《新能源汽车电流传感器设计》7100字

新能源汽车电流传感器设计目录TOC\o"1-2"\h\u5579新能源汽车电流传感器设计 131740摘要： 1239331电流检测的原理 215603（1）分流器 24630（2）电磁式电流互感器 331182（3）霍尔电流传感器 320941.1霍尔传感器的工作原理 3234581.2SOC估算 6143372系统硬件设计 7264682.1A/D转换电路和分压电路 9290972.2LCD1602液晶显示电路设计 1060792.3电源电路设计 11277052.4CAN接口电路和存储模块 1167283系统软件设计 12201193.1电流数据的处理 12295383.2数据采集流程的设计 1221244测试结果 1298245结论 1316798参考文献 13摘要：针对新能源汽车动力电池电压电流及容量估算，设计了一种基于霍尔电流传感器的检测电路，用来检测锂电池的电压和放电电流，监控锂电池的剩余电量。系统主要采用ACS712传感器检测电流，搭配单片机、A/D转换电路和分压电路等处理采集值，从传感器获取被测电流转化的电压值，然后单片机驱动模数转换芯片采集分压值进行计算处理，获取电流值，在LCD实时显示信息。通过测试，并且对比了分流器检测的数据，结果表明，此方案采集到的电流数据准确，可以正常使用。关键词：新能源汽车；动力电池；SOC估算；电流检测；霍尔电流传感器随着传统汽车对环境污染的不断加剧，国家政府不间断的提出相关政策来积极解决汽车碳排放问题，并针对性的制定发展战略来迎接挑战，新能源电动汽车因此成为汽车行业各个领域的关注焦点[1]。各国政府和相关企业都将新能源汽车作为一个新兴产业，希望可以由新能源汽车逐渐取代传统的汽车，从而减轻对环境的污染和对传统能源的需求[2-4]。新能源汽车飞速发展，对动力电池电流检测精度要求也越来越高，其中对检测精度有直接要求的就是针对于电池荷电状态（StateofCharge，SOC）又称剩余电量的估算。SOC对于估算车辆可行驶的剩余里程，估算电池是否该继续充电或使用有很大帮助，通过电池充放电电流、电压以及电池内部本身的电阻等的参数来进行计算，常用的估算SOC的方法一般是安时法与截止电压法配合使用，这种方法要求检测的电流精度一定要高[5]。因此，本文设计了一种霍尔电流传感器检测电路用于监测动力电池的电压、放电电流以及剩余电量，传感器检测到电流值之后输出为电压值，通过单片机对其进行处理得出具体的电流值，然后通过显示屏实时显示动力电池的电压电流和容量，以防止过充过放，检测精度高，可以在实际中应用。1电流检测的原理电流传感器能够检测到被测电流信息，并且将检测到的电流值通过处理转化变为遵循一定规律需求的信息输出，从而得出所测的电流信息，具有灵敏度高、抗干扰性强的特点，在电动汽车里面经常会用到，尤其是在针对动力电池SOC估算方面。电动汽车剩余电量的估算一般由安时法与截止电压法配合使用，通过将电池电流对时间进行积分来计算电池的荷电状态，需要定期对电荷状态进行标定，该方法中电流传感器采集的数据是一项关键指标。电流传感器有多个种类，每一种都有自己的特点、优势和不足，适用于各种场合，针对不同的测量原理，主要可分为分流器检测、电磁式电流互感器、电子式电流互感器等几种[6-8]。（1）分流器分流器检测主要使用分流电阻器以及运算放大器来实现功能，将分流电阻器串联在电路中，当需要测量的导线电流经过分流电阻器时，电阻器两端产生电压，通过放大电路放大后，检测其两端的电压信号，就可以换算出电流值，这是一种直接检测式的方法，分流器检测原理如图1所示：图1分流器检测示意图分流器实际上类似于一个阻值比较小的高精度电阻，其两端产生的是模拟量电压信号，由于其信号微弱不易检测，所以需要运算放大器来实现将电压信号放大的功能以方便检测，然后为了方便欧姆定律计算实际被测电流值，使用模数转换将信号转换成数字信号，此方法测量简单，直流测量准确度也能够达到较高的程度，成本也低。分流器一般应用于电压不高、电流相对较小的情况，分流电阻器检测时如果连接高压，由于其输入和输出之间没有电气隔离，所以当使用分流器检测电流时，需要额外的设置隔离器件将检测信号隔离，然后再连接到控制器件，所以隔离器件的成本就会比较高。