电动汽车蓄电池组电流检测系统硬件设计

天津理工大学　中国汽车技术研究中心有限公司　代琪琪

天津理工大学　杜明星　魏克新

0　引言

电池的充放电电流是蓄电池的重要参数，是用安时法计算SOC的主要依据，还会影响到保护策略的设置，对整个电池系统的性能及安全性都起着至关重要的作用。因此电流采样数据的精度，抗干扰能力，零飘、温飘和线性度误差必须严格要求，对采样硬件电路的抗干扰性和数模隔离必须经过良好的处理。

目前，最常用的电流检测方法是通过电路中串联的电阻两端电压来推算电流大小。该测量方法十分简单，但测量精度不高，且电阻值受温度的影响较大。当电流较大时，电阻对电流的消耗较大，不适合在BMS中使用。基于以上原因，本文电流检测采用分流器测量和霍尔传感器测量方案。

1　电流检测的原理

分流器测量电流的原理是依据电流经过电阻的时候在电阻两端形成电压而制作的，常用于均流取样检测，有插槽式和非插槽式。相比于霍尔电流传感器在测量范围的低端线性度很难保证，用分流器来测量电流，在整个量程内都可以保持比较好的线性度，并且拥有很好的精度。

霍尔电流传感器测量基于霍尔原理，就是将总电源线穿过霍尔传感器，通过电磁感应获得电流值。霍尔传感器的缺点在于精度不是特别高，而且灵活性不高，具有温漂、零点漂移等问题。与分流器相比具有的优势为：（1）采用霍尔感应的原理，无需直接接触高压电路，低圧测量电路和高压被测电路可以隔离，避免动力电池端的干扰进入控制端，不需外部隔离。因此，达到提高采样精度，避免高压干扰的目的；（2）电路简单，易于安装；（3）动态特性好，有极快的转换速度。

1.1　分流器测量

分流器其实就是一个标准输出的采样电阻，使用精确测量的猛铜丝作为测量电流的标准参数，利用直流电流经过导体会产生电压的原理，通过测量电压值来计算电流。分流器测量电流的主要过程是：信号滤波处理、模数转换、通过隔离器件与控制器相连。由于分流器需要和高压直接连接，所以主控单元与分流器需要隔离器件将其隔离。测量过程如图1所示。

图1　电流测量过程

首先分流器将所测电流转换为0～75mV的电压信号，通过滤波电路联接到模-数转换器CS5460A的模拟量输入端，转换为数字信号后经过隔离电路传给MCU。本设计采用FL-2型，额定参数为300A/75mV规格的分流器测量电流，结合双积分高分辨率的ADC芯片CS5460A实现了高精度测量，主控单元和测量回路之间使用四通道数字隔离器ISO7241A进行隔离。

本文所用分流器的实物及其在系统中的接线分别如图2和3所示。其主要技术参数如下：

（1）额定电流：300A，额定压降：75mV，准确度等级±0.5%；

（2）标准电阻值：0.00025Ω；

（3）超载性能：额定电流120%，2小时。

图2　FL-2型分流器

图3　分流器接线示意图

1.2　霍尔电流传感器测量

霍尔电流传感器利用霍尔效应将电流信号转换成弱电信号进行测量。本系统选用LEM公司用于汽车工业的HAH1BV S/06型号霍尔电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲各种不规则波形的电流，精度为0.3%，测量范围是±500A。测量时几乎没有插入损耗，可以保持电路稳定性。

图4为本设计所用传感器的实物图，图5为其测量原理示意图。测量原理基于开环霍尔效应原理，图中，Ip表示原边电流，供电电压Uc为电源芯片输出的高精度5V电压。

图4　霍尔电流传感器

图5　霍尔电流传感器原理图

霍尔传感器测量母线电流的原边电流Ip与霍尔输出电压Vout的关系曲线如图6所示，直线的斜率是传感器灵敏度G，其函数关系可用下式表示：

由图6可见，此传感器在测量大电流时具有良好的线性度，输出电压与原边电流几乎成正比。电流较小时线性度相对较差。

2　蓄电池电流检测的硬件电路设计

2.1　分流器测量硬件电路设计

分流器测量电流电路设计如图7所示。I+、I-分别与分流器的正、负引脚相连。分流器测量得到的电压信号经过滤波电路之后，输入到模-数转换器CS5460A的电流通道进行采集，然后利用串行外设接口SPI（Serial Peripheral Interface）通讯协议传动给单片机。

图6　原边电流与输出电压关系曲线

图7　分流器电流采集电路

CS5460A是一个测量功能强大的高精度测量芯片，转换位数达到24位，采样频率为4000点/秒，它包含了两个增益可编程放大器、两个Δ∑调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效值/功率计算功能，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流、与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。电流通道输入电平满量程可选择为±250mVRMS或±50mVRMS。电压通道可适应±250mv的输入电压范围。

由于分流器直接将高压信号引入电池管理系统，需要将电流信号与低压系统进行隔离。其中电源采用直流转换器PWB2405CS-2W进行+5V电压隔离。为了不影响测量的线性度，设计中没有对分流器输入的电流信号进行隔离，而是将CS5460A与MCU之间的通讯使用四通道数字隔离器ISO7241A进行隔离，因为数字信号的隔离对测量没有影响。设计隔离电路如图8所示。

图8　隔离电路设计

2.2　霍尔电流采集硬件电路设计

霍尔电流传感器供电电路如图9所示。Q_T1为电源管理芯片专为传感器提供的5V电压，经过L11和C131组成的LC滤波器滤波后，为霍尔传感器提供5V电源。

霍尔传感器输出电压采集电路如图10所示。R116为阻值47kΩ的限流电阻，D26为5.1V稳压二级管，C126为ESD静电防护电容，保护单片机端口。电路中电阻及电容要求1%的精度。输入到单片机的值为霍尔传感器输出电压，根据输出电压与所测电流的关系式（2）计算得到所测电流大小。

图9　霍尔传感器供电电

图10　霍尔传感器输出电压采集电路

3　测试

对母线电流的采集是BMS最基本最重要的功能之一，它是计算SOC的基本参数。为验证采样系统的可靠性，对电池组进行放电试验，对比BMS采集电流数据和电流钳实际测量数据，采用HALL电流传感器采集电流值，实验结果见下表。

表1　电流采样结果分析

由表1可得，系统采集的电流值和电流钳所测实际电流值较吻合，最大误差为1.4A，精度为2.77%。可见该电流采集系统达到了较高的采集精度，为BMS的SOC估计等功能建立了一个坚实的基础。

4　结论

本文提供了两种检测电动汽车蓄电池母线电流的方法，对两种方法分别进行了原理阐述与硬件电路设计。试验结果表明，设计的测量电路具有稳定性好、电路简单、测试方法简便、抗干扰能力强等优点，在新能源汽车的发展中具有重要前景。下一步研究将集中在对系统进行改良，提高其检测精度。

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