簡婷

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

【摘要】感器其精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快等優(yōu)點，設(shè)計了霍爾傳感器對鉛酸蓄電池充放電電流檢測的實現(xiàn)。本文著重介紹了監(jiān)測系統(tǒng)組成，原理以及其應(yīng)用。通過檢測充放電電流，電池組單節(jié)電池電壓等參數(shù)來實現(xiàn)對鉛酸蓄電池進(jìn)行監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】霍爾傳感器；鉛酸蓄電池；測試系統(tǒng)

引言

      鉛酸蓄電池從其產(chǎn)生到發(fā)展已經(jīng)有一百多年的歷史，其具有價格低廉，使用上具有充分的可靠性，適用于大電流放電場合，但大電流放電時間過長容易造成對電池的損壞。

      與此同時，鉛酸電池在充電時，對充電電流大小也有嚴(yán)格要求，基于此，本文提出一種基于霍爾傳感器來對蓄電池充放電電流監(jiān)測的系統(tǒng)，相較于一般使用檢流電阻來檢測充放電電流的系統(tǒng)，具有反應(yīng)速度快，靈敏度高，檢測電流范圍大，無需考慮散熱問題等優(yōu)點。

      霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作出的一類傳感器，具有對磁場敏感，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，輸出電壓變化大，使用壽命長等特點，因此廣泛被應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)，信息處理以及檢測技術(shù)。

霍爾傳感器分為兩種：

      1.線性霍爾傳感器，由霍爾元件，線性放大開關(guān)和射極跟隨器組成。

      2.開關(guān)型霍爾傳感器，由穩(wěn)壓器，霍爾元件，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。

本系統(tǒng)中采用的CS050E霍爾傳感器，針對CS050E的性能開發(fā)出一種實時檢測鉛酸蓄電池充放以及放電時電流大小。

一、系統(tǒng)硬件構(gòu)成

      系統(tǒng)的硬件主要由電源電路，霍爾電流信號采樣電路，蓄電池電壓檢測模塊，主控模塊，數(shù)碼顯示模塊等組成。

1.主控制系

      主控芯片采用基于ARM-Cortex處理器的LCP1751，該芯片具有4路串行接口，2個SSP控制器，8路模擬采集通道，可以*實現(xiàn)對所有模塊控制。控制系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)鉛酸蓄電池出于充電或者放電狀態(tài)時，充電\放電電流經(jīng)檢流電阻后轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出的電壓經(jīng)由模擬電壓采集電路送至單片機AD口采集；而蓄電池組每節(jié)電壓則是通過專門的電壓采集模塊采集到之后，通過串口發(fā)送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放電流和每節(jié)電池的電壓的值之后，將其發(fā)送到數(shù)碼管顯示。通過數(shù)碼管，可以實時看到蓄電池各節(jié)電壓，以及充\放電狀態(tài)下電流的大小。整個系統(tǒng)的開始由上位機對其控制。上位機通過串口發(fā)送開始信號給主控MCU，控制整個系統(tǒng)開始工作。2.系統(tǒng)電源電路設(shè)計

      在本設(shè)計中，系統(tǒng)需要兩種工作電壓：其一是用于霍爾傳感器工作的正負(fù)15V電壓，其二是微處理器工作的標(biāo)準(zhǔn)5V工作電壓。為實現(xiàn)這三種電壓的輸出，同時又在基于節(jié)約PCB空間的考慮，選用了DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器TPS61170，降壓轉(zhuǎn)換器SC4508IML，不可調(diào)三端穩(wěn)壓電源MC7805，分別構(gòu)成正15V和負(fù)15V電壓，以及標(biāo)準(zhǔn)5V電壓輸出電路，

      在TPS61170構(gòu)成的升壓電路中，如圖3-1所示，根據(jù)輸出電壓和芯片基準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系公式：Vout=1.229V*(R3/R4+1)，通過計算R3和R4選取合適的阻值后輸出正15V電壓。

      在SC4508構(gòu)成的降壓電路中，如圖3-2所示，芯片參考電壓VREF輸出典型值為1.25V，通過計算R9、R12選取合適的值，即可在芯片誤差放大器輸出端輸出負(fù)15V電壓。

