《電子技術(shù)應用》
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一種電動汽車動力電池電流檢測系統(tǒng)的設計
2014年電子技術(shù)應用第7期
沈 玉1, 韓 廷1， 武 驥1,2， 王 恒1， 詹昌輝1
1.合肥國軒高科動力能源股份公司，安徽 合肥230000； 2.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥2300
摘要： 鑒于電流是影響SoC(State of Charge)估算精度的一個重要因素，提出了一種優(yōu)化的霍爾傳感器電路用于檢測動力電池的充放電電流。系統(tǒng)主要包括信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字隔離等部分，并采用零點漂移值補償和滑動平均濾波等方式處理采集的電流值。在靜態(tài)溫漂測試、靜態(tài)充電測試以及動態(tài)車載測試的基礎上，通過對比分流器檢測電路、IT 700-S檢測電路的數(shù)據(jù)，驗證了方案采集的數(shù)據(jù)的精確性。
中圖分類號： TM933.1; TM912.9
文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)07-0069-03
A design of detecting electric vehicle power battery current system
Shen Yu1, Han Ting1, Wu Ji1,2, Wang Heng1, Zhan Changhui1
1. Hefei Guoxuan Gao Ke Power Energy Co. Ltd. Hefei 230000, China;2. University of Science and Technology of China, Hefei 230000, China
Abstract： In view of current is one of the important factors affecting the SoC estimation accuracy, propose a optimal method what use the Hall sensor to measure power battery charging and discharging current. The system mainly includes signal regulation, A/D converter and digital isolator, and uses the zero drift current compensation and the average filter to process the acquired current. The project which based on the static temperature drift detection, the static charging current detection and the dynamic driving vehicle detection uses the detecting data of resistance shunt circuit and IT 700-S detected circuit as the reference to verify the accuracy of the scheme measured data.
Key words : Hall sensor; current detection; SoC; power battery

       隨著電動汽車商用規(guī)模的不斷擴大，各大整車廠商對SoC(State of Charge)估算精度的要求越來越高。動力電池組的SoC對于預測車輛剩余行駛里程，避免電池出現(xiàn)過充放電現(xiàn)象有著重要的意義?，F(xiàn)階段雖然估算SoC的方法有很多種，但是得到廣泛應用的依然是安時-開路電壓法(安時積分法與開路電壓法的結(jié)合)[1]，這種方法要求系統(tǒng)必須提供準確的充放電電流值[2]。

        在工業(yè)領域里測量電流的方法主要有三種：分流器(電阻取樣法)、電流互感器法、霍爾傳感器法。分流器所用的電阻的精度很難控制，電阻的阻值也易受溫度影響。電流互感器的體積比較大，安裝不方便，而且一般其多用于交流信號的測量?；魻杺鞲衅鳈z測的電流精度很高，檢測的實時性突出，且能實現(xiàn)與被檢測對象的完全隔離[3-5]。

        目前,在檢測電動汽車動力電池組充放電電流方面，無論是采用分流器法還是霍爾傳感器法的檢測系統(tǒng)對電流干擾信號的處理都有待提高[6]，鑒于這種情況本文提出了一種優(yōu)化的霍爾傳感器電路用于檢測動力電池組充放電電流，提高了系統(tǒng)的檢測精度和抗干擾能力。

1 系統(tǒng)硬件設計

        本系統(tǒng)以英飛凌XC2267M單片機為處理器，采用萊姆公司的HAH1BV S/02霍爾開環(huán)電流傳感器采集電流信號。信號通過調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字隔離后輸入到單片機XC2267M中[5]，其硬件框圖如圖1所示。

1.1 單片機與霍爾傳感器簡介

        英飛凌公司的XC2267M是一款汽車級的16位單片機，具有極強的抗干擾性，采用C166架構(gòu),LQFP100低引腳封裝，時鐘頻率高達80 MHz，具有多達832 KB的Flash存儲器和50 KB的RAM，8路串行接口(USIC通道)，6個CAN節(jié)點，集成了電壓調(diào)節(jié)器和多種振蕩器，具有超低功耗的待機與操作模式，特別適合汽車車身應用。

        萊姆公司的HAH1BV S/02是一款針對純電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)設計的霍爾開環(huán)電流傳感器，特別適用于測量電動汽車電池組的充放電電流。其原邊電流測量范圍可達±500 A， 精度高達0.5%,采用+5 V電源供電，副邊輸出電壓范圍0.5 V~4.5 V。

1.2 信號調(diào)理電路

        信號調(diào)理電路主要是利用電壓跟隨器輸入電阻大輸出電阻小的特性濾除干擾達到可靠地傳輸信號的目的，采用二級電壓跟隨器能夠更好地濾除干擾信號和起到隔離的作用，并對前級電壓跟隨器的輸入電壓采取RC濾波[6]。運算放大器選擇TI公司的OP27GS,其電路圖如圖2所示。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)字隔離電路

        A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)字隔離電路的作用是給XC2267M提供穩(wěn)定的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)的傳輸采用I2C協(xié)議，其硬件電路如圖3所示。

        TI公司的ADS1100A1是一款采用I2C協(xié)議的連續(xù)自校準模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率高達16 bit，在本項目中采用單端輸入的方式，即引腳Vin+接信號調(diào)理電路輸出的電壓信號，引腳Vin-直接接地,基準電壓VDD選擇+5 V。芯片ADS1100A1的輸入與輸出關(guān)系為：

