隨著電動(dòng)汽車商用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各大整車廠商對(duì)SoC(State of Charge)估算精度的要求越來(lái)越高。動(dòng)力電池組的SoC對(duì)于預(yù)測(cè)車輛剩余行駛里程，避免電池出現(xiàn)過(guò)充放電現(xiàn)象有著重要的意義。現(xiàn)階段雖然估算SoC的方法有很多種，但是得到廣泛應(yīng)用的依然是安時(shí)-開路電壓法(安時(shí)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(zhǔn)確的充放電電流值^[2]。

        在工業(yè)領(lǐng)域里測(cè)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(hào)的測(cè)量。霍爾傳感器檢測(cè)的電流精度很高，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性突出，且能實(shí)現(xiàn)與被檢測(cè)對(duì)象的完全隔離^[3-5]。

        目前,在檢測(cè)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充放電電流方面，無(wú)論是采用分流器法還是霍爾傳感器法的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電流干擾信號(hào)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(cè)動(dòng)力電池組充放電電流，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度和抗干擾能力。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)以英飛凌XC2267M單片機(jī)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(hào)。信號(hào)通過(guò)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字隔離后輸入到單片機(jī)XC2267M中^[5]，其硬件框圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)與霍爾傳感器簡(jiǎn)介

        英飛凌公司的XC2267M是一款汽車級(jí)的16位單片機(jī)，具有極強(qiáng)的抗干擾性，采用C166架構(gòu),LQFP100低引腳封裝，時(shí)鐘頻率高達(dá)80 MHz，具有多達(dá)832 KB的Flash存儲(chǔ)器和50 KB的RAM，8路串行接口(USIC通道)，6個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，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(jī)與操作模式，特別適合汽車車身應(yīng)用。

        萊姆公司的HAH1BV S/02是一款針對(duì)純電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)設(shè)計(jì)的霍爾開環(huán)電流傳感器，特別適用于測(cè)量電動(dòng)汽車電池組的充放電電流。其原邊電流測(cè)量范圍可達(dá)±500 A， 精度高達(dá)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(hào)調(diào)理電路

        信號(hào)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(dá)到可靠地傳輸信號(hào)的目的，采用二級(jí)電壓跟隨器能夠更好地濾除干擾信號(hào)和起到隔離的作用，并對(duì)前級(jí)電壓跟隨器的輸入電壓采取RC濾波^[6]。運(yùn)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(hào)，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(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率高達(dá)16 bit，在本項(xiàng)目中采用單端輸入的方式，即引腳V_in+接信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)，引腳V_in-直接接地,基準(zhǔn)電壓V_DD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(huì)產(chǎn)生任何毛刺或鎖定問(wèn)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(chǔ)模塊

        RS485接口電路實(shí)現(xiàn)XC2267M與上位機(jī)的通信，以便設(shè)置電流的零漂補(bǔ)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(dòng)汽車整車控制器以及儀表盤；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)采集的電流數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        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(chǔ)等部分組成。程序采用模塊化的C語(yǔ)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(shí)時(shí)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(hào)，需要根據(jù)HAH1BV S/02輸出的電壓與被測(cè)電流范圍的關(guān)系以及芯片ADS1100A1輸入與輸出的關(guān)系計(jì)算所測(cè)的電流值。

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

        在本項(xiàng)目中傳感器HAH1BV S/02檢測(cè)的電流I_P與輸出的電壓V_OUT（即為芯片ADS1100A1引腳輸入的電壓V_in+）之間的關(guān)系為：

        IP=250×[(V_in+)-2.5]

2.2 數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計(jì)

        電流信號(hào)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(dòng)平均濾波等，其流程圖如圖4所示。

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

3 系統(tǒng)測(cè)試

        為了驗(yàn)證本方案采集的電流數(shù)據(jù)的精確性，分別進(jìn)行了靜態(tài)溫漂測(cè)試、靜態(tài)充電測(cè)試以及動(dòng)態(tài)車載測(cè)試，并且用分流器電路、IT 700-S ULTRASTAB檢測(cè)電路測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)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(dá)0.005 35%，但是上萬(wàn)元的單價(jià)使其只適合作為基準(zhǔn)對(duì)象使用。

3.1 靜態(tài)溫漂測(cè)試

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

        將分流器模塊與HAH1BV S/02檢測(cè)模塊放進(jìn)高溫箱中，將溫度緩慢地由室溫加熱到80 ℃，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

3.2 靜態(tài)充電測(cè)試

        靜態(tài)充電時(shí)充電電流設(shè)置為恒定值，以便對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，測(cè)試在室溫的環(huán)境下進(jìn)行。

        分別對(duì)分流器模塊、HAH1BV S/02檢測(cè)模塊、IT 700-S ULTRASTAB檢測(cè)模塊進(jìn)行靜態(tài)充電測(cè)試，測(cè)試時(shí)保持3個(gè)模塊的時(shí)間同步，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

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

3.3動(dòng)態(tài)車載測(cè)試

        動(dòng)態(tài)車載測(cè)試即把電流檢測(cè)模塊安裝在電動(dòng)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(cè)模塊、IT 700-S ULTRASTAB檢測(cè)模塊安裝到江淮二代同悅純電動(dòng)轎車上，進(jìn)行車載測(cè)試，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

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

        通過(guò)上述三種測(cè)試，可以了解在實(shí)際運(yùn)用中HAH1BV S/02檢測(cè)模塊測(cè)量的電流值精度不低于1%，成本相對(duì)于IT 700-S ULTRASTAB檢測(cè)模塊又便宜很多，適合在電動(dòng)汽車上大規(guī)模的應(yīng)用。

        基于HAH1BV S/02霍爾傳感器的電流檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，軟硬件設(shè)計(jì)易實(shí)現(xiàn)，可靠性高，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車SoC的估算提供準(zhǔn)確依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)作為電池管理系統(tǒng)的一部分運(yùn)用于電動(dòng)汽車上。

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