一种电动汽车动力电池电流检测系统的设计

        摘  要： 鉴于电流是影响SoC(State of Charge)估算精度的一个重要因素，提出了一种优化的霍尔传感器电路用于检测动力电池的充放电电流。系统主要包括信号调理、A/D转换以及数字隔离等部分，并采用零点漂移值补偿和滑动平均滤波等方式处理采集的电流值。在静态温漂测试、静态充电测试以及动态车载测试的基础上，通过对比分流器检测电路、IT 700-S检测电路的数据，验证了方案采集的数据的精确性。

        关键词： 霍尔传感器；电流检测；SoC；动力电池

        随着电动汽车商用规模的不断扩大，各大整车厂商对SoC(State of Charge)估算精度的要求越来越高。动力电池组的SoC对于预测车辆剩余行驶里程，避免电池出现过充放电现象有着重要的意义。现阶段虽然估算SoC的方法有很多种，但是得到广泛应用的依然是安时-开路电压法(安时积分法与开路电压法的结合)^[1]，这种方法要求系统必须提供准确的充放电电流值^[2]。

        在工业领域里测量电流的方法主要有三种：分流器(电阻取样法)、电流互感器法、霍尔传感器法。分流器所用的电阻的精度很难控制，电阻的阻值也易受温度影响。电流互感器的体积比较大，安装不方便，而且一般其多用于交流信号的测量。霍尔传感器检测的电流精度很高，检测的实时性突出，且能实现与被检测对象的完全隔离^[3-5]。

        目前,在检测电动汽车动力电池组充放电电流方面，无论是采用分流器法还是霍尔传感器法的检测系统对电流干扰信号的处理都有待提高^[6]，鉴于这种情况本文提出了一种优化的霍尔传感器电路用于检测动力电池组充放电电流，提高了系统的检测精度和抗干扰能力。

1 系统硬件设计

        本系统以英飞凌XC2267M单片机为处理器，采用莱姆公司的HAH1BV S/02霍尔开环电流传感器采集电流信号。信号通过调理、模数转换与数字隔离后输入到单片机XC2267M中^[5]，其硬件框图如图1所示。

1.1 单片机与霍尔传感器简介

        英飞凌公司的XC2267M是一款汽车级的16位单片机，具有极强的抗干扰性，采用C166架构,LQFP100低引脚封装，时钟频率高达80 MHz，具有多达832 KB的Flash存储器和50 KB的RAM，8路串行接口(USIC通道)，6个CAN节点，集成了电压调节器和多种振荡器，具有超低功耗的待机与操作模式，特别适合汽车车身应用。

        莱姆公司的HAH1BV S/02是一款针对纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)设计的霍尔开环电流传感器，特别适用于测量电动汽车电池组的充放电电流。其原边电流测量范围可达±500 A， 精度高达0.5%,采用+5 V电源供电，副边输出电压范围0.5 V~4.5 V。

1.2 信号调理电路

        信号调理电路主要是利用电压跟随器输入电阻大输出电阻小的特性滤除干扰达到可靠地传输信号的目的，采用二级电压跟随器能够更好地滤除干扰信号和起到隔离的作用，并对前级电压跟随器的输入电压采取RC滤波^[6]。运算放大器选择TI公司的OP27GS,其电路图如图2所示。

1.3 A/D转换与数字隔离电路

        A/D转换与数字隔离电路的作用是给XC2267M提供稳定的数字信号，数据的传输采用I²C协议，其硬件电路如图3所示。

        TI公司的ADS1100A1是一款采用I2C协议的连续自校准模数转换芯片，分辨率高达16 bit，在本项目中采用单端输入的方式，即引脚V_in+接信号调理电路输出的电压信号，引脚V_in-直接接地,基准电压V_DD选择+5 V。芯片ADS1100A1的输入与输出关系为：

        ADI公司的ADuM1250芯片是一款采用了iCoupler技术的I²C数字隔离器，iCoupler技术保证了I²C协议的总线不会产生任何毛刺或锁定问题。XC2267M的引脚P7.1与P7.3为通用I/O，在软件编程中模拟I²C协议。

1.4 RS485接口、CAN接口电路和存储模块

        RS485接口电路实现XC2267M与上位机的通信，以便设置电流的零漂补偿值；CAN接口电路主要是为了把采集的电流数据发送给电动汽车整车控制器以及仪表盘；存储模块用于存储采集的电流数据。

2 系统软件设计

        系统的程序主要由初始化、数据的采样与处理、RS485通信、CAN通信以及数据存储等部分组成。程序采用模块化的C语言编写，移植嵌入式操作系统μCOS-II用于提高数据采集的实时性。