当被检测电流高频变换时，磁场变化率很大，分流电阻两端会额外产生感生电动势，而分流电阻器阻值一般较小，所以很容易影响测量准确度，既有可能使被测量电流的波形改变，也无法将除正弦之外的波形真实的传递，如果电流太大，分流电阻器产生较大的热能损耗，会增加散热难度，由电阻设计的分流器自然很容易受到温度影响，影响检测的精度。（2）电磁式电流互感器电磁式的互感器是在电力系统中被应用最多的用于测量的设备，技术成熟、精度高、成本低。原理类似于变压器，测量依照的也是电磁感应现象，将大电流通过转换变成小电流，根据线圈匝数比例及测量结果来计算被测电流大小。电流互感器绝缘难度比较大，测量动态范围和频率范围都比较小，使用过程中不可以将二次侧开路，且只能测量交流电。绝缘难度导致使用需要花费更高的价格，而且体积质量也会因此提高，影响使用的便捷程度；测量较大电流时，如果超出了可测动态范围，电流互感器会出现饱和，若使二次保护被影响从而导致无法正确的识别故障，测量准确性势必会大打折扣，且只有在可测频率的范围内测量的电流值，才会得到比较准确的数值；由于二次侧开路时会产生危害人身及设备财产安全的高压，所以其工作时二次侧回路要求应该是始终闭合的。（3）霍尔电流传感器霍尔传感器是依照霍尔效应的一种通过检测磁场来反映电流大小的传感器，采用非直接、非接触的方式检测电流，它有两种类型，开环式和闭环式。由于霍尔传感器输出的电压信号和被测的电流信号是成正比的关系，所以即使电流方向改变，输出信号也能真实的表达，因此它任何波形的电流和电压信号都可以正确反映，都可以测量。电气隔离功能比较好，可测较高电压，拥有优越的线性度以及小于1μs的响应时间和高于50A/μs的跟踪速度，体现了其良好的动态性能，可测的电流值范围也很高，具有很强的过载能力，即使在一次侧电流超负荷，过载电流达到20倍的额定值，模块饱和时，也依然可以保护传感器模块不会被损坏。测量范围广，最快也只有1μs的响应时间以及快速的响应速度，良好的过载能力，使其相对于普通电流互感器有更好的工作性能，更有优势。1.1霍尔传感器的工作原理霍尔效应是一种电磁效应，将半导体放置在一个外加磁场里，当有与这个磁场垂直的电流通过半导体时，导体内电荷载子会受到磁场产生的洛伦兹力的影响发生偏离，产生既垂直于半导体电流也垂直于这个外加磁场的附加电场，在所放导体的两端产生一个电势差，即被称为霍尔电压，霍尔效应定义了一种不同于传统电磁感应的磁场和感应电势之间的关系。图2霍尔效应原理霍尔电流传感器根据霍尔效应设计的测量结构，有电流通过的导体会在其周围产生一个磁场，然后设置一个霍尔器件放置在产生的磁场中，通过测量磁场强度会输出一个电压信号。依照安培环路定理，导体电流产生的磁场的磁感应强度与这个电流的大小成正比，即：（1）根据霍尔效应的原理，霍尔器件输出的感应电动势和霍尔器件所测磁场的强度成正比，即：（2）其中I表示被测电流，IS表示流过霍尔元件的电流。由此得出被测电流、感应磁场、感应电动势三者之间的关系为：（3）在电路板上连接上霍尔元件，然后设计出实现功能的各项辅助电路，通过霍尔传感器测量输出的霍尔电动势的大小，反映通过导体的所要测量的电流大小。根据传感器测量时所用原理的不同，霍尔电流传感器可以分类成开环式和闭环式的霍尔传感器这两种。开环的霍尔电流传感器主要设置有聚集磁场的磁芯、检测磁场的霍尔器件和将输出信号放大以便检测的运算放大电路。首先，磁芯上会设计有一个气隙用来放置霍尔器件，将传感器磁芯套在被测导线上，被测导线流过电流时会产生磁场，磁芯会将产生的这个磁场给聚集起来，然后被气隙处的霍尔器件检测并通过处理放大后输出电压信号，被测导线有电流通过时产生的磁场与通过电流大小成正比，输出的电压信号与气隙处收集到的磁场磁感应强度成正比，如图3所示。图3开环式霍尔电流传感器工作原理与开环传感器相比，闭环传感器在运放后设计了一个反馈线路，在开环传感器的前提下，提高了电流检测性能。霍尔元件输出的电压信号由运算放大电路放大后以驱动反馈线圈，使反馈线圈中有电流通过，在磁芯的气隙处同样产生一个由反馈线圈产生的相同强度但是与被测导线的磁场方向相反的磁场，从而抵消原来的磁场，因此，磁芯气隙处相互抵消后的磁场基本为零，达到了磁平衡，如图4所示。