      在蓄電池提供12V電源供電狀態(tài)下，通過MC7805穩(wěn)壓電源芯片即可實現(xiàn)5V電源輸出。

3.信號采樣電路設(shè)計

      CS050E霍爾可拆卸電流傳感器，是應(yīng)用霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流，交流，脈沖以及各種不規(guī)則波形電流。當(dāng)傳感器上電工作之后，被測充電或者放電電流從傳感器中穿過，即可在輸出端測得同相或反相的電壓值。根據(jù)此原理，在霍爾傳感器輸出端連上由LM324四運放集成電路構(gòu)成電壓捕捉電路。      Q1是傳感器輸出電壓信號，通過U4構(gòu)成的同相電壓跟隨器，輸出信號Q+，并連接到U4構(gòu)成的同相比較器輸出端，以及反相電壓跟隨器輸入端。當(dāng)輸入Q+為一個正的電壓值時（對應(yīng)為霍爾電流計測量充電電流），4OUT輸出低電平信號后作為開關(guān)的MOS管QP1打開，輸出電壓AD+；當(dāng)輸入Q+為一個負(fù)的電壓值時（對應(yīng)為霍爾電流計測量放電電流），3OUT輸出低電平信號，作為開關(guān)的MOS管QP4打開，輸出電壓值A(chǔ)D-。

電壓采樣電路是通過電阻分壓方式采樣輸入電壓，共有兩路，分別實現(xiàn)傳感器輸出的兩路電壓的采樣，。

4.電池電壓采樣模塊設(shè)計

      蓄電池組由16節(jié)電池構(gòu)成，電池電壓采樣電路是以四節(jié)為一個模塊進(jìn)行電壓采集，每個模塊總共有四路采集電路，實現(xiàn)對每一節(jié)電池電壓的采集。采集電路通過分壓電路實現(xiàn)對單節(jié)電壓采集，。

      每個池電壓采集模塊之間通過串行信號線連接，從上而下將測得的電壓信號傳遞，下面的一個模塊和主控板串口相連，將所有十六節(jié)電壓信號傳遞給主控板處理并顯示出來。

二、系統(tǒng)軟件部分

      本系統(tǒng)軟件部分主要功能：實現(xiàn)系統(tǒng)上電時，數(shù)碼管顯示蓄電池各節(jié)當(dāng)前電壓。當(dāng)上位機發(fā)送開始檢測充放電電流指令之后，MCU啟動充放電電流檢測模塊，MCU對AD采集過的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送往數(shù)碼管顯示為實際的充放電電流值，當(dāng)上位機發(fā)送停止命令之后，關(guān)閉電流檢測模塊。

三、實驗結(jié)果

      將監(jiān)測系統(tǒng)用于16組鉛酸蓄電池，進(jìn)行充放電電流測試。實驗在室溫下進(jìn)行，測試10次后取均值，將采集的AD換算成電流數(shù)據(jù)后與實驗電流進(jìn)行對比，實驗數(shù)據(jù)如表1。

由測試數(shù)據(jù)分析可以看出，測試電流誤差在100個毫安以內(nèi)，一般測試對精度的要求。

四、安科瑞霍爾型傳感器的選型

1、概述

      霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集，廣泛應(yīng)用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制，具有響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗力強等優(yōu)點。  

2、應(yīng)用場所

      霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統(tǒng)發(fā)送到電網(wǎng)的能量的流量和波形。他們測量電流以幫助風(fēng)車，太陽能，光伏或其他類型的裝置以較大效率工作。

3、可再生能源的典型應(yīng)用：

太陽能

風(fēng)電

水電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

潮汐能

4、安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型說明

5、安科瑞霍爾傳感器應(yīng)用場景示意圖

五、結(jié)語

      本文針對鉛酸蓄電池充放電電流檢測存在的一些問題，提出了基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確測得蓄電池充放電電流大小，能夠適用于各種需監(jiān)測蓄電池組大電流充放電場合。這種設(shè)計可有效維護(hù)鉛酸蓄電池，延長電池壽命。相信本文研究的控制系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步的完善后，能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭正海.霍爾元件的幾種檢測方法[J].2007. 

[2] 黃薇，李麗，曾兵，袁海林，李國仁.基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計.

[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.5版.

作者簡介：

簡婷，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從電量傳感器產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。