新能源汽車動(dòng)力電池電流檢測(cè)研究4700字【（論文）】

新能源汽車動(dòng)力電池電流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)TOC\o"1-2"\h\uTOC\o"1-2"\h\u24703摘要 14669關(guān)鍵詞 1776一、電流檢測(cè)的原理 112616（一）電流傳感器的類型 111411（二）SOC估算 320670二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 427018（一）信號(hào)調(diào)理電路 430956（二）A/D轉(zhuǎn)換電路 516489（三）液晶顯示電路設(shè)計(jì) 616436（四）電源電路設(shè)計(jì) 622648三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 714704（一）電流數(shù)據(jù)的處理 71841（二）數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計(jì) 716934四、裝置測(cè)試 8524結(jié)論 96071參考文獻(xiàn) 9摘要：針對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池電流及容量估算，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾電流傳感器的檢測(cè)電路，用來檢測(cè)鋰電池的充放電電流，監(jiān)控鋰電池的剩余電量。系統(tǒng)采用電流傳感器檢測(cè)電流，并輸出相應(yīng)的電壓值，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集分壓值進(jìn)行計(jì)算處理，獲取電流值，估算剩余電量，在LCD實(shí)時(shí)顯示信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置測(cè)量結(jié)果精度高，抗干擾能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；SOC估算；電流檢測(cè)；霍爾電流傳感器一、電流檢測(cè)的原理電流傳感器能夠檢測(cè)到被測(cè)電流信息，并且將檢測(cè)到的電流值通過處理轉(zhuǎn)化變?yōu)樽裱欢ㄒ?guī)律需求的信息輸出，從而得出所測(cè)的電流信息。電流傳感器靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，在電動(dòng)汽車?yán)锩娼?jīng)常會(huì)用到，尤其是在針對(duì)動(dòng)力電池SOC估算方面。電流傳感器有多個(gè)種類，針對(duì)不同的測(cè)量原理，主要可分為分流器檢測(cè)、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等幾種向樂.汽車尾氣排放的控制對(duì)策探討[J].科技展望,2015,第2頁。向樂.汽車尾氣排放的控制對(duì)策探討[J].科技展望,2015,第2頁電流傳感器的類型1.分流器分流器檢測(cè)主要使用分流電阻器以及運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)功能，將分流電阻器串聯(lián)在電路中，當(dāng)需要測(cè)量的導(dǎo)線電流經(jīng)過分流電阻器時(shí)，電阻器兩端產(chǎn)生電壓，通過放大電路放大后，檢測(cè)其兩端的電壓信號(hào)，就可以換算出電流值，這是一種直接檢測(cè)式的方法，分流器檢測(cè)原理如圖1所示。圖1分流器檢測(cè)示意圖分流器實(shí)際上類似于一個(gè)阻值比較小的高精度電阻，其兩端產(chǎn)生的是模擬量電壓信號(hào)。由于其信號(hào)微弱不易檢測(cè)，所以需要運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)將電壓信號(hào)放大的功能以方便檢測(cè)，然后為了方便歐姆定律計(jì)算實(shí)際被測(cè)電流值，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此方法測(cè)量簡(jiǎn)單，直流測(cè)量準(zhǔn)確度也能夠達(dá)到較高的程度，成本也低。羅艷托,湯湘華.全球電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)[J].國際石油經(jīng)濟(jì),2018羅艷托,湯湘華.全球電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)[J].國際石油經(jīng)濟(jì),2018，第4頁分流器常用于電壓不高、電流相對(duì)較小的情況。分流電阻器檢測(cè)時(shí)如果連接高壓，輸入和輸出之間沒有電氣隔離，因此當(dāng)使用分流器檢測(cè)電流時(shí)，需要額外的設(shè)置隔離器件將檢測(cè)信號(hào)隔離，然后再連接到控制器件，成本較高。當(dāng)被檢測(cè)電流高頻變換時(shí)，磁場(chǎng)變化率很大，分流電阻兩端會(huì)額外產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。由于分流電阻器阻值一般較小，易影響測(cè)量準(zhǔn)確度，既有可能使被測(cè)量電流的波形改變，也無法將除正弦之外的波形真實(shí)的傳遞。