量和霍爾傳感器測(cè)量方案。

1　電流檢測(cè)的原理

分流器測(cè)量電流的原理是依據(jù)電流經(jīng)過(guò)電阻的時(shí)候在電阻兩端形成電壓而制作的，常用于均流取樣檢測(cè)，有插槽式和非插槽式。相比于霍爾電流傳感器在測(cè)量范圍的低端線性度很難保證，用分流器來(lái)測(cè)量電流，在整個(gè)量程內(nèi)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(cè)量基于霍爾原理，就是將總電源線穿過(guò)霍爾傳感器，通過(guò)電磁感應(yīng)獲得電流值?；魻杺鞲衅鞯娜秉c(diǎn)在于精度不是特別高，而且靈活性不高，具有溫漂、零點(diǎn)漂移等問(wèn)題。與分流器相比具有的優(yōu)勢(shì)為：（1）采用霍爾感應(yīng)的原理，無(wú)需直接接觸高壓電路，低圧測(cè)量電路和高壓被測(cè)電路可以隔離，避免動(dòng)力電池端的干擾進(jìn)入控制端，不需外部隔離。因此，達(dá)到提高采樣精度，避免高壓干擾的目的；（2）電路簡(jiǎn)單，易于安裝；（3）動(dòng)態(tài)特性好，有極快的轉(zhuǎn)換速度。

1.1　分流器測(cè)量

分流器其實(shí)就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出的采樣電阻，使用精確測(cè)量的猛銅絲作為測(cè)量電流的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，利用直流電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電壓的原理，通過(guò)測(cè)量電壓值來(lái)計(jì)算電流。分流器測(cè)量電流的主要過(guò)程是：信號(hào)濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、通過(guò)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(cè)量過(guò)程如圖1所示。

圖1　電流測(cè)量過(guò)程

首先分流器將所測(cè)電流轉(zhuǎn)換為0～75mV的電壓信號(hào)，通過(guò)濾波電路聯(lián)接到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5460A的模擬量輸入端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)過(guò)隔離電路傳給MCU。本設(shè)計(jì)采用FL-2型，額定參數(shù)為300A/75mV規(guī)格的分流器測(cè)量電流，結(jié)合雙積分高分辨率的ADC芯片CS5460A實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量，主控單元和測(cè)量回路之間使用四通道數(shù)字隔離器ISO7241A進(jìn)行隔離。

本文所用分流器的實(shí)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(shù)參數(shù)如下：

（1）額定電流：300A，額定壓降：75mV，準(zhǔn)確度等級(jí)±0.5%；

（2）標(biāo)準(zhǔn)電阻值：0.00025Ω；

（3）超載性能：額定電流120%，2小時(shí)。

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(cè)量

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

圖4為本設(shè)計(jì)所用傳感器的實(shí)物圖，圖5為其測(cè)量原理示意圖。測(cè)量原理基于開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)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(cè)量母線電流的原邊電流Ip與霍爾輸出電壓Vout的關(guān)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(guān)系可用下式表示：

由圖6可見(jiàn)，此傳感器在測(cè)量大電流時(shí)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(shí)線性度相對(duì)較差。

2　蓄電池電流檢測(cè)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1　分流器測(cè)量硬件電路設(shè)計(jì)

分流器測(cè)量電流電路設(shè)計(jì)如圖7所示。I+、I-分別與分流器的正、負(fù)引腳相連。分流器測(cè)量得到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路之后，輸入到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5460A的電流通道進(jìn)行采集，然后利用串行外設(shè)接口SPI（Serial Peripheral Interface）通訊協(xié)議傳動(dòng)給單片機(jī)。

圖6　原邊電流與輸出電壓關(guān)系曲線

圖7　分流器電流采集電路

CS5460A是一個(gè)測(cè)量功能強(qiáng)大的高精度測(cè)量芯片，轉(zhuǎn)換位數(shù)達(dá)到24位，采樣頻率為4000點(diǎn)/秒，它包含了兩個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)Δ∑調(diào)制器、兩個(gè)高速濾波器，具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和有效值/功率計(jì)算功能，它適合與分流器或電流互感器相連來(lái)測(cè)量電流、與分壓電阻或電壓互感器相連來(lái)測(cè)量電壓。電流通道輸入電平滿(mǎn)量程可選擇為±250mVRMS或±50mVRMS。電壓通道可適應(yīng)±250mv的輸入電壓范圍。

由于分流器直接將高壓信號(hào)引入電池管理系統(tǒng)，需要將電流信號(hào)與低壓系統(tǒng)進(jìn)行隔離。其中電源采用直流轉(zhuǎn)換器PWB2405CS-2W進(jìn)行+5V電壓隔離。為了不影響測(cè)量的線性度，設(shè)計(jì)中沒(méi)有對(duì)分流器輸入的電流信號(hào)進(jìn)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(jìn)行隔離，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的隔離對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。設(shè)計(jì)隔離電路如圖8所示。

圖8　隔離電路設(shè)計(jì)

2.2　霍爾電流采集硬件電路設(shè)計(jì)

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(zhuān)為傳感器提供的5V電壓，經(jīng)過(guò)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(jí)管，C126為ESD靜電防護(hù)電容，保護(hù)單片機(jī)端口。電路中電阻及電容要求1%的精度。輸入到單片機(jī)的值為霍爾傳感器輸出電壓，根據(jù)輸出電壓與所測(cè)電流的關(guān)系式（2）計(jì)算得到所測(cè)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(cè)試

對(duì)母線電流的采集是BMS最基本最重要的功能之一，它是計(jì)算SOC的基本參數(shù)。為驗(yàn)證采樣系統(tǒng)的可靠性，對(duì)電池組進(jìn)行放電試驗(yàn)，對(duì)比BMS采集電流數(shù)據(jù)和電流鉗實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，采用HALL電流傳感器采集電流值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表。

表1　電流采樣結(jié)果分析

由表1可得，系統(tǒng)采集的電流值和電流鉗所測(cè)實(shí)際電流值較吻合，最大誤差為1.4A，精度為2.77%。可見(jiàn)該電流采集系統(tǒng)達(dá)到了較高的采集精度，為BMS的SOC估計(jì)等功能建立了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

本文提供了兩種檢測(cè)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池母線電流的方法，對(duì)兩種方法分別進(jìn)行了原理闡述與硬件電路設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的測(cè)量電路具有穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單、測(cè)試方法簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車(chē)的發(fā)展中具有重要前景。下一步研究將集中在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改良，提高其檢測(cè)精度。

[1]唐致遠(yuǎn),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(cè)傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2006(01).

[3]陳璽.電動(dòng)汽車(chē)用電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué)(北京),2016.

[4]夏正鵬,汪興興,倪紅軍.電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),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(shí)瑋,姜久春,李索宇.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2010,24(08):769-774.