大电流电动汽车电池充电电流电压反馈系统设计

章旦旸，秦会斌

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018）

1 引言

电动汽车通常都是以蓄电池作为能源的主要提供方式，蓄电池环保、清洁、方便更换，这些优势有助于电动汽车成为21世纪最主流也最受欢迎的交通工具。本文设计系统的基本功能是模仿特斯拉公司的电池模块，利用18650型钴酸锂电池，制作了一个类似的电池组模块。50节18650型钴酸锂电池并联为一个电池组模块，额定充电电流为50 A，额定电压为3.7 V。本系统中利用推挽式开关电源供电，单片机控制涓流、恒流、恒压三段式充电，设计有效的采集电路采集充电电路输出电压和输出电流作为单片机的采样输入信号，从而调控单片机输出的PWM波形。

2 总体应用模块分析

本系统主要由推挽供电、BUCK降压系统、单片机充电控制系统和电流电压采集模块组成，系统整体构架如图1所示。

图1 整体构架

本充电系统使用推挽拓扑结构提供大电流恒压电源，设计的推挽拓扑电源为600 W，额定电压为12 V，最大电流可以达到50 A。第二级使用BUCK拓扑降压给电池模块充电，电压电流采样模块实时采集负载的充电电压和充电电流，将采集到的电压信号、电流信号传入MCU，通过MCU的AD模块将模拟的电压电流信号转变成数字量。结合三段式充电时序和采集到的充电电压和电流控制MCU的PWM输出模块，从而输出不同占空比的PWM波形驱动BUCK电路的MOS管的开关。MCU模块和电压电流采样模块均有反激电源供电。本设计中利用霍尔传感器采集输出直流大电流采样，利用精密光耦配合运算放大器做电压采样。单片机控制模块选用了美国Microchip公司的PIC16F877A芯片。

3 霍尔传感器选择与应用

由于考虑到单纯的精密采样电阻用来作电流采样会损耗功率，本系统中通过的额定电流为50 A，如果要减小由于采样电阻上的功率损耗，本设计中使用的电流采样为利用直流霍尔传感器型号为厚施HBCES5A系列闭环霍尔电流传感器。其具有高精度、响应时间快等优点，良好的线性可以很简单地得出结论，稳定性很强，有极强的抗干扰能力，而且还有低功耗的特点。其被广泛应用于太阳能逆变器、太阳能汇流箱、变频家电和电池管理上面。此系列的霍尔电流传感器常用的型号有额定电流分别为10 A、25 A、50 A、75 A的HBC10ES5A系列，HBC25ES5A系列、HBC50ES5A系列、HBC75ES5A系列。

本设计中选择了HBC50ES5A型号的传感器，如图2所示。

由图2可见此霍尔传感器有4个管脚分别标记为“+”、“G”、“O”、“R”，依次表示为5 V的供电电源端、接地端子、输出电压端子和一个由厚施公司特别为客户提供的外部参考电压VR，以方便为客户提供真实的信号采集与对比。客户对这个管脚可自行选择，可空悬，使用与否与产品自身性能无关。本设计中选择空悬。HBC50ES5S型号霍尔电流传感器根据电流增加而呈线性变化，当电流为额定电流50 A时，输出电压为2.5 V，HBC50ES5S型号霍尔电流传感器的电流检测范围为0~100 A，每上升1 A（或下降1 A），则增加（或减小）一定的伏值，具体的计算关系为：电流值/额定电流值×0.625，根据此关系可以很简单地通过“O”管脚的输出电压检测出电流的大小即采样出电流。检测的方法就是将导线通过霍尔传感器中间的圆孔。在本设计中额定电流为50 A，在计算输出电压的时候需要电流值除以50 A的额定电流。

图2 HBC50ES5A霍尔传感器结构图（单位：mm）

4 电流采样应用电路设计

本设计中使用的电流采样电路如图3所示。

HBC50ES5S霍尔传感器O脚的电压信号接入ADC_SAM作为运放的信号输入，图3中的U7为型号为LM4040a的精密稳压管，提供2.048 V的稳压参数，精度0.1%，使用运算放大器OP234作减法器。