若電流太大，分流電阻器產(chǎn)生較大的熱能損耗，會(huì)增加散熱難度，由電阻設(shè)計(jì)的分流器自然很容易受到溫度影響，影響檢測(cè)的精度。王昊南.新能源汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與應(yīng)對(duì)策略[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2018，第3頁2.電磁式電流互感器電磁式電流互感器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，精度高、成本低。原理類似于變壓器，測(cè)量依照的也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將大電流通過轉(zhuǎn)換變成小電流，根據(jù)線圈匝數(shù)比例及測(cè)量結(jié)果來計(jì)算被測(cè)電流大小。電流互感器絕緣難度比較大，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍和頻率范圍都比較小，使用過程中不可以將二次側(cè)開路，且只能測(cè)量交流電。絕緣難度導(dǎo)致使用需要花費(fèi)更高的價(jià)格，而且體積質(zhì)量也會(huì)因此提高，影響使用的便捷程度；測(cè)量較大電流時(shí)，如果超出了可測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，電流互感器會(huì)出現(xiàn)飽和，若使二次保護(hù)被影響從而導(dǎo)致無法正確的識(shí)別故障，測(cè)量準(zhǔn)確性勢(shì)必會(huì)大打折扣，且只有在可測(cè)頻率的范圍內(nèi)測(cè)量的電流值，才會(huì)得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值；由于二次側(cè)開路時(shí)會(huì)產(chǎn)生危害人身及設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全的高壓，所以其工作時(shí)二次側(cè)回路要求應(yīng)該是始終閉合的。圖2電磁式電流互感器檢測(cè)示意圖3.霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器是依照霍爾效應(yīng)的一種通過檢測(cè)磁場(chǎng)來反映電流大小的傳感器，采用非直接、非接觸的方式檢測(cè)電流。由于霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)和被測(cè)的電流信號(hào)是成正比的關(guān)系，即使電流方向改變，輸出信號(hào)也能真實(shí)的表達(dá)，因此能夠正確反映任何波形的電流和電壓信號(hào)。霍爾電流傳感器電氣隔離功能較好，可測(cè)較高電壓，擁有優(yōu)越的線性度，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，跟蹤速度高于50A/μs，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。霍爾電流傳感器可測(cè)的電流值范圍也很高，具有很強(qiáng)的過載能力，即使在一次側(cè)電流超負(fù)荷，過載電流達(dá)到20倍的額定值，模塊飽和時(shí)，依然可以保護(hù)傳感器模塊不會(huì)被損壞。劉影.我國新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀[J].山東工業(yè)技術(shù),2018劉影.我國新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀[J].山東工業(yè)技術(shù),2018，第5頁SOC估算SOC表示電池在經(jīng)過一段時(shí)間的使用以后剩余的電量和電池正常容量的比值，通常都用百分比的形式表示。（5）電池剩余電量無法直接進(jìn)行測(cè)量，通常通過對(duì)電池放電電流電壓等的檢測(cè)，結(jié)合電池本身的一些固有參數(shù)計(jì)算出來，使用安時(shí)法與截止電壓法相結(jié)合的方法。安時(shí)計(jì)量法（或稱電流積分法），是現(xiàn)如今電池管理系統(tǒng)中使用頻率較高的估算方法之一。安時(shí)計(jì)量法通過累積的電池充電或者放電的過程中充進(jìn)去或者放出來的電量來估算這個(gè)電池的剩余電量。計(jì)算公式為： （6）其中，SOC表示當(dāng)前狀態(tài)下電池的電量；SOC0表示充放電開始前電池的電量；表示電池的額定容量；表示電池充電或放電的電流；表示充放電效率，并且不為常數(shù)[10]。安時(shí)法計(jì)算簡(jiǎn)單方便，但電流檢測(cè)不準(zhǔn)確會(huì)造成計(jì)算SOC時(shí)誤差較大，然后通過積分計(jì)算時(shí)，長(zhǎng)期積累使原本的誤差越積越大。SOC計(jì)算時(shí)還需要考慮電池的充放電效率，高溫或者在電流的波動(dòng)比較劇烈時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)誤差較大，因此電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的測(cè)量精度要有一定的要求，要盡量避免電流的波動(dòng)較大不能準(zhǔn)確采集而造成較大的誤差[11]。SOC估算屬于新能源汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要功能之一。