图4闭环霍尔电流传感器的基本原理图通过测量电阻两端的电压，得出反馈线圈中的电流，然后根据其与被测电流的关系计算出被测电流，如公式（4）所示：（4）NP是被测直导线的匝数，一般为1；IP是被测导线电流；NS是绕在磁芯线圈的匝数；IS是反馈线圈中的电流。霍尔传感器基本的优点是测量的精度高，响应速度快响应时间短，过载能力强，温漂低，体积小等，如果需要应用于汽车，虽然闭环式检测精度和线性度相对更好一些，但是其对比开环来说设计更加复杂从而使价格体积等会更高，检测可靠度会相对较低，还容易受到温度的影响，所以会倾向于采用开环式[9]。1.2SOC估算SOC表示电池在经过一段时间的使用以后剩余的电量和电池正常容量的比值，通常都用百分比的形式表示。（5）电池剩余电量是没办法直接进行测量的，它会有一些对应的估算方法，通过对电池放电电流电压等的检测，结合电池本身的一些固有参数计算出来，估算通常使用安时法与截止电压法相结合的方法。安时计量法（或称电流积分法），是现如今电池管理系统中使用频率较高的估算方法其中之一，这个方法的根本依据是通过累积的电池充电或者放电的过程中充进去或者放出来的电量来估算这个电池的剩余电量。计算公式为： （6）其中，SOC表示当前状态下电池的电量；SOC0表示充放电开始前电池的电量；CN表示电池的额定容量；I表示电池充电或放电的电流；表示充放电效率，并且不为常数[10]。虽然安时法计算简单方便，但是在实际生活中应用时还会存在一些问题：如果在电流检测时检测的不准确，就会造成计算SOC时误差较大，然后通过积分计算时长期积累使原本的误差越积越大，计算时还需要考虑到电池的充放电效率，而且如果是高温或者在电流的波动比较剧烈时测得的数据计算时误差也会比较大，所以在电流检测环节，测量精度要有一定的要求。因此，在计算方法中，要尽量避免电流的波动较大不能准确采集而造成较大的误差，所以要求当前时刻的电流检测要精准。动力电池作为电动汽车重要的驱动来源，对电动汽车的动力性能、安全性能和经济性都会有很大的影响。目前市场中大多数的电动车都是以锂电池作为主要的驱动来源，主要原因是锂电池能量密度高且充放电效率好，而且它的工作电压较大，没有记忆效应，没有污染，性能还较为稳定。锂电池由于是大批量生产，想要精准的掌握品质是非常困难的，而且出厂时，每一个电池芯的电量都不可能完全相同，再随着使用过程中运行环境影响，使用以后电池老化问题，会随着时间在电池之间形成越来越明显的差异，电池效率和使用寿命会慢慢降低，如果在使用时经常有过充或过放的情况，甚至会引起火灾燃烧等影响安全的问题[11-12]。因此，通常都会有一个电池管理系统（BMS）来监测电池组，在使用过程中保护电池。BMS，是新能源汽车电池组非常重要的一个部分，属于它的一项核心技术。图5电池管理系统主要功能电池管理系统有很多作用，比如电池电流电压温度等参数的采集监控、电池电量使用程度的估算、绝缘电阻值检测、控制进行安全保护等等，通过与整车控制器（VCU）、充电机通信，可以控制动力电池合理的充放电，而想要实现这些功能，主要会用到的技术有系统架构技术，嵌入式软硬件的开发测试，软硬件集成测试，功能安全等等[13-14]。对于动力电池来说，在使用中需要注意的很严重的问题就是过充电和过放电，如果经常性的发生过充和过放，电池损坏会越来越严重，容量也会慢慢减少，电池的可使用寿命越来越短，比较严重时甚至会有爆炸等危及安全现象，尤其对于锂离子电池，通常都是因为这个原因引起的爆炸[15]。2系统硬件设计该系统处理器采用STC89C52单片机，采集电流信号的霍尔传感器使用ACS712，采集到电流信号以后，将输出的电压信号转换成数字信号后通过单片机进行处理，系统结构框图如图6所示。图6系统硬件框图STC公司的STC89C52单片机功耗低且性能高，拥有8kB（字节）的ROM（程序存储空间）和512B（字节）的RAM（数据存储空间），依然使用典型的8051系列内核，但是在通过很多改进后使它比传统51系列单片机又多了一些功能。