          

        ADI公司的ADuM1250芯片是一款采用了iCoupler技術(shù)的I2C數(shù)字隔離器，iCoupler技術(shù)保證了I2C協(xié)議的總線不會產(chǎn)生任何毛刺或鎖定問題。XC2267M的引腳P7.1與P7.3為通用I/O，在軟件編程中模擬I2C協(xié)議。

1.4 RS485接口、CAN接口電路和存儲模塊

        RS485接口電路實現(xiàn)XC2267M與上位機的通信，以便設置電流的零漂補償值；CAN接口電路主要是為了把采集的電流數(shù)據(jù)發(fā)送給電動汽車整車控制器以及儀表盤；存儲模塊用于存儲采集的電流數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設計

        系統(tǒng)的程序主要由初始化、數(shù)據(jù)的采樣與處理、RS485通信、CAN通信以及數(shù)據(jù)存儲等部分組成。程序采用模塊化的C語言編寫，移植嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II用于提高數(shù)據(jù)采集的實時性。

2.1電流數(shù)據(jù)的處理

        傳感器HAH1BV S/02輸出的是電壓信號，需要根據(jù)HAH1BV S/02輸出的電壓與被測電流范圍的關(guān)系以及芯片ADS1100A1輸入與輸出的關(guān)系計算所測的電流值。

        在程序中設置ADS1100A1的增益PGA為1，數(shù)據(jù)傳輸速率為32 S/s，則：

        

        在本項目中傳感器HAH1BV S/02檢測的電流IP與輸出的電壓VOUT（即為芯片ADS1100A1引腳輸入的電壓Vin+）之間的關(guān)系為：

        IP=250×[(Vin+)-2.5]

2.2 數(shù)據(jù)采集流程的設計

        電流信號的采集流程主要包括：初始化、I2C總線初始化、讀取ADS1100A1的轉(zhuǎn)換值、判斷采樣值是否有效、零漂值調(diào)整和滑動平均濾波等，其流程圖如圖4所示。

        程序中的零漂補償值將在上位機中輸入，這樣更好地適應不同的應用環(huán)境，且采用滑動平均濾波與采集數(shù)據(jù)是否有效判斷等方式來抑制溫漂與電磁信號干擾對采樣電路的影響。

3 系統(tǒng)測試

        為了驗證本方案采集的電流數(shù)據(jù)的精確性，分別進行了靜態(tài)溫漂測試、靜態(tài)充電測試以及動態(tài)車載測試，并且用分流器電路、IT 700-S ULTRASTAB檢測電路測得的數(shù)據(jù)進行分析對比。萊姆公司的IT 700-S ULTRASTAB是一款超高精度、寬頻帶的閉環(huán)電流傳感器，其精度高達0.005 35%，但是上萬元的單價使其只適合作為基準對象使用。

3.1 靜態(tài)溫漂測試

        靜態(tài)高溫測試時實際的電流值為零，測試的目的是為了了解不同的溫度對電流值的影響，此種測試模式下只需對比分流器模塊與HAH1BV S/02檢測模塊受溫度的影響程度。

        將分流器模塊與HAH1BV S/02檢測模塊放進高溫箱中，將溫度緩慢地由室溫加熱到80 ℃，對測得的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖5所示。

3.2 靜態(tài)充電測試

        靜態(tài)充電時充電電流設置為恒定值，以便對檢測的數(shù)據(jù)進行分析對比，測試在室溫的環(huán)境下進行。

        分別對分流器模塊、HAH1BV S/02檢測模塊、IT 700-S ULTRASTAB檢測模塊進行靜態(tài)充電測試，測試時保持3個模塊的時間同步，將測得的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖6所示。

        將IT 700-S檢測模塊采集的數(shù)據(jù)作為參考值，對分流器模塊、HAH1BV S/02檢測模塊采集的數(shù)據(jù)進行差值分析，分析結(jié)果如表1所示。

3.3動態(tài)車載測試

        動態(tài)車載測試即把電流檢測模塊安裝在電動汽車上，正常駕駛汽車行駛一段距離，行駛中盡量避免急加速、急剎車等情況的發(fā)生，并選擇平坦的路面。

        分別將分流器模塊、HAH1BV S/02檢測模塊、IT 700-S ULTRASTAB檢測模塊安裝到江淮二代同悅純電動轎車上，進行車載測試，將測得的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖7所示。

        將IT 700-S檢測模塊采集的數(shù)據(jù)作為參考值，對分流器模塊、HAH1BV S/02檢測模塊采集的數(shù)據(jù)進行差值分析，分析結(jié)果如表2所示。

        通過上述三種測試，可以了解在實際運用中HAH1BV S/02檢測模塊測量的電流值精度不低于1%，成本相對于IT 700-S ULTRASTAB檢測模塊又便宜很多，適合在電動汽車上大規(guī)模的應用。

        基于HAH1BV S/02霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度，軟硬件設計易實現(xiàn)，可靠性高，能夠為電動汽車SoC的估算提供準確依據(jù)，在實際應用中將會作為電池管理系統(tǒng)的一部分運用于電動汽車上。

參考文獻

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[2] 李哲，盧蘭光，歐陽明高.提高安時積分法估算電池SoC精度的方法比較[J].清華大學學報(自然科學版)，2010,50(8):1293-1296.

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[5] 王香婷，蘇曉龍.基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)[J].工礦自動化，2008(2):74-75.

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