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車重要的驅(qū)動(dòng)來源，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能、安全性能和經(jīng)濟(jì)性都會(huì)有很大的影響。目前市場(chǎng)中大多數(shù)的電動(dòng)車都是以鋰電池作為主要的驅(qū)動(dòng)來源，主要原因是鋰電池能量密度高且充放電效率好，而且它的工作電壓較大，沒有記憶效應(yīng)，沒有污染，性能還較為穩(wěn)定。如果使用時(shí)經(jīng)常性的發(fā)生過充和過放，電池?fù)p壞會(huì)越來越嚴(yán)重，容量也會(huì)慢慢減少，電池的可使用壽命越來越短，比較嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斜ǖ任＜鞍踩F(xiàn)象，尤其對(duì)于鋰離子電池，通常因此引起爆炸，因此SOC估算至關(guān)重要張松.電動(dòng)汽車用鋰電池SOC估算方法研究[J].電源技術(shù),2017,第2頁張松.電動(dòng)汽車用鋰電池SOC估算方法研究[J].電源技術(shù),2017,第2頁二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)處理器采用STC89C52單片機(jī)，使用霍爾傳感器DHABS/124采集到電流信號(hào)，輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)硬件框圖STC公司的STC89C52單片機(jī)功耗低且性能高，擁有8kB字節(jié)的ROM和512B字節(jié)的RAM，如果不小心斷電，有掉電保護(hù)，RAM的內(nèi)容會(huì)被保存不用擔(dān)心會(huì)丟失，然后會(huì)將振蕩器凍結(jié)，在下一個(gè)中斷或者硬件復(fù)位之前，單片機(jī)的所有工作都不會(huì)再次開始，電路主要由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源電路等組成。張建軍.霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017，第3頁霍爾傳感器DHABS/124是開環(huán)式霍爾電流傳感器，適用于汽車級(jí)大功率大電流檢測(cè)，輸入輸出之間設(shè)計(jì)了電氣隔離，并且通過使用特殊的磁芯材料，有效解決了檢測(cè)電流較小時(shí)開環(huán)式檢測(cè)精度較低的問題。檢測(cè)精度高、輸出線性度好、靈敏度高，具有雙量程，小電流可檢測(cè)范圍為±75A，大電流可檢測(cè)范圍為±500A，電壓輸出范圍為0.5V-4.5V張建軍.霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017，第3頁信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路主要調(diào)理傳感器輸出的電壓信號(hào)，通過電壓跟隨器特性，起到濾除干擾和隔離的作用，從而使輸出信號(hào)能夠更加準(zhǔn)確可靠的進(jìn)行傳輸。運(yùn)算放大器選擇OP27GS，電路圖如圖4所示。圖4信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路選擇PCF8591芯片，提供穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)。PCF8591的地址引腳有3個(gè)，在對(duì)設(shè)計(jì)的硬件地址進(jìn)行編程時(shí)都可以使用，傳輸?shù)刂?、控制和?shù)據(jù)信號(hào)使用I2C總線，傳輸方式為雙線雙向的串行方式，不需要加任何額外器件可以允許接入8個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，電路圖如圖5所示。圖5A/D轉(zhuǎn)換電路為了使采集信息更加準(zhǔn)確，需要控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集的信息在可采集范圍內(nèi)，所以在采集之前設(shè)計(jì)了一個(gè)分壓電路，將采集的電壓值降低到可測(cè)范圍內(nèi)防止測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤，如圖6所示。圖6分壓電路液晶顯示電路設(shè)計(jì)LCD顯示器選用LCD1602實(shí)現(xiàn)字符顯示，其現(xiàn)如今已經(jīng)成為關(guān)于單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中使用頻率最高的顯示器件，相對(duì)于比較傳統(tǒng)的顯示器件液晶顯示體積小、功耗低，可以顯示更加豐富的內(nèi)容，而且本身已經(jīng)存在驅(qū)動(dòng)電路，不需要再外加電路。圖7LCD1602液晶顯示電路原理圖電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用+5V電源，由紅色的LED作為顯示是否有電的指示燈，設(shè)計(jì)一個(gè)1K的電阻控制電流大小保護(hù)LED燈，自鎖開關(guān)SW閉合時(shí)，LED燈亮，系統(tǒng)電源接通，如圖8所示。圖8電源電路原理圖三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分使用C語言程序編寫，主要由初始化、采集電流數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成。