当CPU不运行单片机空闲的时候，RAM、定时器/计数器、串口、中断等依然可以继续进行工作，如果不小心断电，有掉电保护，RAM的内容会被保存不用担心会丢失，然后会将振荡器冻结，在下一个中断或者硬件复位之前，单片机的所有工作都不会再次开始。STC89C52RC的电路主要由复位电路、时钟电路和电源电路组成，其原理图如图7所示。图7单片机最小系统原理图ACS712传感器可专用于检测电流，它拥有非常稳定的输出偏置电压和接近于零的磁滞，输出可以达到66-185mV/A的灵敏度，封装使用的体积小厚度低的SOIC8，客户可以轻松实施，其制作工艺高度集成，电流检测技术也非常专业，对于各种需要检测的电流，都能够提供比较精确而且性价比高的解决方法，电路如图8所示：图8传感器接口电路原理图2.1A/D转换电路和分压电路A/D转换电路的功能是提供稳定的数字信号给单片机，数据传输采用的是I2C协议，本篇文章选择PCF8591芯片，它的地址引脚有3个，在对设计的硬件地址进行编程时都可以使用，传输地址、控制和数据信号使用I2C总线，传输方式为双线双向的串行方式，不需要加任何额外器件可以允许接入8个转换模块，电路图如图9所示。图9A/D转换电路为了使采集信息更加准确，需要控制模数转换芯片采集的信息在可采集范围内，所以在采集之前设计了一个分压电路，将采集的电压值降低到可测范围内防止测量出现错误，如图10所示。图10分压电路2.2LCD1602液晶显示电路设计LCD显示器可以是字段显示也可以是字符显示，字段显示只需要给对应的管脚输入相应的信号就可以将字段显示出来，字符显示则需要根据具体的需求显示对应的字符。本设计需要字符显示，选用LCD1602作为输出信息的显示器件。相对于比较传统的显示器件液晶显示体积小、功耗低，可以显示更加丰富的内容，而且本身已经存在驱动电路，不需要再外加电路，现如今已经成为关于单片机的应用设计中使用频率最高的显示器件，电路如图11所示：图11LCD1602液晶显示电路原理图2.3电源电路设计本设计使用+5V电源，由红色的LED作为显示是否有电的指示灯，设计一个1K的电阻控制电流大小保护LED灯，自锁开关SW闭合时，LED灯亮，系统电源接通，如图12所示：图12电源电路原理图2.4CAN接口电路和存储模块CAN接口电路的作用是将测得的电流数据发送给电动汽车相应控制器以控制车辆进行合适的操作，然后在存储模块保存下来。3系统软件设计系统软件部分使用C语言程序编写，主要由初始化、采集电流数据、数据处理、通信和数据存储等部分组成。3.1电流数据的处理传感器检测到电流后输出的信号是电压信号，所以所测电流值需要根据传感器的输出信号和被测电流范围的关系以及模数转换芯片输入与输出的关系来计算。将PCF8591在程序中的增益设为1，数据的传输速率设为32bps，则：（7）即（8）传感器检测到的电流IP和输出的电压VOUT之间的关系是：（9）3.2数据采集流程的设计采集到传感器输出信号以后需要先进行初始化操作，以防止之前留存的信息影响准确操作，然后读取转换后的数字量电压信号，如果判断接收到的数据信息可以使用，再对数值进行相应的处理，其流程如图13所示。图13电流采集设计流程图4测试结果通过进行静态的温漂测试和静态的充电测试，验证了本方案采集的电流数据的准确性，并且将测得的数据与分流器检测的数据进行了分析对比。（1）温度影响测试：进行温度影响测试主要是想要了解传感器检测电流值在不同的温度时结果会有多大差异，其可适应的工作温度范围有多大，放置一个分流器和本文采用的传感器同时进行测试，设置测试电流值为零，慢慢改变温度后，对比分流器和传感器的检测结果受温度影响的不同程度。（2）静态放电测试：放电测试时将环境温度控制在室温，电流值控制在稳定数值，需要对比分流器检测数据，所以要将分流器和本文采用的传感器保持同步操作，方便对检测的数据进行分析和对比，接通放电线路进行测试，然后记录不同时刻两种工具的测试结果。测试的结果表示，在实际应用中ACS712检测模块检测到的电流值精度不低，并且和分流器结果对比差别不大，此设计达到了系统设计检测标准的要求。5结论系统通过传感器检测动力电池放电电流，输出电压信号经过单片机处理后得到被测电流值，通过静态放电和温度影响测试，对记录数据进行对比分析，证明此设计检测电