電動汽車蓄電池組電流檢測系統硬件設計

天津理工大學　中國汽車技術研究中心有限公司　代琪琪

天津理工大學　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，是用安時法計算SOC的主要依據，還會影響到保護策略的設置，對整個電池系統的性能及安全性都起著至關重要的作用。因此電流采樣數據的精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差必須嚴格要求，對采樣硬件電路的抗干擾性和數模隔離必須經過良好的處理。

目前，最常用的電流檢測方法是通過電路中串聯的電阻兩端電壓來推算電流大小。該測量方法十分簡單，但測量精度不高，且電阻值受溫度的影響較大。當電流較大時，電阻對電流的消耗較大，不適合在BMS中使用?；谝陨显?，本文電流檢測采用分流器測量和霍爾傳感器測量方案。

1　電流檢測的原理

分流器測量電流的原理是依據電流經過電阻的時候在電阻兩端形成電壓而制作的，常用于均流取樣檢測，有插槽式和非插槽式。相比于霍爾電流傳感器在測量范圍的低端線性度很難保證，用分流器來測量電流，在整個量程內都可以保持比較好的線性度，并且擁有很好的精度。

霍爾電流傳感器測量基于霍爾原理，就是將總電源線穿過霍爾傳感器，通過電磁感應獲得電流值?；魻杺鞲衅鞯娜秉c在于精度不是特別高，而且靈活性不高，具有溫漂、零點漂移等問題。與分流器相比具有的優勢為：（1）采用霍爾感應的原理，無需直接接觸高壓電路，低圧測量電路和高壓被測電路可以隔離，避免動力電池端的干擾進入控制端，不需外部隔離。因此，達到提高采樣精度，避免高壓干擾的目的；（2）電路簡單，易于安裝；（3）動態特性好，有極快的轉換速度。

1.1　分流器測量

分流器其實就是一個標準輸出的采樣電阻，使用精確測量的猛銅絲作為測量電流的標準參數，利用直流電流經過導體會產生電壓的原理，通過測量電壓值來計算電流。分流器測量電流的主要過程是：信號濾波處理、模數轉換、通過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。測量過程如圖1所示。

圖1　電流測量過程

首先分流器將所測電流轉換為0～75mV的電壓信號，通過濾波電路聯接到模-數轉換器CS5460A的模擬量輸入端，轉換為數字信號后經過隔離電路傳給MCU。本設計采用FL-2型，額定參數為300A/75mV規格的分流器測量電流，結合雙積分高分辨率的ADC芯片CS5460A實現了高精度測量，主控單元和測量回路之間使用四通道數字隔離器ISO7241A進行隔離。

本文所用分流器的實物及其在系統中的接線分別如圖2和3所示。其主要技術參數如下：

（1）額定電流：300A，額定壓降：75mV，準確度等級±0.5%；

（2）標準電阻值：0.00025Ω；

（3）超載性能：額定電流120%，2小時。

圖2　FL-2型分流器

圖3　分流器接線示意圖

1.2　霍爾電流傳感器測量

霍爾電流傳感器利用霍爾效應將電流信號轉換成弱電信號進行測量。本系統選用LEM公司用于汽車工業的HAH1BV S/06型號霍爾電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖各種不規則波形的電流，精度為0.3%，測量范圍是±500A。測量時幾乎沒有插入損耗，可以保持電路穩定性。

圖4為本設計所用傳感器的實物圖，圖5為其測量原理示意圖。測量原理基于開環霍爾效應原理，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

霍爾傳感器測量母線電流的原邊電流Ip與霍爾輸出電壓Vout的關系曲線如圖6所示，直線的斜率是傳感器靈敏度G，其函數關系可用下式表示：

由圖6可見，此傳感器在測量大電流時具有良好的線性度，輸出電壓與原邊電流幾乎成正比。電流較小時線性度相對較差。

2　蓄電池電流檢測的硬件電路設計

2.1　分流器測量硬件電路設計

分流器測量電流電路設計如圖7所示。I+、I-分別與分流器的正、負引腳相連。分流器測量得到的電壓信號經過濾波電路之后，輸入到模-數轉換器CS5460A的電流通道進行采集，然后利用串行外設接口SPI（Serial Peripheral Interface）通訊協議傳動給單片機。

圖6　原邊電流與輸出電壓關系曲線

圖7　分流器電流采集電路

CS5460A是一個測量功能強大的高精度測量芯片，轉換位數達到24位，采樣頻率為4000點/秒，它包含了兩個增益可編程放大器、兩個Δ∑調制器、兩個高速濾波器，具有系統校準和有效值/功率計算功能，它適合與分流器或電流互感器相連來測量電流、與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。電流通道輸入電平滿量程可選擇為±250mVRMS或±50mVRMS。電壓通道可適應±250mv的輸入電壓范圍。

由于分流器直接將高壓信號引入電池管理系統，需要將電流信號與低壓系統進行隔離。其中電源采用直流轉換器PWB2405CS-2W進行+5V電壓隔離。為了不影響測量的線性度，設計中沒有對分流器輸入的電流信號進行隔離，而是將CS5460A與MCU之間的通訊使用四通道數字隔離器ISO7241A進行隔離，因為數字信號的隔離對測量沒有影響。設計隔離電路如圖8所示。

圖8　隔離電路設計

2.2　霍爾電流采集硬件電路設計

霍爾電流傳感器供電電路如圖9所示。Q_T1為電源管理芯片專為傳感器提供的5V電壓，經過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穩壓二級管，C126為ESD靜電防護電容，保護單片機端口。電路中電阻及電容要求1%的精度。輸入到單片機的值為霍爾傳感器輸出電壓，根據輸出電壓與所測電流的關系式（2）計算得到所測電流大小。

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　測試

對母線電流的采集是BMS最基本最重要的功能之一，它是計算SOC的基本參數。為驗證采樣系統的可靠性，對電池組進行放電試驗，對比BMS采集電流數據和電流鉗實際測量數據，采用HALL電流傳感器采集電流值，實驗結果見下表。

表1　電流采樣結果分析

由表1可得，系統采集的電流值和電流鉗所測實際電流值較吻合，最大誤差為1.4A，精度為2.77%?？梢娫撾娏鞑杉到y達到了較高的采集精度，為BMS的SOC估計等功能建立了一個堅實的基礎。

4　結論

本文提供了兩種檢測電動汽車蓄電池母線電流的方法，對兩種方法分別進行了原理闡述與硬件電路設計。試驗結果表明，設計的測量電路具有穩定性好、電路簡單、測試方法簡便、抗干擾能力強等優點，在新能源汽車的發展中具有重要前景。下一步研究將集中在對系統進行改良，提高其檢測精度。

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