根据理想运放的理论可以得出：运放OP234脚2和脚3两点的电压相等。V+=V-，又有：

由此从理想运放“虚短”和“虚断”可以得出：

所以可以将这个采集到的电压信号传入单片机电流采样管脚作AD采样。

图3 电流采样电路

5 电压采样应用电路设计

本设计中用到的电压采样应用电路如图4所示。

图4中的TLP521-2为TLP521系列的光耦器件，这个系列大致有3种类型，分别为：TLP521-1、TLP521-2、TLP521-4，最后数字的区别在于芯片内部集成了几块光耦。本设计中用到的是TLP521-2，芯片内部集成了两块独立的光耦，简化示意图如图5所示。

图4 电压采样电路

本设计中将2、3脚接在一起，即原边电流只有一条通路。这样流经光耦1、2脚的电流等于流经另一个光耦3、4脚的电流，即：

由于集成在一个光耦芯片内部，两个光耦系数k的值基本相等，那么次边电流：

图4中可以得出，精密光耦脚8、脚7之间的电流为运放LM358脚6电压和R9的比值，即：

本设计中的LM358运放起到电压跟随器的作用，

根据理想运放，LM358芯片中：

V5为输入电压经R11和R7分压：

将式（9）代入式（7）可以得出精密运放脚6和脚5之间的电流，乘以R12即可得出输出的采样电压，后面跟一级LM358作电压跟随器：

将得到的采样电压送至单片机电压采样管脚进行AD采样。

图5 精密光耦内部示意图

6 电压电流采样软件设计

6.1 整体软件框架

如图6所示，通过电压、电流采样电路将负载电压和电流实时采集通过单片机A/D采样模块转换成数字量，MCU根据此数字量分别判断采取的恒压或者恒流充电模式。恒压充电的情况下，同样通过采样得到的电流值判断充电结束与否。当电流低于某一阈值Ibat时退出程序，充电完毕。

图6 主程序框图

6.2 采样程序设计

单片机为了同时采集电压和电流两个变量，PIC16F877A中通过改变寄存器ADCON0的第5位至第3位，切换电流和电压模数转换通道。当要启动A/D转换时，可以设置ADCON0的第2位GO/DONE=1，即开启A/D转换，当A/D转换完毕，GO/DONE位会自动清零，程序中当检测到该位清零时，读取ADRESH和ADRESL两寄存器的内容，即为得到的数字量。

采样电压、电流信号的同时，为了降低噪声的影响，程序中采取中值滤波法，以电压信号为例：

（1）同时采样10次电压信号。

（2）通过排序算法将10次电压信号排序。

（3）删掉两个最大值和两个最小值。

（4）将剩下的6个采样值取平均值得到采样信号。

通过以上方法，提高了采样精度。

7 测试结果及分析

7.1 电压采样数据测试

本测试中给予了几组电压数据输入采样引脚ADC_ASM，在表1中列出几组分压1/2后的输入采样电压值和光耦输出采样电压值。

表1 电压采样输入和输出电压

表1中输入电压是经1/2分压过后进入LM358运放的电压值。可以看出这个电压值和光耦输出的采样电压值的比值在2.42左右，呈线性变化，说明电压采样电路可行有效。

7.2 电流采样数据测试

由前文可以得知，电流采样利用了霍尔传感器，将电流值转换成电压值，经分压后，经过运算放大器OP234和精密稳压管LM4040a组成的减法器，现将电流表接在BUCK电路与负载之间测输出电流，然后用万用表测OP234运放的输出，列出表格如表2所示。

从前文可以知道，霍尔传感器理论输出公式为：输出电压值=2.5+输出电流/额定电流，从表中数据可以得出基本符合这一公式，说明电流采样的可行性与有效性。

8 结束语

本文介绍了大电流汽车电池充电系统中的电压电流采集模块应用电路设计和测试。给出了电压采集和电流采集中较适合元器件的选择和应用电路参数的设计。通过实验的方式给予电压电流采集电路不同的电压电流数据对系统进行了测试，测试结果表明，数据符合理论计算值，线性度较好，且运行稳定，达到了预期设计目标。系统还具有比较好的模块性和复用性，稍作修改也能够作为其他相似电路电压电流采样模块。

表2 运放电压输出和负载输出电流

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