【摘要】感器其精度高、線(xiàn)性好、頻帶寬、響應快等優(yōu)點(diǎn)，設計了霍爾傳感器對鉛酸蓄電池充放電電流檢測的實(shí)現。本文著(zhù)重介紹了監測系統組成，原理以及其應用。通過(guò)檢測充放電電流，電池組單節電池電壓等參數來(lái)實(shí)現對鉛酸蓄電池進(jìn)行監測。

【關(guān)鍵詞】霍爾傳感器；鉛酸蓄電池；測試系統

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(jià)格低廉，使用上具有充分的可靠性，適用于大電流放電場(chǎng)合，但大電流放電時(shí)間過(guò)長(cháng)容易造成對電池的損壞。

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

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作出的一類(lèi)傳感器，具有對磁場(chǎng)敏感，結構簡(jiǎn)單，體積小，輸出電壓變化大，使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，因此廣泛被應用于工業(yè)自動(dòng)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(xiàn)性霍爾傳感器，由霍爾元件，線(xiàn)性放大開(kāi)關(guān)和射極跟隨器組成。

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

本系統中采用的CS050E霍爾傳感器，針對CS050E的性能開(kāi)發(fā)出一種實(shí)時(shí)檢測鉛酸蓄電池充放以及放電時(shí)電流大小。

一、系統硬件構成

系統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，數碼顯示模塊等組成。具體結構框圖如圖1所示。

圖1系統結構框圖

1.主控制系

主控芯片采用基于A(yíng)RM-Cortex處理器的LCP1751，該芯片具有4路串行接口，2個(gè)SSP控制器，8路模擬采集通道，可以*實(shí)現對所有模塊控制?？刂葡到y工作流程如下：當鉛酸蓄電池出于充電或者放電狀態(tài)時(shí)，充電\放電電流經(jīng)檢流電阻后轉換成電壓輸出，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；而蓄電池組每節電壓則是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電壓采集模塊采集到之后，通過(guò)串口發(fā)送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放電流和每節電池的電壓的值之后，將其發(fā)送到數碼管顯示。通過(guò)數碼管，可以實(shí)時(shí)看到蓄電池各節電壓，以及充\放電狀態(tài)下電流的大小。整個(gè)系統的開(kāi)始由上位機對其控制。上位機通過(guò)串口發(fā)送開(kāi)始信號給主控MCU，控制整個(gè)系統開(kāi)始工作。主控制系統原理如圖2所示。

圖2主控制系統

2.系統電源電路設計

在本設計中，系統需要兩種工作電壓：其一是用于霍爾傳感器工作的正負15V電壓，其二是微處理器工作的標準5V工作電壓。為實(shí)現這三種電壓的輸出，同時(shí)又在基于節約PCB空間的考慮，選用了DC/DC升壓轉換器TPS61170，降壓轉換器SC4508IML，不可調三端穩壓電源MC7805，分別構成正15V和負15V電壓，以及標準5V電壓輸出電路，具體電路由下圖3所示。

圖3 電源模塊電路

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

在SC4508構成的降壓電路中，如圖3-2所示，芯片參考電壓VREF輸出典型值為1.25V，通過(guò)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15V電壓。

在蓄電池提供12V電源供電狀態(tài)下，通過(guò)MC7805穩壓電源芯片即可實(shí)現5V電源輸出。

3.信號采樣電路設計

CS050E霍爾可拆卸電流傳感器，是應用霍爾效應開(kāi)環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流，交流，脈沖以及各種不規則波形電流。當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(guò)，即可在輸出端測得同相或反相的電壓值。根據此原理，在霍爾傳感器輸出端連上由LM324四運放集成電路構成電壓捕捉電路，電路如圖4所示。

Q1是傳感器輸出電壓信號，通過(guò)U4構成的同相電壓跟隨器，輸出信號Q+，并連接到U4構成的同相比較器輸出端，以及反相電壓跟隨器輸入端。當輸入Q+為一個(gè)正的電壓值時(shí)（對應為霍爾電流計測量充電電流），4OUT輸出低電平信號后作為開(kāi)關(guān)的MOS管QP1打開(kāi)，輸出電壓AD+；當輸入Q+為一個(gè)負的電壓值時(shí)（對應為霍爾電流計測量放電電流），3OUT輸出低電平信號，作為開(kāi)關(guān)的MOS管QP4打開(kāi)，輸出電壓值AD-。

電壓采樣電路是通過(guò)電阻分壓方式采樣輸入電壓，共有兩路，分別實(shí)現傳感器輸出的兩路電壓的采樣，電路如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路

4.電池電壓采樣模塊設計

蓄電池組由16節電池構成，電池電壓采樣電路是以四節為一個(gè)模塊進(jìn)行電壓采集，每個(gè)模塊總共有四路采集電路，實(shí)現對每一節電池電壓的采集。采集電路通過(guò)分壓電路實(shí)現對單節電壓采集，單節電壓采集電路如圖6所示。

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

二、系統軟件部分

本系統軟件部分主要功能：實(shí)現系統上電時(shí)，數碼管顯示蓄電池各節當前電壓。當上位機發(fā)送開(kāi)始檢測充放電電流指令之后，MCU啟動(dòng)充放電電流檢測模塊，MCU對AD采集過(guò)的數據進(jìn)行處理，送往數碼管顯示為實(shí)際的充放電電流值，當上位機發(fā)送停止命令之后，關(guān)閉電流檢測模塊。圖7為系統整個(gè)程序流程圖。

三、實(shí)驗結果

將監測系統用于16組鉛酸蓄電池，進(jìn)行充放電電流測試。實(shí)驗在室溫下進(jìn)行，測試10次后取均值，將采集的AD換算成電流數據后與實(shí)驗電流進(jìn)行對比，實(shí)驗數據如表1。

由測試數據分析可以看出，測試電流誤差在100個(gè)毫安以?xún)?，滿(mǎn)足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、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過(guò)霍爾效應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，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制，具有響應時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過(guò)載能力強，線(xiàn)性好，抗干擾力強等優(yōu)點(diǎn)

2、應用場(chǎng)所

霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統發(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(chē)，太陽(yáng)能，光伏或其他類(lèi)型的裝置以較大效率工作。

3、可再生能源的典型應用：

太陽(yáng)能

風(fēng)電

水電

燃料電池

地熱發(fā)電

潮汐能

4、安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型說(shuō)明

5、安科瑞霍爾傳感器應用場(chǎng)景示意圖

五、結語(yǔ)

本文針對鉛酸蓄電池充放電電流檢測存在的一些問(wèn)題，提出了基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池監測系統的設計。實(shí)驗結果表明，該系統能夠快速準確測得蓄電池充放電電流大小，能夠適用于各種需監測蓄電池組大電流充放電場(chǎng)合。這種設計可有效維護鉛酸蓄電池，延長(cháng)電池壽命。相信本文研究的控制系統經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善后，能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

參考文獻

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