新能源汽车动力电池电流检测研究4700字【（论文）】

新能源汽车动力电池电流检测装置设计TOC\o"1-2"\h\uTOC\o"1-2"\h\u24703摘要 14669关键词 1776一、电流检测的原理 112616（一）电流传感器的类型 111411（二）SOC估算 320670二、系统硬件设计 427018（一）信号调理电路 430956（二）A/D转换电路 516489（三）液晶显示电路设计 616436（四）电源电路设计 622648三、系统软件设计 714704（一）电流数据的处理 71841（二）数据采集流程的设计 716934四、装置测试 8524结论 96071参考文献 9摘要：针对新能源汽车动力电池电流及容量估算，设计了一种基于霍尔电流传感器的检测电路，用来检测锂电池的充放电电流，监控锂电池的剩余电量。系统采用电流传感器检测电流，并输出相应的电压值，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，估算剩余电量，在LCD实时显示信息。实验结果表明，该装置测量结果精度高，抗干扰能力强。关键词：新能源汽车；动力电池；SOC估算；电流检测；霍尔电流传感器一、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。电流传感器灵敏度高、抗干扰性强，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。电流传感器有多个种类，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向乐.汽车尾气排放的控制对策探讨[J].科技展望,2015,第2页。向乐.汽车尾气排放的控制对策探讨[J].科技展望,2015,第2页电流传感器的类型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。罗艳托,汤湘华.全球电动汽车发展现状及未来趋势[J].国际石油经济,2018罗艳托,汤湘华.全球电动汽车发展现状及未来趋势[J].国际石油经济,2018，第4页分流器常用于电压不高、电流相对较小的情况。分流电阻器检测时如果连接高压，输入和输出之间没有电气隔离，因此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，成本较高。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。由于分流电阻器阻值一般较小，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。若电流太大，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。王昊南.新能源汽车产业的现状与应对策略[J].中国战略新兴产业,2018，第3页2.电磁式电流互感器电磁式电流互感器在电力系统中应用广泛，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。图2电磁式电流互感器检测示意图3.霍尔电流传感器霍尔电流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。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，即使电流方向改变，输出信号也能真实的表达，因此能够正确反映任何波形的电流和电压信号。霍尔电流传感器电气隔离功能较好，可测较高电压，拥有优越的线性度，响应时间小于1μs，跟踪速度高于50A/μs，具有良好的动态性能。霍尔电流传感器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，依然可以保护传感器模块不会被损坏。刘影.我国新能源汽车的发展现状[J].山东工业技术,2018刘影.我国新能源汽车的发展现状[J].山东工业技术,2018，第5页SOC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）电池剩余电量无法直接进行测量，通常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，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之一。安时计量法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；表示电池的额定容量；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]。安时法计算简单方便，但电流检测不准确会造成计算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。SOC计算时还需要考虑电池的充放电效率，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较大，因此电流检测环节的测量精度要有一定的要求，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[11]。SOC估算属于新能源汽车电池管理系统（BMS）的重要功能之一。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。如果使用时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，通常因此引起爆炸，因此SOC估算至关重要张松.电动汽车用锂电池SOC估算方法研究[J].电源技术,2017,第2页张松.电动汽车用锂电池SOC估算方法研究[J].电源技术,2017,第2页二、系统硬件设计该系统处理器采用STC89C52单片机，使用霍尔传感器DHABS/124采集到电流信号，输出的电压信号转换成数字信号后通过单片机进行运算处理，系统结构框图如图3所示。图3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和512B字节的RAM，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，电路主要由复位电路、时钟电路和电源电路等组成。张建军.霍尔电流传感器设计关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017，第3页霍尔传感器DHABS/124是开环式霍尔电流传感器，适用于汽车级大功率大电流检测，输入输出之间设计了电气隔离，并且通过使用特殊的磁芯材料，有效解决了检测电流较小时开环式检测精度较低的问题。检测精度高、输出线性度好、灵敏度高，具有双量程，小电流可检测范围为±75A，大电流可检测范围为±500A，电压输出范围为0.5V-4.5V张建军.霍尔电流传感器设计关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017，第3页信号调理电路信号调理电路主要调理传感器输出的电压信号，通过电压跟随器特性，起到滤除干扰和隔离的作用，从而使输出信号能够更加准确可靠的进行传输。运算放大器选择OP27GS，电路图如图4所示。图4信号调理电路A/D转换电路A/D转换电路选择PCF8591芯片，提供稳定的数字信号给单片机。PCF8591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5所示。图5A/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6所示。图6分压电路液晶显示电路设计LCD显示器选用LCD1602实现字符显示，其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，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。图7LCD1602液晶显示电路原理图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8所示。图8电源电路原理图三、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。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和输出的电压之间的关系是：（9）其中为被测电流值，为传感器的供电电压，即5V，为输出电压，为2.5V的输出偏压，为灵敏度系数。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9所示。图9电流采集设计流程图四、装置测试为了验证设计的装置是否能稳定运行，以及电流检测和SOC估算的准确性，对装置进行温度影响测试、充电测试、放电测试三种测试。进行温度影响测试时设置测试电流值为零，首先检测传感器引脚之间的电压为2.5V，由传感器输入和输出的关系可知，传感器正常工作。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，在高温箱中将温度由室温增加到80℃，观察到随着温度增长，装置测试到的电流值波动未超过0.4A，即使在温度较高的情况下，检测精度依然很高。为了方便电流采集，设置一个可变电阻，通过电阻阻值变化模拟充放电电流发生变化，充放电测试时将环境温度控制在室温，多次检测，将测量出的数值与设置的值相比，电流检测差值均值为0.53A，总体误差未超过0.7A，证明了在正常环境温度下，设计的装置对于充放电电流的检测比较准确。单片机运算处理后估算的剩余电量，与通过参数计算出的结果对比误差最大也未超过3%。李树成.直流电流检测中霍尔传感器的应用[J].通信电源技术,2017,李树成.直流电流检测中霍尔传感器的应用[J].通信电源技术,2017,第4页实验结果表明，设计的装置可以稳定的运行，在实际应用中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，对于电池剩余电量的估算也比较准确，设计达到了系统设计检测标准的要求。石静波.霍尔传感器在电流检测中的应用[J].电子测试,2018，第2页结论装置使用传感器检测动力电池充放电电流，通过累积充放电过程中充进放出的电量，由单片机运算估测动力电池的剩余电量，实时监测，防止电池长期过充过放，保护电池，延缓电池老化，从而可以正确估计新能源汽车剩余行驶里程，进行合适的充放电。通过测试证明装置可以稳定运行，对系统测量性能进行了试验，并且与其他测量器件的测量结果进行了对比分析，证明此设计检测电流的精度高，具有一定的应用价值。参考文献向乐.汽车尾气排放的控制对策探讨[J].科技展望,2015,1:123.罗艳托,汤湘华.全球电动汽车发展现状及未来趋势[J].国际石油经济,201