電流數(shù)據(jù)的處理傳感器檢測(cè)到電流后輸出的信號(hào)是電壓信號(hào)，所以所測(cè)電流值需要根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)和被測(cè)電流范圍的關(guān)系以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入與輸出的關(guān)系來計(jì)算。將PCF8591在程序中的增益設(shè)為1，數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)為32bps，則：（7）即（8）傳感器檢測(cè)到的電流和輸出的電壓之間的關(guān)系是：（9）其中為被測(cè)電流值，為傳感器的供電電壓，即5V，為輸出電壓，為2.5V的輸出偏壓，為靈敏度系數(shù)。數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計(jì)采集到傳感器輸出信號(hào)以后需要先進(jìn)行初始化操作，以防止之前留存的信息影響準(zhǔn)確操作，然后讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量電壓信號(hào)，如果判斷接收到的數(shù)據(jù)信息可以使用，再對(duì)數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，其流程如圖9所示。圖9電流采集設(shè)計(jì)流程圖四、裝置測(cè)試為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的裝置是否能穩(wěn)定運(yùn)行，以及電流檢測(cè)和SOC估算的準(zhǔn)確性，對(duì)裝置進(jìn)行溫度影響測(cè)試、充電測(cè)試、放電測(cè)試三種測(cè)試。進(jìn)行溫度影響測(cè)試時(shí)設(shè)置測(cè)試電流值為零，首先檢測(cè)傳感器引腳之間的電壓為2.5V，由傳感器輸入和輸出的關(guān)系可知，傳感器正常工作。溫度影響測(cè)試主要是想要了解傳感器檢測(cè)電流值在不同的溫度時(shí)結(jié)果會(huì)有多大差異，其可適應(yīng)的工作溫度范圍有多大，在高溫箱中將溫度由室溫增加到80℃，觀察到隨著溫度增長(zhǎng)，裝置測(cè)試到的電流值波動(dòng)未超過0.4A，即使在溫度較高的情況下，檢測(cè)精度依然很高。為了方便電流采集，設(shè)置一個(gè)可變電阻，通過電阻阻值變化模擬充放電電流發(fā)生變化，充放電測(cè)試時(shí)將環(huán)境溫度控制在室溫，多次檢測(cè)，將測(cè)量出的數(shù)值與設(shè)置的值相比，電流檢測(cè)差值均值為0.53A，總體誤差未超過0.7A，證明了在正常環(huán)境溫度下，設(shè)計(jì)的裝置對(duì)于充放電電流的檢測(cè)比較準(zhǔn)確。單片機(jī)運(yùn)算處理后估算的剩余電量，與通過參數(shù)計(jì)算出的結(jié)果對(duì)比誤差最大也未超過3%。李樹成.直流電流檢測(cè)中霍爾傳感器的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2017,李樹成.直流電流檢測(cè)中霍爾傳感器的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2017,第4頁實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的裝置可以穩(wěn)定的運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)到的電流值精度不低，并且和分流器結(jié)果對(duì)比差別不大，對(duì)于電池剩余電量的估算也比較準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。石靜波.霍爾傳感器在電流檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試,2018，第2頁結(jié)論裝置使用傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池充放電電流，通過累積充放電過程中充進(jìn)放出的電量，由單片機(jī)運(yùn)算估測(cè)動(dòng)力電池的剩余電量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止電池長(zhǎng)期過充過放，保護(hù)電池，延緩電池老化，從而可以正確估計(jì)新能源汽車剩余行駛里程，進(jìn)行合適的充放電。通過測(cè)試證明裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量性能進(jìn)行了試驗(yàn)，并且與其他測(cè)量器件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，證明此設(shè)計(jì)檢測(cè)電流的精度高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)向樂.汽車尾氣排放的控制對(duì)策探討[J].科技展望,2015,1:123.羅艷托,湯湘華.全球電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)[J].國際石油經(jīng)濟(jì),201