淺談霍爾電流傳感器在鉛酸蓄電池監測係統中的應用及選型

簡婷

韦德1946网址 上海嘉定201801

【摘要】感器其精度高、線性好、頻帶寬、響應快等優(you) 點，設計了霍爾傳(chuan) 感器對鉛酸蓄電池充放電電流檢測的實現。本文著重介紹了監測係統組成，原理以及其應用。通過檢測充放電電流，電池組單節電池電壓等參數來實現對鉛酸蓄電池進行監測。

【關(guan) 鍵詞】霍爾傳(chuan) 感器；鉛酸蓄電池；測試係統

引言

      鉛酸蓄電池從(cong) 其產(chan) 生到發展已經有一百多年的曆史，其具有價(jia) 格低廉，使用上具有充分的可靠性，適用於(yu) 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(yu) 此同時，鉛酸電池在充電時，對充電電流大小也有嚴(yan) 格要求，基於(yu) 此，本文提出一種基於(yu) 霍爾傳(chuan) 感器來對蓄電池充放電電流監測的係統，相較於(yu) 一般使用檢流電阻來檢測充放電電流的係統，具有反應速度快，靈敏度高，檢測電流範圍大，無需考慮散熱問題等優(you) 點。

      霍爾傳(chuan) 感器是根據霍爾效應製作出的一類傳(chuan) 感器，具有對磁場敏感，結構簡單，體(ti) 積小，輸出電壓變化大，使用壽命長等特點，因此廣泛被應用於(yu) 工業(ye) 自動化技術，信息處理以及檢測技術。

霍爾傳(chuan) 感器分為(wei) 兩(liang) 種：

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

      2.開關(guan) 型霍爾傳(chuan) 感器，由穩壓器，霍爾元件，差分放大器，施密特觸發器和輸出級組成。

本係統中采用的CS050E霍爾傳(chuan) 感器，針對CS050E的性能開發出一種實時檢測鉛酸蓄電池充放以及放電時電流大小。

一、係統硬件構成

      係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。

1.主控製係

      主控芯片采用基於(yu) ARM-Cortex處理器的LCP1751，該芯片具有4路串行接口，2個(ge) SSP控製器，8路模擬采集通道，可以*實現對所有模塊控製。控製係統工作流程如下：當鉛酸蓄電池出於(yu) 充電或者放電狀態時，充電\放電電流經檢流電阻後轉換成電壓輸出，輸出的電壓經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專(zhuan) 門的電壓采集模塊采集到之後，通過串口發送到主控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後，將其發送到數碼管顯示。通過數碼管，可以實時看到蓄電池各節電壓，以及充\放電狀態下電流的大小。整個(ge) 係統的開始由上位機對其控製。上位機通過串口發送開始信號給主控MCU，控製整個(ge) 係統開始工作。2.係統電源電路設計

      在本設計中，係統需要兩(liang) 種工作電壓：其一是用於(yu) 霍爾傳(chuan) 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(wei) 實現這三種電壓的輸出，同時又在基於(yu) 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，

      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(guan) 係公式：Vout=1.229V*(R3/R4+1)，通過計算R3和R4選取合適的阻值後輸出正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(wei) 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15V電壓。

      在蓄電池提供12V電源供電狀態下，通過MC7805穩壓電源芯片即可實現5V電源輸出。

3.信號采樣電路設計

      CS050E霍爾可拆卸電流傳(chuan) 感器，是應用霍爾效應開環原理的電流傳(chuan) 感器，能在電隔離條件下測量直流，交流，脈衝(chong) 以及各種不規則波形電流。當傳(chuan) 感器上電工作之後，被測充電或者放電電流從(cong) 傳(chuan) 感器中穿過，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(chuan) 感器輸出端連上由LM324四運放集成電路構成電壓捕捉電路。      Q1是傳(chuan) 感器輸出電壓信號，通過U4構成的同相電壓跟隨器，輸出信號Q+，並連接到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(wei) 一個(ge) 正的電壓值時（對應為(wei) 霍爾電流計測量充電電流），4OUT輸出低電平信號後作為(wei) 開關(guan) 的MOS管QP1打開，輸出電壓AD+；當輸入Q+為(wei) 一個(ge) 負的電壓值時（對應為(wei) 霍爾電流計測量放電電流），3OUT輸出低電平信號，作為(wei) 開關(guan) 的MOS管QP4打開，輸出電壓值AD-。

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

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(wei) 一個(ge) 模塊進行電壓采集，每個(ge) 模塊總共有四路采集電路，實現對每一節電池電壓的采集。采集電路通過分壓電路實現對單節電壓采集，。

      每個(ge) 池電壓采集模塊之間通過串行信號線連接，從(cong) 上而下將測得的電壓信號傳(chuan) 遞，下麵的一個(ge) 模塊和主控板串口相連，將所有十六節電壓信號傳(chuan) 遞給主控板處理並顯示出來。

二、係統軟件部分

      本係統軟件部分主要功能：實現係統上電時，數碼管顯示蓄電池各節當前電壓。當上位機發送開始檢測充放電電流指令之後，MCU啟動充放電電流檢測模塊，MCU對AD采集過的數據進行處理，送往數碼管顯示為(wei) 實際的充放電電流值，當上位機發送停止命令之後，關(guan) 閉電流檢測模塊。

三、實驗結果

      將監測係統用於(yu) 16組鉛酸蓄電池，進行充放電電流測試。實驗在室溫下進行，測試10次後取均值，將采集的AD換算成電流數據後與(yu) 實驗電流進行對比，實驗數據如表1。

由測試數據分析可以看出，測試電流誤差在100個(ge) 毫安以內(nei) ，一般測試對精度的要求。

四、安科瑞霍爾型傳(chuan) 感器的選型

1、概述

      霍爾電流傳(chuan) 感器主要適用於(yu) 交流、直流、脈衝(chong) 等複雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換後的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀(yi) 表等各種采集裝置直接采集，廣泛應用於(yu) 電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理係統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控製等係統電流信號采集和反饋控製，具有響應時間快，電流測量範圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗力強等優(you) 點。  

2、應用場所

      霍爾電流傳(chuan) 感器控製從(cong) 可再生能源係統發送到電網的能量的流量和波形。他們(men) 測量電流以幫助風車，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用：

太陽能

風電

水電

燃料電池

地熱發電

潮汐能

4、安科瑞霍爾傳(chuan) 感器產(chan) 品選型說明

5、安科瑞霍爾傳(chuan) 感器應用場景示意圖

五、結語

      本文針對鉛酸蓄電池充放電電流檢測存在的一些問題，提出了基於(yu) 霍爾傳(chuan) 感器的鉛酸蓄電池監測係統的設計。實驗結果表明，該係統能夠快速準確測得蓄電池充放電電流大小，能夠適用於(yu) 各種需監測蓄電池組大電流充放電場合。這種設計可有效維護鉛酸蓄電池，延長電池壽命。相信本文研究的控製係統經過進一步的完善後，能夠產(chan) 生一定的經濟和社會(hui) 效益。

參考文獻

[1] 郭正海.霍爾元件的幾種檢測方法[J].2007. 

[2] 黃薇，李麗(li) ，曾兵，袁海林，李國仁.基於(yu) 霍爾傳(chuan) 感器的鉛酸蓄電池監測係統的設計.

[3] 企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.5版.

作者簡介：

簡婷，現任職於(yu) 韦德1946网址，主要從(cong) 電量傳(chuan) 感器產(chan) 品的研發及應用。