2.1电流数据的处理

        传感器HAH1BV S/02输出的是电压信号，需要根据HAH1BV S/02输出的电压与被测电流范围的关系以及芯片ADS1100A1输入与输出的关系计算所测的电流值。

        在程序中设置ADS1100A1的增益PGA为1，数据传输速率为32 S/s，则：

        在本项目中传感器HAH1BV S/02检测的电流I_P与输出的电压V_OUT（即为芯片ADS1100A1引脚输入的电压V_in+）之间的关系为：

        IP=250×[(V_in+)-2.5]

2.2 数据采集流程的设计

        电流信号的采集流程主要包括：初始化、I2C总线初始化、读取ADS1100A1的转换值、判断采样值是否有效、零漂值调整和滑动平均滤波等，其流程图如图4所示。

        程序中的零漂补偿值将在上位机中输入，这样更好地适应不同的应用环境，且采用滑动平均滤波与采集数据是否有效判断等方式来抑制温漂与电磁信号干扰对采样电路的影响。

3 系统测试

        为了验证本方案采集的电流数据的精确性，分别进行了静态温漂测试、静态充电测试以及动态车载测试，并且用分流器电路、IT 700-S ULTRASTAB检测电路测得的数据进行分析对比。莱姆公司的IT 700-S ULTRASTAB是一款超高精度、宽频带的闭环电流传感器，其精度高达0.005 35%，但是上万元的单价使其只适合作为基准对象使用。

3.1 静态温漂测试

        静态高温测试时实际的电流值为零，测试的目的是为了了解不同的温度对电流值的影响，此种测试模式下只需对比分流器模块与HAH1BV S/02检测模块受温度的影响程度。

        将分流器模块与HAH1BV S/02检测模块放进高温箱中，将温度缓慢地由室温加热到80 ℃，对测得的数据进行对比，结果如图5所示。

3.2 静态充电测试

        静态充电时充电电流设置为恒定值，以便对检测的数据进行分析对比，测试在室温的环境下进行。

        分别对分流器模块、HAH1BV S/02检测模块、IT 700-S ULTRASTAB检测模块进行静态充电测试，测试时保持3个模块的时间同步，将测得的数据进行对比，结果如图6所示。

        将IT 700-S检测模块采集的数据作为参考值，对分流器模块、HAH1BV S/02检测模块采集的数据进行差值分析，分析结果如表1所示。

3.3动态车载测试

        动态车载测试即把电流检测模块安装在电动汽车上，正常驾驶汽车行驶一段距离，行驶中尽量避免急加速、急刹车等情况的发生，并选择平坦的路面。

        分别将分流器模块、HAH1BV S/02检测模块、IT 700-S ULTRASTAB检测模块安装到江淮二代同悦纯电动轿车上，进行车载测试，将测得的数据进行对比，结果如图7所示。

        将IT 700-S检测模块采集的数据作为参考值，对分流器模块、HAH1BV S/02检测模块采集的数据进行差值分析，分析结果如表2所示。

        通过上述三种测试，可以了解在实际运用中HAH1BV S/02检测模块测量的电流值精度不低于1%，成本相对于IT 700-S ULTRASTAB检测模块又便宜很多，适合在电动汽车上大规模的应用。

        基于HAH1BV S/02霍尔传感器的电流检测系统具有较高的检测精度，软硬件设计易实现，可靠性高，能够为电动汽车SoC的估算提供准确依据，在实际应用中将会作为电池管理系统的一部分运用于电动汽车上。

参考文献

[1] LEE S J, KIM J H, LEE J M, et al. The state and parameter estimation of a Li-ion battery using a new OCVSOC concept[C]. Proceedings of 2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference. Orlando, USA, 2007.

[2] 李哲，卢兰光，欧阳明高.提高安时积分法估算电池SoC精度的方法比较[J].清华大学学报(自然科学版)，2010,50(8):1293-1296.

[3] 王瑞峰，米根锁.霍尔传感器在直流电流检测中的应用[J].仪器仪表学报，2006,27(6):312-313.

[4] 李亮，阙沛文，陈亮.新型霍尔传感器在电流检测中的应用[J].仪表技术与传感器，2005(4):3-4.

[5] 王香婷，苏晓龙.基于霍尔传感器的电流检测系统[J].工矿自动化，2008(2):74-75.

[6] 谢珺耀，于海波.LEM电流传感器的应用探讨[J].电子工业专用设备，2010(1):50-54.